樁梁組合支護下帶裂隙深挖方膨脹渠坡穩定性分析*

李友云,謝繼登,劉德取,張軍,廖浩成

(1.長沙理工大學 交通運輸工程學院,湖南 長沙 410114；2.浙江金麗溫高速公路有限公司,浙江 杭州 325027；3.湖南省蓮株高速公路建設開發有限公司,湖南 株洲 412000)

以往膨脹土地區修筑渠坡時,即使坡率降至1∶5～1∶6的緩坡仍會產生滑坡。抗滑樁是加固膨脹土渠坡的有效措施,它穿透滑體直至持力層進行錨固,是一種借助與樁周圍土體相互作用,把滑坡體推力傳遞到持力層擴散的抗滑結構。李小雷等針對西南地區膨脹土滑坡,分析了全埋H形樁對加固邊坡的可行性及與膨脹土邊坡相互作用時受力特性。王東海通過有限元模擬,對不同樁間距的樁梁組合抗滑支護措施進行了對比分析,但未考慮膨脹渠坡存在大小不一隨機分布的裂隙面。盧再華等對原狀膨脹土進行三軸剪切試驗,得出軟弱夾層及原生裂隙面是決定其剪切強度的主要因素。該文針對南水北調中線深挖方膨脹渠坡,考慮受裂隙面、軟弱夾層控制的滑動破壞及受氣候影響的淺表層蠕動,建立樁梁組合支護下膨脹渠坡數值計算模型,分析樁梁組合支護對深挖方帶裂隙膨脹渠坡的可行性。

1 有限元模型建立

1.1 基本模型

根據該工程實際設計樁梁組合支護方案,其中抗滑樁體直徑1.2 m、樁長13.8 m、樁間距4 m,坡面梁截面尺寸為50 cm×50 cm(見圖1)。

圖1 樁梁組合支護設計示意圖(單位：cm)

膨脹渠坡模型尺寸為長69 m,高21 m,坡頂長20 m,厚12 m。根據土體特性,渠坡上層為弱膨脹土,中層為中膨脹土,下層為強膨脹土,在中、下層之間存在地下水影響下強度極差的軟弱夾層。渠坡穩定性分析中考慮土層存在裂隙情況,利用多尺度分析思想均勻化6 m尺度裂隙面的強度參數。在4 m長度范圍內的裂隙面與同一尺度的土體構成均質體；對于4 m長度以上的裂隙面,由裂隙面統計規律隨機生成4 m長度以上長大裂隙面(見圖2、圖3)。模型中土體采用Mohr-Coulomb屈服準則、非關聯流動法則,樁及梁結構視為剛體。

圖2 渠坡尺寸示意圖(單位：m)

圖3 渠坡有限元模型

1.2 裂隙面膨脹土渠坡土體及樁梁組合參數

樁梁組合支護由抗滑樁及坡面梁組成,其參數見表1。

表1 樁梁組合參數

膨脹渠坡淺表層易在氣候影響下發生蠕動,進而失穩滑坡,故分析中考慮干濕反復變化下渠坡存在潛在不利狀態。參考當地降雨及光照等資料,利用Geostudio模擬膨脹渠坡表層在干濕循環下隨渠坡深度增加產生的強度參數變化,結果表明：干濕作用3個月,渠坡影響深度為0.5 m；干濕作用6個月,渠坡影響深度增加到1 m；干濕作用12個月,渠坡影響深度達到2 m。以受干濕作用1年的最不利工況下強度指標作為膨脹渠坡深度2 m范圍內的計算強度參數(見表2)。

表2 干濕循環影響區域參數

膨脹渠坡深層土體主要受地下水位變化的影響,土體參數見表3。

表3 深層膨脹渠坡土體參數

1.3 受地下水位變化影響的深層膨脹土含水率及膨脹系數分析

根據現場分析報告,該膨脹渠坡最深層強膨脹土層含水率基本保持穩定(26.6%),為飽和狀態；中膨脹土層受地下水位影響的含水率變化主要反生在高度z為7～9 m處,含水率W變化沿深度方向呈現負指數函數關系,函數表達式見式(1)。各含水率變化區位x的體膨脹系數α見式(2),體膨脹量為αW(x,y,z)。

2 樁梁組合下帶裂隙深挖方膨脹渠坡的穩定性

2.1 樁梁組合對帶裂隙深挖方膨脹渠坡支護的可行性分析

對樁長13.8 m、樁徑1.2 m、樁間距4 m下樁梁組合支護渠坡進行模擬計算,以計算是否收斂作為判定標準獲取安全系數。渠坡等效應變和安全系數見圖4、圖5。

圖4 樁梁組合支護下渠坡等效塑性應變云圖(單位：cm)

圖5 樁梁組合支護下渠坡安全系數

由圖4可知：在樁梁組合支護下,帶裂隙膨脹渠坡的滑動面呈現受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動,在裂隙面和軟弱夾層共同影響下渠坡偏向強度較弱的土體(沿著裂隙面和軟弱夾層)滑動,最大位移出現在坡腳附近。

由圖5可知：樁梁組合支護下膨脹渠坡的安全系數達1.460,滿足相關規范的要求,說明樁梁組合設計方案可行。

2.2 裂隙面與軟弱夾層對深挖方膨脹渠坡支護穩定性的影響

受裂隙面和軟弱夾層等內部土體因素影響,膨脹渠坡的滑動面逐漸貫通而導致失穩破壞。考慮隨機分布帶來的偶然誤差,建立5種具有不同分布規律裂隙面和無裂隙面膨脹渠坡模型,模型尺寸相同(見圖6、圖7),分析有無裂隙面和軟弱夾層時樁梁組合支護下渠坡的穩定性。各工況下渠坡安全系數見表4。

圖6 帶裂隙面渠坡模型

圖7 無裂隙渠坡模型

表4 各工況下采用樁梁組合支護時渠坡的安全系數

由表4可知：樁梁組合支護下,沒有裂隙面和軟弱夾層時渠坡的安全儲備極大,渠坡穩定。存在軟弱夾層而無裂隙面時,渠坡安全系數大幅減小,軟弱夾層直接影響渠坡的穩定性,渠坡處于臨界滑動狀態。存在裂隙面而無軟弱夾層時,渠坡安全系數在1.479上下浮動,裂隙面較大幅度降低了渠坡的穩定性。裂隙面和軟弱夾層的存在會減小渠坡的安全系數,控制土體滑坡,影響渠坡的穩定性。但在單一因素影響下,相對于裂隙面,軟弱夾層對渠坡安全系數的減小幅度更大。這是由于長大裂隙面經過后天改造常形成強度更低、填充著灰綠色黏土的光滑的軟弱夾層,軟弱夾層是膨脹渠坡失穩過程中破壞性、活躍度最大的因素。在裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡穩定性急劇下降,渠坡安全系數在0.814左右,渠坡將產生滑移失穩破壞。從存在隨機分布裂隙面的5個渠坡來看,裂隙面的產狀、組合特征、裂隙傾角都會影響渠坡的安全系數。

2.3 抗滑樁對含裂隙面深挖方膨脹渠坡支護的穩定性分析

考慮軟弱夾層的存在,分析僅采用抗滑樁支護時存在裂隙面深挖方膨脹渠坡的穩定性。各工況下渠坡安全系數見表5。

表5 各工況下采用抗滑樁支護時渠坡的安全系數

由表5可知：僅存在軟弱夾層的不利條件下,抗滑樁的支護效果較差,安全系數為0.981,達不到設計規范要求；同時存在裂隙面和軟弱夾層的情況下,使用抗滑樁支護渠坡的效果更差,安全系數在0.946上下波動,不利于渠坡的穩定。在裂隙面和軟弱夾層共同影響下膨脹渠坡的穩定性更差,單采用抗滑樁不足以使渠坡保持穩定,采用樁梁組合支護體系才能保障膨脹渠坡的穩定性。

3 結論

利用ABAQUS軟件建立有無裂隙面和軟弱夾層、有無樁等條件下深挖方膨脹土渠坡模型,計算各條件下渠坡的安全系數,分析其對帶裂隙深挖方膨脹渠坡穩定性的影響。結論如下：

(1)樁梁組合支護下帶裂隙膨脹渠坡滑動面呈受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動(沿裂隙面和軟弱夾層),最大位移出現在坡腳附近。

(2)裂隙面與軟弱夾層都會降低渠坡的穩定性,單一因素下軟弱夾層對渠坡安全系數的減小幅度比裂隙面大；裂隙面的產狀、組合特征、裂隙傾角都會對渠坡安全系數產生一定影響。

(3)裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡安全系數在0.814左右,渠坡將產生滑移失穩破壞。

(4)考慮軟弱夾層的存在,抗滑樁支護下,深挖方膨脹渠坡的安全系數為0.92～0.98,不足以使渠坡保持穩定；樁梁組合支護下,渠坡安全系數達到1.460,能保障深挖方膨脹渠坡的穩定性。