抗滑樁加固土坡穩(wěn)定性分析

蔣永軍

(大同市交通局公路管理處，山西大同 037000)

0 引言

滑坡是工程中最為常見的病害之一，引起滑坡的因素較多，而且滑坡一旦發(fā)生，必將嚴(yán)重地影響交通安全以及人民的生命財(cái)產(chǎn)安全。在滑坡病害的防治研究中，研究人員提出了多種工程措施，其中抗滑樁占據(jù)著重要的地位，在滑坡治理中獲得了廣泛的應(yīng)用，從最早應(yīng)用的木樁，到后來的鋼樁以及目前應(yīng)用最為廣泛的鋼筋混凝土樁等等。不同于一般的樁基礎(chǔ)，抗滑樁主要承受水平荷載，這與梁的受力特點(diǎn)較為相似，然而抗滑樁是埋藏在土中的，由于滑動(dòng)面以及土體抗力的作用，使其成為了一種有別于簡單梁的超靜定結(jié)構(gòu)［1-3］。

國內(nèi)外的眾多學(xué)者通過理論分析，數(shù)值模擬以及現(xiàn)場監(jiān)測等手段針對(duì)滑坡問題以及抗滑樁措施進(jìn)行了大量的研究，其中強(qiáng)度折減法是最為有效的數(shù)值分析方法之一。強(qiáng)度折減法是由Zienkiewicz等提出的［4］，其核心是抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)，可以理解為在外荷載不變的條件下，土體的最大抗剪強(qiáng)度與所受到的剪應(yīng)力之比，在極限情況下，土體受到的實(shí)際剪應(yīng)力與按照強(qiáng)度指標(biāo)折減后確定的實(shí)際抗剪強(qiáng)度相等。

折減后的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)可由式(1)表示:

其中，c為土體的粘聚力;φ為土體的摩擦角;cm，φm均為折減后的值;Fr為折減系數(shù)。

利用強(qiáng)度折減法進(jìn)行數(shù)值計(jì)算時(shí)，判斷邊坡是否失穩(wěn)的依據(jù)主要包括數(shù)值計(jì)算的收斂與否、特征部的位移拐點(diǎn)、是否形成連續(xù)貫通區(qū)［5］。

本文在前人研究的基礎(chǔ)上，結(jié)合實(shí)際工程，利用有限元方法以及強(qiáng)度折減法論證了抗滑樁的作用，并分析了樁距對(duì)于土坡穩(wěn)定性的影響。

1 數(shù)值模型的建立

1．1 幾何尺寸

某邊坡工程為防止滑坡擬采用抗滑樁進(jìn)行處理，坡高為10 m，邊坡坡度為1∶1．5，抗滑樁的樁徑為0．8 m，樁長 15．5 m，樁間距為4倍樁徑3．2 m，樁的位置距離坡腳10．5 m，底端距離土基底部2．0 m。為了提高計(jì)算效率，采用對(duì)稱的方法，分析一根抗滑樁一側(cè)一般樁徑土體的受力特性，本文建立的數(shù)值模型見圖1。

1．2 參數(shù)選取

土體選用Mohr-Coulomb準(zhǔn)則，樁體選用線彈性本構(gòu)模型，具體的參數(shù)取值如表1所示。

需要注意的是，為了保證土坡自身的初始穩(wěn)定性，在最開始設(shè)置材料時(shí)，取強(qiáng)度折減系數(shù)為0．5，因此土體的粘聚力和內(nèi)摩擦角分別為50 kPa和54．48°。

表1 數(shù)值模型主要參數(shù)

1．3 接觸設(shè)置

樁土之間的接觸如何設(shè)置對(duì)于計(jì)算結(jié)果有著很大的影響，本模型參考前人的經(jīng)驗(yàn)，從初始分析步開始設(shè)置接觸特性，采用主從接觸面算法，主面為樁體表面，土體設(shè)置為從面。法相接觸為硬接觸，選用罰函數(shù)的摩擦特性，摩擦系數(shù)設(shè)置為0．5。

1．4 邊界條件

充分考慮實(shí)際工況，數(shù)值計(jì)算模型確定的邊界條件如下:

1)限制模型左右側(cè)面的X向位移。

2)限制模型前后面的Y向位移。

3)地基底部為固定端約束。

4)約束樁的對(duì)稱面Y向位移。

1．5 加載過程

首先進(jìn)行初始地應(yīng)力的平衡，并導(dǎo)出單元中心點(diǎn)的地應(yīng)力，將導(dǎo)出的文件導(dǎo)入下一個(gè)計(jì)算階段，作為強(qiáng)度折減分析時(shí)的初始應(yīng)力狀態(tài)。

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

2．1 初始地應(yīng)力平衡階段的受力特性

初始地應(yīng)力平衡時(shí)巖土工程數(shù)值分析的最初始也是最重要的階段。如圖2所示分別為計(jì)算得到加固前后的初始地應(yīng)力平衡后土坡的沉降云圖。

如圖2所示，在初始地應(yīng)力平衡過后，抗滑樁的存在使得路基整體的沉降有所減小，但是效果并不明顯。

如圖3所示為初始地應(yīng)力平衡過后，加固前后路基中的豎向應(yīng)力云圖。

抗滑樁的存在雖然并沒有對(duì)路基中的最大豎向應(yīng)力值產(chǎn)生顯著的影響，但是改變了路基中應(yīng)力的分布狀態(tài)，加入抗滑樁后，路基中的豎向應(yīng)力分布更加均勻，最大值出現(xiàn)在樁底與土體接觸的部位。

2．2 安全系數(shù)與滑動(dòng)面

安全系數(shù)是邊坡設(shè)計(jì)施工過程中最重要的參數(shù)，而抗滑樁的存在究竟對(duì)安全系數(shù)的影響有多大，以及不同的樁距條件下安全系數(shù)是如何變化的等問題還需進(jìn)一步討論。本文利用程序分別記錄計(jì)算過程中未加固的邊坡、樁距為4倍以及8倍樁距的邊坡衰減系數(shù)Fr以及坡腳處的水平位移，結(jié)果如圖4所示。

以曲線的拐點(diǎn)處的Fr作為安全系數(shù)。由圖可見，當(dāng)邊坡加固前的安全系數(shù)大約為2．01，采用4倍樁距作為樁距的抗滑樁加固時(shí)，安全系數(shù)約為2．51，而增大樁距到8倍樁距時(shí)，安全系數(shù)降低到2．37，說明抗滑樁的加固效果比較明顯，但是其合理樁距的確定還需要進(jìn)一步研究。

在實(shí)際工程中，除了安全系數(shù)之外滑動(dòng)面的位置也是重點(diǎn)的研究對(duì)象之一，然而經(jīng)過強(qiáng)度折法計(jì)算得到的總位移云圖，往往難以確定滑動(dòng)面的位置，因此考慮到滑坡的趨勢可以在增量位移中反映，因此，本文繪制了計(jì)算終值時(shí)最后兩個(gè)分析步之間的位移增量云圖。如圖5所示，加固前的邊坡已經(jīng)形成連續(xù)貫通的滑動(dòng)帶，而抗滑樁的存在使得樁前后的位移增量云圖的顏色差異較大，說明有效地阻止了其上部土體的下滑，而由于抗滑樁的存在，則避免了滑動(dòng)帶的貫通。

3 結(jié)語

本文基于實(shí)際工程，結(jié)合數(shù)值計(jì)算法以及強(qiáng)度折減法，分析了抗滑樁對(duì)于邊坡的加固作用，結(jié)果表明:1)在初始地應(yīng)力平衡階段，抗滑樁對(duì)于沉降的影響不大，而對(duì)于豎向應(yīng)力的分布則有較大影響，可以使豎向應(yīng)力的分布更加均勻，而最大的豎向應(yīng)力值出現(xiàn)在樁底與地基土接觸的部位。2)抗滑樁的存在可以顯著提高邊坡的滑動(dòng)安全系數(shù)，但是當(dāng)樁距由4倍樁距增加到8倍時(shí)，安全系數(shù)又有了明顯的降低，說明了如何合理布置樁距還需要進(jìn)一步探討。3)抗滑樁的存在有限地抑制了樁后土體的變形，抑制了貫通的滑動(dòng)帶的形成。

［1］黃海明，許成承，劉小文．邊坡穩(wěn)定性有限元強(qiáng)度折減法分析［J］．山西建筑，2009，35(16):8-10．

［2］李 萍，付 強(qiáng)，陳小念．基于有限元強(qiáng)度折減法分析土坡穩(wěn)定［J］．甘肅科學(xué)學(xué)報(bào)，2007，19(4):63-66．

［3］韋立德，楊春和，高長勝．基于三維強(qiáng)度折減有限元的抗滑樁優(yōu)化探討［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2005，27(11):1350-1352．

［4］周德培，肖世國，夏 雄．邊坡工程中抗滑樁合理樁間距的探討［J］．巖土工程學(xué)報(bào)，2004(1):32，135．

［5］劉 杰，姜俊濤，姜曉峰，等．邊坡穩(wěn)定性的有限元強(qiáng)度折減分析法［J］．低溫建筑技術(shù)，2010，149(11):79-81．

［6］萬少石，年廷凱，蔣景彩．邊坡穩(wěn)定強(qiáng)度折減有限元分析中的若干問題討論［J］．巖土力學(xué)，2010，31(7):2284-2288．