水位波動對抗滑樁加固機理影響研究

余文鋒

(佛山市高明區(qū)城市重建和項目代建中心，廣東 佛山 528500)

1 工程概況

庫區(qū)邊坡長350 m，寬200 m，坡高約為210 m，坡比約為1∶2.4。滑體主要成分為含碎石的粉質(zhì)黏土，滑床為砂巖與風化巖層互層結(jié)構。邊坡典型剖面如圖1所示。根據(jù)土工試驗得到巖土體物理力學指標見表1。

表1 巖土體物理力學參數(shù)

圖1 典型地質(zhì)剖面

2 數(shù)值模型

ABAQUS是一款通用型商業(yè)軟件，軟件內(nèi)嵌了豐富的材料本構模型和分析方法，可高效的模擬各種非線性問題。本文采用ABAQUS進行建模與分析，根據(jù)典型地質(zhì)剖面建立計算模型如圖2所示。其中土體采用摩爾-庫倫本構進行計算，抗滑樁采用各向同性完全彈性本構進行計算。

圖2 數(shù)值模型網(wǎng)格劃分

設計了三種計算工況分別為：(1)滑坡體天然狀態(tài)。(2)庫水位由175 m降至145 m，并考慮滲透力作用和樁土作用。(3)庫水位由145 m上升至175 m，考慮樁土間的作用。

模型網(wǎng)格共35 840，節(jié)點數(shù)為155 650(圖2)。選取某一抗滑樁所在的典型剖面進行分析計算。模型長350 m，高為200 m，樁長60 m，直徑為2.4 m，樁心距為6 m。模型的邊界條件為：底部為全固定約束邊界，頂部為自由邊界，模型的左右邊界限制水平位移。模型在不同工況下采用的力學參數(shù)匯總于表2。

表2 模型計算參數(shù)

計算過程中所需要的滑帶水土特征曲線采用樣本擬合方式獲取，最終結(jié)果見圖3。

圖3 滑帶土水特征曲線及滲透函數(shù)曲線

3 計算結(jié)果與分析

3.1 應變特征

圖4和圖5為模型的應變云圖。圖4結(jié)果表明，在天然工況下，滑坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，當水位上升時，坡體前緣應力迅速增大，方向指向坡體內(nèi)部。此外，樁與土體的界面處的應變變化不明顯。受自重作用，坡體最大應力產(chǎn)生的位置處于坡腳，最大值為5.5 MPa。

圖4 天然工況下滑坡應變云圖

圖5 水位降低工況下滑坡應變云圖

當水位下降時，坡體的水平位移明顯增大，穩(wěn)定性降低。當水位降低至145 m時，坡體由于滲透力的作用導致穩(wěn)定性進一步下降，滑帶處應變增大。相對工況一而言，工況二最大應力產(chǎn)生的位置在滑帶與坡腳連接位置，最大應力為6.6 MPa，最大應變?yōu)?.1×10-3(圖5)。

工況三為水位上升至175 m。相較于工況二來說，坡體應力減小較多。此時，由于巖體的抗剪強度降低，邊坡穩(wěn)定性下降，樁土作用開始發(fā)揮(圖6)。與工況二相比，滑坡頂部的應力減小15%。此外，水位上升導致土體含水率升高，土體基質(zhì)吸力降低，巖體抗剪強度參數(shù)降低，滑坡穩(wěn)定性降低，滑帶處變形較大，可能發(fā)生整體滑動[1-2]。

3.2 應力特征

通常邊坡在位移發(fā)生改變的過程中，土體與樁體的應力狀態(tài)有所差異。為了詳細分析在水位波動下樁土應變變化過程，本文在模型中布設了3個監(jiān)測點：其中監(jiān)測點1位于樁與滑體接觸面，監(jiān)測點2位于樁與滑帶接觸面，監(jiān)測點3位于樁與滑床接觸面。三個監(jiān)測點在不同工況下的應力時程曲線見圖7。

(a)監(jiān)測點1

(b)監(jiān)測點3

(c)監(jiān)測點2圖7 各監(jiān)測點應力變化

圖7表明，監(jiān)測點應力時程曲線在三種不同工況下變化規(guī)律基本一致，均為先增大后趨于平緩的趨勢。其中監(jiān)測點1表明，在工況二情況下，應力變化速率最大，說明在水位下降時，滑坡孔隙水壓力消散較快，土體飽和狀態(tài)發(fā)生改變，監(jiān)測點1的應力最大值為43 MPa；監(jiān)測點2在天然工況下相對穩(wěn)定，而其余兩種工況下變化較大，主要是由于水的浸泡作用而軟化，強度降低，進一步導致樁的位移增大；監(jiān)測點3位于抗滑樁錨固段中下部，最大應力值出現(xiàn)在水位下降至145 m時，應力最大值為52 MPa，最小值出現(xiàn)在天然工況下，最小值為30 MPa。總體來看，樁前土壓力分別呈上大下小的倒三角形。其他條件相同時，抗滑樁嵌固段不同位置處土壓力變化與巖土體的物理力學性質(zhì)有關[3]。對于嵌固段處于堅硬滑床結(jié)構的情況下，土壓力大于軟滑床結(jié)構的土壓力。

4 結(jié) 論

(1)庫水位波動條件下，巖土體的抗剪強度指標弱化，對邊坡的穩(wěn)定性是不利的。抗滑樁能夠有效地提高邊坡的穩(wěn)定性，但水位波動對抗滑樁的阻滑效果也會產(chǎn)生不利影響。實際應用中，應適當提高抗滑樁的安全儲備系數(shù)，保證邊坡穩(wěn)定性。

(2)庫水位變化的條件下，坡體的最大應變值出現(xiàn)在滑帶中部位置，而應變最小位置在滑坡頂部。此外，水位上升導致滑坡頂部位置位移增大，樁土作用明顯。