滑坡推力分布對(duì)灌注微型樁受力規(guī)律的影響分析

李昌龍

(貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)研究院股份有限公司，貴陽(yáng) 550081)

1 概 述

2018年底，貴州高速公路通車?yán)锍踢_(dá)到6 450 km，2020年預(yù)計(jì)突破10 000 km。隨著通車?yán)锍淘黾樱诮ㄔO(shè)期和運(yùn)營(yíng)期，邊坡、路基失穩(wěn)等地質(zhì)災(zāi)害問題愈加頻繁。灌注微型樁(長(zhǎng)細(xì)比大于30，樁徑為100～300 mm)作為新型支擋結(jié)構(gòu)被常用于公路邊坡、路基加固，具有輕型、快速、環(huán)保等特點(diǎn)，貴州每年公路建設(shè)微型樁用量約10 000根。微型樁在公路建設(shè)中使用時(shí)間較短，缺少相關(guān)規(guī)范規(guī)程指導(dǎo)設(shè)計(jì)和施工。

調(diào)研分析，滑坡推力分布形式的選擇關(guān)系到灌注微型樁設(shè)計(jì)的安全性，目前該方面研究較少。楊濤等針對(duì)已知坡推力為三角形、矩形或梯形分布的現(xiàn)狀，提出了定點(diǎn)剪出穩(wěn)定性核算的滑坡推力分布計(jì)算方法[1]。戴自航針對(duì)滑坡巖土體性質(zhì)的不同，推導(dǎo)了滑坡推力分布函數(shù)[2]。陳穎騏等通過監(jiān)測(cè)位移確定各點(diǎn)滑帶土強(qiáng)度的量化方法并分析了滑坡推力的優(yōu)化算法[3]。已有研究基本針對(duì)抗滑樁設(shè)計(jì)方面。

因此，本文在已知滑坡推力呈矩形或平行四邊形、三角形、梯形、拋物線分布為前提，采用MIDAS/GTS軟件模擬了滑坡推力分布對(duì)灌注微型樁受力規(guī)律的影響。

2 滑坡推力分布

滑坡推力分布形式與滑坡的類型、部位、地層性質(zhì)、變形情況及地基系數(shù)等因素有關(guān)，滑坡推力分布形式可根據(jù)實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)、實(shí)測(cè)結(jié)果和模型試驗(yàn)分析等方法確定。常用滑坡推力分布形式有三角形、矩形(平行四邊形)和梯形、拋物線形4種(圖1)，對(duì)應(yīng)滑坡推力分布關(guān)系見表1。

圖1 滑坡推力分布形式

滑坡巖土類別滑坡推力分布形式滑坡推力合力作用點(diǎn)位置滑坡推力分布函數(shù)巖石矩形或平行四邊形12Lq(y)=EL砂土、散體三角形～拋物線35L～23Lq(y)=(36k-24)EL3z2+(18-24k)EL2z黏土拋物線～三角形23L～34Lq(y)=(36k-24)EL3z2+(18-24k)EL2z介于砂土與黏土之間梯形1320Lq(y)=1.8EL2z+E10L

注：E為計(jì)算滑坡推力；q為點(diǎn)荷載；L為受荷段樁長(zhǎng)；z為點(diǎn)荷載位置距地表深度；k為控制系數(shù)，一般取0～1。

3 MIDAS/GTS軟件

MIDAS/GTS軟件是巖土隧道結(jié)構(gòu)專用有限元分析軟件，能夠進(jìn)行巖土結(jié)構(gòu)的應(yīng)力分析、動(dòng)力分析、滲流分析、應(yīng)力-滲流耦合分析、邊坡穩(wěn)定分析、襯砌分析等，可實(shí)現(xiàn)巖土結(jié)構(gòu)三維動(dòng)態(tài)模擬。軟件內(nèi)置有莫爾庫(kù)倫、修正莫爾庫(kù)倫、鄧肯-張、修正劍橋等14種本構(gòu)模型，以及用戶自定義本構(gòu)模型接口。此外，軟件提供了便捷的幾何建模功能、地形生成器、隧道建模助手、錨桿建模助手以及豐富的后處理結(jié)果；可以廣泛應(yīng)用于地下結(jié)構(gòu)、巖土、水工、地質(zhì)、礦山、隧道等方面的分析。本次模擬計(jì)算涉及到MIDAS/GTS的原理有彈塑性分析、接觸單元、收斂標(biāo)準(zhǔn)。

3.1 彈塑性分析

在荷載作用下產(chǎn)生的總應(yīng)變包括彈性應(yīng)變和塑性應(yīng)變：

(1)

3.2 接觸單元

MIDAS/GTS中提供了用于連接不同材料或剛度相差較大材料的接觸單元——Goodman單元。圖2節(jié)點(diǎn)號(hào)為1，2，3，4與整體坐標(biāo)軸X軸傾斜角α的典型接觸單元。采用莫爾-庫(kù)倫(Mohr-Coulomb)屈服標(biāo)準(zhǔn)計(jì)算。

3.3 收斂標(biāo)準(zhǔn)

GTS中的收斂標(biāo)準(zhǔn)有位移、不平衡力以及不平衡能量收斂標(biāo)準(zhǔn)。迭代計(jì)算過程中達(dá)到收斂標(biāo)準(zhǔn)要求時(shí)，會(huì)自動(dòng)進(jìn)行下一步分析。迭代過程用向量方式的Euclidean范數(shù)表示如下：

(2)

式中：‖d‖為向量d的范數(shù)；di為向量d的第i個(gè)成分；n為向量中的成分?jǐn)?shù)。

圖2 典型接觸單元

4 模擬分析

4.1 模擬思路

假設(shè)計(jì)算滑坡推力E按表2中荷載進(jìn)行分級(jí)加載，加載模型見圖3。通過提取模擬結(jié)果中的樁身彎矩峰值、彎矩峰值位置、負(fù)剪力峰值、負(fù)剪力峰值位置、樁頂位移、滑動(dòng)面處樁身位移，作出推力分布-結(jié)果曲線，進(jìn)而獲得推力分布對(duì)灌注微型樁的影響規(guī)律。

表2 橫向荷載分級(jí)

圖3 模型邊界及加載

4.2 建模及參數(shù)

4.2.1 建 模

以承臺(tái)微型樁為例，從微型樁的受力、變形、坡體土壓力分布、樁土相互作用進(jìn)行模擬分析，規(guī)定灌注微型樁群從左至右分別為第1排樁、第2排樁、第3排樁。

模型見圖4，幾何尺寸(長(zhǎng)×寬×高)取17.954 m×2.0 m×15.5 m，以粉質(zhì)黏土與泥巖的交界面模擬滑動(dòng)面。樁徑為30 cm，樁間距1 m，排間距0.5 m，樁長(zhǎng)8 m。

圖4 MIDAS/GTS分析模型

4.2.2 參 數(shù)

數(shù)值模擬試驗(yàn)中，微型樁群的幾何參數(shù)為：粉質(zhì)黏土與泥巖的物理力學(xué)參數(shù)見表3，微型樁與頂板的物理力學(xué)參數(shù)見表4。微型樁、頂板采用彈性模型進(jìn)行模擬，粉質(zhì)黏土與泥巖采用Mohr-Coulomb模型進(jìn)行模擬，微型樁與粉質(zhì)黏土、泥巖之間建立接觸，接觸單元參數(shù)見表5。

表3 試驗(yàn)地層的主要物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

表4 物理力學(xué)參數(shù)

表5 接觸界面輸入?yún)?shù)

4.3 結(jié)果分析

1) 滑坡土體推力分布-樁身彎矩、彎矩峰值影響見圖5、圖6及表6。

圖5 滑坡土體推力分布-樁身彎矩

圖6 滑坡土體推力分布-樁身彎矩峰值

滑坡推力分布形式彎矩峰值大小/MN·m彎矩峰值到滑動(dòng)面的距離/m矩形9.162.857拋物線7.782.857梯形7.102.857三角形6.872.857

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身彎矩均呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢(shì)，彎矩峰值均出現(xiàn)在滑動(dòng)面以下位置處，其位置約在滑面以下2.86 m處，這說明滑坡推力的分布形式或者滑坡推力的合力作用點(diǎn)位置對(duì)彎矩峰值位置無影響。②滑坡推力為矩形分布時(shí)，對(duì)樁基產(chǎn)生彎矩最大，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布，4種分布形式下樁身彎矩峰值依次為9.16，7.78，7.10和6.87 MN·m。③對(duì)于滑動(dòng)面以上的樁長(zhǎng)范圍內(nèi)，滑坡推力分布形式顯著影響彎矩的大小，滑動(dòng)面以下的樁身內(nèi)力大小受推力分布形式的影響則相對(duì)較小。

2) 滑坡推力分布-負(fù)剪力峰值、負(fù)剪力峰值位置影響見表7、圖7-圖8。

表7 滑坡推力分布-負(fù)剪力峰值

圖7 滑坡推力分布-樁身剪力

圖8 滑坡推力分布對(duì)樁身負(fù)剪力峰值的影響

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身剪力均呈先增大后減小為0出現(xiàn)負(fù)值后逐漸增大直至為0，分布規(guī)律呈現(xiàn)反S型分布。剪力的第一個(gè)拐點(diǎn)在滑動(dòng)面處，其值均為1 MN，即為滑坡推力大小?；瑒?dòng)面以下位置出現(xiàn)剪力零點(diǎn)，該點(diǎn)也為彎矩峰值點(diǎn)。②滑坡推力分布形式為矩形分布、拋物線形、梯形、三角形分布時(shí)，剪力零點(diǎn)位置不變，負(fù)剪力峰值依次為-1.33，-1.14，-1.05和-1.02 MN，距滑動(dòng)面的距離均為7.14 m。這表明滑坡推力呈矩形分布樁身剪力最大，其后依次為拋物線形、梯形與三角形分布，但滑坡推力分布形式不影響負(fù)剪力峰值位置。

3) 滑坡推力分布-樁身位移、樁頂位移、滑面處位移影響見圖9、圖10及表8。

圖9 滑坡推力-樁身位移分布規(guī)律

圖10 滑坡推力分布-樁身位移

根據(jù)模擬結(jié)果分析得：①不同滑坡推力分布形式工況下，樁身位移均呈現(xiàn)出逐漸減小的趨勢(shì)，位于穩(wěn)定土層中的樁身位移逐漸趨于零。②滑坡推力呈矩形分布、拋物線分布、梯形分布、三角形分布時(shí)，樁頂位移依次為7.70，5.85，5.44，5.20 cm，滑動(dòng)面處樁頂位移依次為1.13，1.00，0.93，0.91 cm，這表明滑坡推力分布形式不同，樁身產(chǎn)生的位移也不同。當(dāng)滑坡推力為矩形分布時(shí)，樁身產(chǎn)生的位移最大，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。

綜上所述，當(dāng)滑坡推力呈矩形分布形時(shí)，滑坡體最密實(shí)，其次依次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。滑坡體越密實(shí)，對(duì)灌注微型樁的不利影響越大。

5 結(jié) 論

通過MIDAS/GTS軟件建立模型，模擬了滑坡推力的不同對(duì)灌注微型樁的影響規(guī)律研究，結(jié)論如下：

1) 滑坡推力分布形式或者滑坡推力的合力作用點(diǎn)位置對(duì)彎矩峰值位置、負(fù)剪力峰值位置無影響。

2) 滑坡推力呈矩形分布樁身剪力最大，其次為拋物線形、梯形與三角形分布。

3) 當(dāng)滑坡推力分布形式為矩形時(shí)，滑坡體最密實(shí)，其次為拋物線分布、梯形分布、三角形分布。表明滑坡體越密實(shí)，其對(duì)微型樁的不利影響越大。