宋民崇,余云燕,郭 陽,袁國柱
(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津市 300074;2.蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730070)
某滑坡治理方案的三維數(shù)值模擬分析
宋民崇1,余云燕2,郭陽1,袁國柱1
(1.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司,天津市 300074;2.蘭州交通大學(xué),甘肅 蘭州 730070)
結(jié)合某滑坡實際工程背景,運用軟件建立簡化三維模型,分析其穩(wěn)定性,定量的分析滑坡體總體位移云圖和在主滑方向(即Y方向和Z方向)的位移云圖。在剪應(yīng)變增量云圖中找出滑動面的位置,從而為抗滑支擋結(jié)構(gòu)物的合理布設(shè)提供范圍,模擬預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固整治滑坡,并分析、評價治理效果。
滑坡;穩(wěn)定性分析;FLAC3D;數(shù)值模擬
一般對滑坡治理措施的選取都是通過定性的分析[1],從工程的適宜性,技術(shù)的可行性,投資收效比,施工難易程度等幾個方面進行綜合分析,選取治理方案,但這樣的分析方法沒有定量的比較,而數(shù)值模擬分析恰好具備定量分析這一功能,在進行分析時,可以應(yīng)用FLAC3D簡化模型來討論,選取滑坡體典型剖面,建立簡化三維模型,首先分析簡化模型在自然條件下的穩(wěn)定性,分析其位移云圖,找出滑坡體的滑動面。在簡化三維模型上布設(shè)抗滑支擋結(jié)構(gòu)物,從而選出較為合理的治理措施。簡化模型研究治理方案,不但能簡化工作量,同時還可以排除地形因素的干擾,易于治理方案的橫向比較。
某坡體位于甘肅隴南武都地區(qū),地處西南山地,地形特殊而復(fù)雜。本地區(qū)總體地勢西北高,東南低,海拔高程700~2 500 m,相對高差為1 000~1 500m。境內(nèi)山高谷深,峰巒起伏,群山環(huán)繞,溝壑縱橫,山勢陡峻,地層破碎,地質(zhì)構(gòu)造較為復(fù)雜地震活動頻繁且強度大,生態(tài)環(huán)境脆弱,是我國滑坡等地質(zhì)災(zāi)害最為發(fā)育的地區(qū)之一,見圖1。
根據(jù)地質(zhì)資料建立三維簡化計算模型,邊坡前緣的腳點為坐標原點 (0,0,0),X方向沿著坡腳方向向右為正,Y方向以滑動向前為負,Z向上為正,向下為負,高度為150 m,邊坡長150 m,寬150 m,計算模型選取滑坡體典型剖面,將其拖拉20 m,形成簡化三維模型,初始地應(yīng)力為自重地應(yīng)力場。邊界條件為:X、Y、Z方向為固定約束,滑坡體主要由碎石土組成,滑床主要由板巖構(gòu)成。計算參數(shù)選取根據(jù)勘測資料按照表1取值,計算工況為天然狀態(tài)。
圖1 某滑坡工程地質(zhì)縱斷面圖
在計算巖土體的剪切模量和體積模量時,應(yīng)根據(jù)式(1)計算:
簡化模型見圖2。
3.1穩(wěn)定性分析
本文應(yīng)用 FLAV3D三維仿真軟件計算,TECPLOT圖形處理軟件出圖,下面對計算結(jié)果進行分析。依據(jù)表1中的滑坡體參數(shù)對簡化三維模型進行穩(wěn)定性分析,得出滑坡的安全系數(shù)為0.99,并整理出一系列位移云圖,以便與治理后位移云圖進行對比,評價治理效果[2]。
表1 巖土體力學(xué)參數(shù)
圖2 簡化模型示意圖
圖3 簡化模型總體位移云圖
圖4 總體位移中線剖面位移云圖
圖5 滑坡體Y方向總體位移云圖
圖6 滑坡體Y方向中線剖面位移云圖
圖7 滑坡體Z方向位移云圖
圖8 滑坡體Z方向中線剖面位移云圖
圖9和圖10分別為剪應(yīng)變增量云圖和中線剖面剪應(yīng)變增量云圖,由這兩個云圖可以看出滑坡體的滑動面的位置,綜合前面的位移云圖,可以為治理措施位置的選取提供依據(jù)[3],其中最為主要的一點就是給出滑坡體滑動面的位置,從而為抗滑支擋結(jié)構(gòu)物的布設(shè)提供可選范圍。
圖9 剪應(yīng)變增量云圖
圖10 中線剖面剪應(yīng)變增量云圖
3.2預(yù)應(yīng)力錨索框架的數(shù)值模擬
預(yù)應(yīng)力錨索框架這種結(jié)構(gòu)形式主要是利用了預(yù)應(yīng)力錨索、框架梁作為承力和傳力構(gòu)件的特性[4],即通過框架梁承受巨大的錨索預(yù)應(yīng)力并且將其傳遞到被錨固的地層中,從而起到對坡體加固的作用。
在簡化三維模型中,根據(jù)滑動面的具體位置,及相應(yīng)的規(guī)范,在整個坡面20 m范圍內(nèi),布設(shè)兩組錨索框架,框架橫梁長8 m,上排橫梁與下排橫梁之間的距離為4 m,豎梁長8 m,一組框架內(nèi)的左右兩根豎梁之間的距離為4 m。橫梁與豎梁的界面尺寸均為0.7 m×0.7 m,采用C25混凝土澆筑,彈性模量取3E10Pa,泊松比取0.2,預(yù)應(yīng)力錨索的錨固角為25°,鋼筋采用6Φ15.24高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作,上排預(yù)應(yīng)力錨索自由段為20 m,下排為18 m,錨固段長度取10 m,施加預(yù)應(yīng)力為720 kN。
圖11為框架錨索布設(shè)位置剖面示意圖,圖12為框架錨索布設(shè)位置三維示意圖及相應(yīng)的位移云圖,圖13為框架錨索應(yīng)力云圖。由圖11和圖12可以看出框架錨索的布設(shè)位置。
圖11 框架錨索布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖
圖12 框架錨索布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖
圖13 框架錨索應(yīng)力云圖
圖14和圖15分別為治理后總體位移云圖和治理后中線剖面總體位移云圖。由這兩張圖可以看出,經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架加固后,滑坡體的最大位移為0.02 cm,最大位移集中在坡面預(yù)應(yīng)力錨索框架布設(shè)處,并向四周逐漸減小。與未治理時滑坡位移比較可以看出,滑坡體最大位移由19 cm降至0.02 cm,治理效果十分顯著。
圖14 治理后總體位移云圖
圖15 治理后中線剖面總體位移云圖
3.3預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的數(shù)值模擬
預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是一種采用錨索和樁共同受力來抵抗滑坡推力的復(fù)合型受力結(jié)構(gòu)[5]。它能變一般抗滑樁的被動抗滑結(jié)構(gòu)為主動抗滑結(jié)構(gòu),改變懸臂式抗滑樁不合理的受力狀態(tài),是一種全新而有力的新型抗滑結(jié)構(gòu),在普通抗滑樁頂部設(shè)置一排或多排錨索并施加預(yù)應(yīng)力,受力形式類似于上端鉸支和下端彈性固結(jié)的梁式受力結(jié)構(gòu),比普通抗滑樁的懸臂梁受力形式更加合理,在實際工程中得到了推廣應(yīng)用。
根據(jù)實際的模型和相應(yīng)的設(shè)計規(guī)范,錨索自由段取20 m,錨索錨固段取10 m,錨固角取25°,鋼筋采用6Φ15.24高強度低松弛預(yù)應(yīng)力鋼絞線制作,施加預(yù)應(yīng)力為720 kN,根據(jù)滑坡防治工程設(shè)計與施工技術(shù)規(guī)范中的規(guī)定,抗滑樁間距(中對中)宜為5~10 m,抗滑樁的嵌固段應(yīng)嵌入滑床中,約為樁長的1/3~2/5,抗滑樁的截面形狀應(yīng)以矩形為主,截面寬度一般為1.5~2.5 m,截面長度一般為2.0~4.0 m,因此本文樁截面尺寸取1.6 m×2 m,樁長取26 m(嵌入滑床9 m),樁間距取6 m,采用C25混凝土澆筑,樁體材料彈性模量取3E10 Pa,泊松比為0.2,樁位的選擇根據(jù)滑坡推力及實際模型確定。
圖16為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖,圖17為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖,由圖16和圖17可以看到預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)的平面位置和三維空間位置。
圖16 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置剖面示意圖及位移云圖
圖17 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁布設(shè)位置三維示意圖及位移云圖
圖18和圖19分別為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁平面應(yīng)力云圖和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁三維應(yīng)力云圖,由這兩張圖可以看出預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁各部分發(fā)揮的作用及受力的狀況。
圖18 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁應(yīng)力平面云圖
圖19 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁三維應(yīng)力云圖
圖20和圖21分別為治理后總體位移云圖和治理后總體位移中線剖面云圖,由圖20和圖21可以看出,滑坡體經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固整治后,最大位移由19 cm降至0.009 5 cm,治理效果十分顯著。
圖20 治理后總體位移云圖
圖21 治理后總體位移中線剖面云圖
由以上分析結(jié)果可知,經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固整治后,滑坡最大位移由19 cm降至0.009 5 cm,經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架加固后,滑坡體的最大位移降至0.02 cm。
(1)建立簡化三維模型,分析其在天然條件下的穩(wěn)定狀態(tài),得到滑坡安全系數(shù)為0.99,總體最大位移為19 cm,此時滑坡處于臨界穩(wěn)定狀態(tài),在剪應(yīng)變增量云圖中找到滑動面(或潛在滑動面)的位置。
(2)應(yīng)用軟件,模擬預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁整治滑坡,經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索框架治理后滑坡體的最大位移由19 cm下降到0.02 cm,經(jīng)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁治理后滑坡體的最大位移降至0.009 5 cm,這兩種治理措施效果都十分顯著。
(3)預(yù)應(yīng)力錨索框架是預(yù)應(yīng)力錨索與混凝土框架梁的復(fù)合結(jié)構(gòu),能夠充分發(fā)揮錨索和框架梁的錨固作用;預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁綜合了預(yù)應(yīng)力錨索和抗滑樁二者的優(yōu)點,在樁上設(shè)置一排或多排錨索,并對錨索施加預(yù)應(yīng)力,將錨索錨固在穩(wěn)定的基巖中,以達到阻止邊坡滑動的目的,通過預(yù)應(yīng)力錨索與抗滑樁共同承受滑坡推力,兩者有機結(jié)合,發(fā)揮各自的長處,從而更有效地加固坡體。
預(yù)應(yīng)力錨索框架和預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁已經(jīng)被大量工程實踐證明為是十分有效的治理滑坡的措施,與普通的抗滑樁相比,這兩種結(jié)構(gòu)充分的改善了結(jié)構(gòu)體的受力狀態(tài),使結(jié)構(gòu)體變被動抗滑為主動抗滑,極大地提高了治理滑坡的效果。
[1]王恭先,徐峻齡,劉光代,等.滑坡學(xué)與滑坡防治技術(shù)[M].北京:中國鐵道出版社,2007.
[2]劉波,韓彥輝.FLAC原理、實例與應(yīng)用指南[M].北京:人民交通出版社,2005.
[3]陳育民,徐鼎平.FLAC/FLAC3D基礎(chǔ)與工程實例[M].北京:中國水利水電出版社,2009.
[4]賈金青,鄭衛(wèi)鋒,陳國周.預(yù)應(yīng)力錨桿柔性支護技術(shù)的數(shù)值分析[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報,2005,24(21):3979-3982.
[5]洪濱.預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁優(yōu)化設(shè)計研究[D].重慶:重慶交通大學(xué), 2007.
TU457
A
1009-7716(2016)03-0139-05
10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.03.041
2015-11-11
宋民崇(1983-),男,吉林農(nóng)安人,工程師,從事道路、橋梁設(shè)計與科研工作。