聯(lián)合h型樁在滑坡體阻滑中應(yīng)用數(shù)值模擬研究

寧 宇，黃青富，郝李坤，石 崇

(1.中國(guó)電建集團(tuán)昆明勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司，昆明 650051；2.河海大學(xué)巖土工程研究所，南京 210024)

滑坡是較常見(jiàn)的一種地質(zhì)災(zāi)害，對(duì)人類(lèi)的生命財(cái)產(chǎn)安全構(gòu)成了巨大的威脅，因此滑坡治理是一項(xiàng)十分復(fù)雜的巖土工程技術(shù)，在巖土界一直備受關(guān)注。

常見(jiàn)的滑坡體支護(hù)技術(shù)有抗滑樁、擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索等，其中抗滑樁技術(shù)近年來(lái)不斷發(fā)展，且設(shè)計(jì)理論和研究方法逐漸成熟，中外學(xué)者對(duì)其均有研究。因抗滑樁主要承受滑坡體的推力，研究滑坡體支護(hù)必須先要研究滑坡體推力。戴自航[1]在大量的抗滑樁模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)基礎(chǔ)上，分析總結(jié)了不同巖土類(lèi)型滑坡的滑坡推力和巖土抗力的分布形式和分布函數(shù)表達(dá)式。吳應(yīng)祥等[2]、敖貴勇等[3]等提出了基于有限元強(qiáng)度折減法的抗滑樁滑坡推力及抗滑樁內(nèi)力可靠性分析方法。楊建民等[4]考慮土拱效應(yīng)，結(jié)合Ito塑性變形思想，提出滑坡體作用在抗滑樁上水平推力的新計(jì)算式。目前主要采用懸臂樁法和地基系數(shù)法來(lái)計(jì)算抗滑樁內(nèi)力，蘇愛(ài)軍等[5]基于抗滑樁嵌固段樁周巖土體服從文克爾假定，推導(dǎo)了懸臂式抗滑樁內(nèi)力與位移通用計(jì)算公式；肖世國(guó)[6]將抗滑樁所在部位單獨(dú)劃分條塊，推導(dǎo)了相應(yīng)的樁體受荷段底端內(nèi)力計(jì)算公式。近年來(lái)抗滑樁的設(shè)計(jì)也逐漸得到了優(yōu)化，文獻(xiàn)[7-10]在合理選擇樁長(zhǎng)、埋入深度、樁位、樁間距，以及樁截面形式等方面分別進(jìn)行了研究。

中國(guó)西南地區(qū)地質(zhì)條件十分復(fù)雜，廣泛存在大型滑坡問(wèn)題，采用常規(guī)單排抗滑樁難以滿足工程要求，此時(shí)多采用雙排抗滑樁，h型抗滑樁由門(mén)架式雙排抗滑樁[11]演化而來(lái)，近年來(lái)不斷被應(yīng)用到工程實(shí)踐中，羅忠行等[12]推導(dǎo)出了一種支護(hù)結(jié)構(gòu)水平位移和地面沉降的公式。申永江等[13]提出了前、后排抗滑樁按照一定比例分擔(dān)滑坡推力的計(jì)算方法。劉新榮[14]等利用專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)的h型抗滑樁物理模型，研究了前后樁的樁間土抗力。李洋等[15]對(duì)h型抗滑樁的受力特性進(jìn)行研究，并對(duì)其進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。張永杰等[16]根據(jù)h型抗滑樁的承載變形特性,將其分為阻滑段與錨固段，提出滑坡推力作用下阻滑段與錨固段的承載變形分析模型，建立出h型抗滑樁簡(jiǎn)化計(jì)算方法。

近年來(lái)，隨著數(shù)值模擬方法的發(fā)展，虛擬數(shù)值試驗(yàn)技術(shù)在邊坡支護(hù)的研究中發(fā)揮了重要作用。相較于物理試驗(yàn)，數(shù)值模擬試驗(yàn)不僅花費(fèi)代價(jià)小且具有可重復(fù)性，而且在直觀觀察滑坡體位移、支護(hù)結(jié)構(gòu)支護(hù)效果等方面也具有巨大的優(yōu)勢(shì)。杜興無(wú)等[17]、譚朝瑞等[18]等建立有限元計(jì)算模型，對(duì)滑坡體推力情況進(jìn)行研究，詹智麒等[19]利用有限元軟件PLAXIS 3D建立三維數(shù)值模型探究了不同布樁方式對(duì)h型雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響，董曼曼等[20]通過(guò)3DEC數(shù)值試驗(yàn)，研究了抗滑樁的有效影響范圍與樁截面寬度、深度的關(guān)系。唐勇等[21]基于有限差分軟件FLAC 3D分析了抗滑樁平衡、失穩(wěn)、破壞時(shí)的樁土力學(xué)效應(yīng)。劉青等[22]采用有限差分?jǐn)?shù)值分析軟件FLAC 3D對(duì)雙排樁-錨支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行了數(shù)值分析，揭示了樁身位移和彎矩隨開(kāi)挖深度，樁間距的變化規(guī)律。李亮[23]、周云濤等[24]于數(shù)值模擬分析，探究了樁-土-錨體系的內(nèi)力位移分布規(guī)律及其影響因素。

基于具體工程實(shí)際，利用結(jié)構(gòu)單元建立了h型樁耦合數(shù)值模型與基于有限差分平臺(tái)的數(shù)值模擬計(jì)算方法，以典型滑坡堆積體[25]為例，利用自開(kāi)發(fā)程序進(jìn)行插樁、加錨索和模擬降雨工況，對(duì)滑坡體進(jìn)行聯(lián)合支護(hù)，通過(guò)模擬單排樁支護(hù)、多排樁支護(hù)，同時(shí)改變不同高程位置進(jìn)行支護(hù)，探討最佳的支護(hù)位置及聯(lián)合支護(hù)的作用效果。

1 滑坡支護(hù)體系構(gòu)造方法原理

1.1 抗滑樁計(jì)算原理

h型抗滑樁由矩形截面的前樁、后樁、連梁組成整體，共同抵抗滑坡推力。由于h型樁的計(jì)算較為復(fù)雜，目前還沒(méi)有形成統(tǒng)一的計(jì)算方法，本文結(jié)合門(mén)架式雙排樁與結(jié)構(gòu)力學(xué)中的位移法計(jì)算。計(jì)算時(shí)，將h型抗滑樁簡(jiǎn)化為樁底部固定的h型剛架，前后樁與橫梁為剛接如圖1所示，各部分之間通過(guò)剛節(jié)點(diǎn)進(jìn)行連接，并將h型抗滑樁分解為2區(qū)懸臂段、3區(qū)阻滑段、4區(qū)錨固段三部分(R為錨索拉力、M為彎矩、Q為剪力、EI為截面抗彎剛度，N為軸力)。

圖1 h型樁分解計(jì)算示意圖

基本假定:

(1)矩形截面構(gòu)件的剛度計(jì)算公式為i=bh3/12，(i為剛度，b為寬度，h為高度)在截面尺寸相差不大時(shí)，ibc/ibd(連梁和前樁的剛度比)一般較大，為簡(jiǎn)化計(jì)算可將連梁視為剛體。

(2)剛性連梁受橫向荷載后梁身變形極小，因此可假定連梁與前后樁節(jié)點(diǎn)處的水平位移相等。

其中前排樁主要承擔(dān)滑坡體的推力(p1)和樁間土產(chǎn)生的被動(dòng)土壓力(p3)，而后排樁承受樁間土壓力(q4)和樁前抗力(q2)。

1.2 樁單元與錨索單元構(gòu)建模型

樁單元是巖土連續(xù)數(shù)值模擬常用的結(jié)構(gòu)單元，如FLAC3D方法等。每個(gè)樁的結(jié)構(gòu)元素由其幾何、材料和耦合彈簧特性定義。假定樁單元是位于兩個(gè)節(jié)點(diǎn)之間的具有均勻雙對(duì)稱(chēng)橫截面特性的直段。可以將任意彎曲的結(jié)構(gòu)樁建模為由樁元素集合組成的曲線結(jié)構(gòu)。樁單元的剛度矩陣與梁?jiǎn)卧膭偠染仃囅嗤５?，除了提供梁?jiǎn)卧慕Y(jié)構(gòu)行為(包括指定極限塑性力矩的能力)外，法向(垂直于樁軸)和切向(平行于樁軸)摩擦相互作用發(fā)生在樁和網(wǎng)格之間。樁單元適用于對(duì)結(jié)構(gòu)支撐構(gòu)件(例如基礎(chǔ)樁)進(jìn)行建模，對(duì)于這些構(gòu)件，法向和切向的摩擦相互作用都由巖石或土壤產(chǎn)生。

樁單元和錨索單元都有其單獨(dú)的局部坐標(biāo)系，如圖2(a)所示(u、v、w分別為x、y、z方向的位移，θ為對(duì)應(yīng)的轉(zhuǎn)角)。該坐標(biāo)系用于指定截面慣性力矩和所施加的分布載荷，并定義單元上力和力矩分布的方向。單元的局部坐標(biāo)系由其兩個(gè)節(jié)點(diǎn)的位置決定。如圖2(a)所示，坐標(biāo)系的x方向從節(jié)點(diǎn)1指向節(jié)點(diǎn)2，z方向?yàn)樨Q直向上，其中樁單元包含12個(gè)有效自由度，包含2個(gè)有效自由度，對(duì)于錨索單元，如圖2(b)、圖2(c)所示。每個(gè)節(jié)點(diǎn)處的不平衡力均由錨索中的軸向力以及剪力計(jì)算得出，通過(guò)沿灌漿環(huán)的剪切相互作用而產(chǎn)生，軸向位移通過(guò)不平衡軸向力和集中在每個(gè)節(jié)點(diǎn)上的質(zhì)量對(duì)節(jié)點(diǎn)加速度進(jìn)行積分來(lái)計(jì)算。

圖2 結(jié)構(gòu)單元示意圖

由于國(guó)內(nèi)外針對(duì)預(yù)應(yīng)力錨桿h型樁的研究極少，現(xiàn)基于預(yù)應(yīng)力錨索樁內(nèi)力的研究成果，對(duì)有錨索的h型樁懸臂梁段進(jìn)行計(jì)算。同時(shí)假定:①每根懸臂段的錨索承擔(dān)相鄰兩樁中部-中部的巖土壓力；②作用在樁上的力僅考慮滑坡推力、錨索拉力；③將錨索和懸臂段視為整體，考慮懸臂段、錨索變形以及兩者變形的協(xié)調(diào)。

2 計(jì)算參數(shù)及本構(gòu)模型

2.1 計(jì)算模型

以爭(zhēng)崗滑坡體為案例，其位于古水水電站壩址下游右岸爭(zhēng)崗山梁下游側(cè)總方量達(dá)4 750萬(wàn) m3，屬于特大型滑坡堆積體，存在多處厚度超過(guò)50 m的超深層滑坡。爭(zhēng)崗滑坡堆積體三維計(jì)算模型范圍為:x方向1 900 m，y方向1 230 m，z方向1 855 m。模型底高程取為1 500 m，共劃分單元數(shù)目8 080個(gè)。爭(zhēng)崗滑坡堆積體現(xiàn)場(chǎng)滑坡體區(qū)域如圖3所示，滑坡體模型如圖4所示。

圖3 滑坡堆積體研究區(qū)域

圖4 滑坡體模型示意圖

2008年10月強(qiáng)降雨和2009年2月融雪，滑體下部泉水點(diǎn)增加，流量加大，變形加?。?月降水減少，泉水點(diǎn)和滲水量隨之減少，變形則趨緩，表明滑帶土層透水性較差，暴雨自上而下在滑體內(nèi)形成1～9 m的滯水層，滯水層靠近底滑面，減小了上覆滑體抗滑力，導(dǎo)致滑坡復(fù)活。

2.2 計(jì)算參數(shù)

由于主要考慮滑坡體與滑帶土的變形與破壞情況，所以將模型地層從上至下分為4層:滑坡體、滑帶土、傾倒折斷帶和基巖。依據(jù)爭(zhēng)崗滑坡堆積體深化研究地質(zhì)報(bào)告，模型中巖土體力學(xué)參數(shù)取值如表1所示。結(jié)構(gòu)單元的力學(xué)參數(shù)如表2所示。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)取值表

表2 結(jié)構(gòu)單元物理力學(xué)參數(shù)

2.3 本構(gòu)模型

采用帶抗拉強(qiáng)度的Mohr-Coulomb彈塑性本構(gòu)模型，該準(zhǔn)則是傳統(tǒng)Mohr-Coulomb剪切屈服準(zhǔn)則與抗拉屈服準(zhǔn)則相結(jié)合的復(fù)合屈服準(zhǔn)則。剪切和抗拉屈服準(zhǔn)則分別為

(1)

(2)

Nφ=(1-sinφ)/(1+sinφ)

(3)

式中：σ1、σ3分別為最大、最小主應(yīng)力；φ為內(nèi)摩擦角；c為黏聚力；σt為巖石抗拉強(qiáng)度；Nφ為與內(nèi)摩擦角有關(guān)的參數(shù)；fs、ft分別為剪切、抗拉強(qiáng)度。

3 滑坡支護(hù)模擬及結(jié)果分析

有限差分法模擬計(jì)算復(fù)雜支護(hù)體系往往較為煩瑣，耗費(fèi)大量的時(shí)間。為了解決這一問(wèn)題，基于AUTOCAD與FLAC3D6.0計(jì)算平臺(tái)，研制開(kāi)發(fā)了“基于有限差分法的h型樁聯(lián)合支護(hù)施加程序”，該程序基于FLAC3D6.0模型的計(jì)算狀態(tài)，利用AUTOCAD作為媒介，對(duì)滑坡體表面進(jìn)行自動(dòng)識(shí)別，同時(shí)實(shí)現(xiàn)錨索施加、表面噴射混凝土、h型樁聯(lián)合支護(hù)作用，可以根據(jù)支護(hù)高程、樁體尺寸等基本參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)插樁支護(hù)，大大方便數(shù)值計(jì)算效率，從而快速的計(jì)算分析聯(lián)合支護(hù)形式的效果。

通過(guò)自開(kāi)發(fā)程序?qū)Χ逊e體CAD(computer aided design)圖進(jìn)行識(shí)別，建立網(wǎng)格，確定滑動(dòng)面，然后根據(jù)地質(zhì)情況輸入h型抗滑樁的尺寸、抗滑樁的高程位置，以及設(shè)置樁后錨索，抗滑樁的長(zhǎng)度以及錨索的長(zhǎng)度均根據(jù)埋深和地形狀況自動(dòng)調(diào)節(jié)，具體流程如圖5所示。

圖5 聯(lián)合支護(hù)流程

聯(lián)合支護(hù)時(shí)可采用多排樁、每排樁均由h型樁、樁后錨索、樁間橫梁聯(lián)合支護(hù)的形式來(lái)進(jìn)行邊坡加固，如圖6(a)為多排h型樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)示意圖。通過(guò)對(duì)滑坡體施加水壓力來(lái)模擬降雨作用時(shí)的影響如圖6(b)所示。利用強(qiáng)度折減法[26]來(lái)分析邊坡安全系數(shù)時(shí)，此時(shí)的位移不具有參考價(jià)值。所以圖7中未顯示滑坡體位移情況。

圖6 滑坡體聯(lián)合支護(hù)示意圖

圖7(a)為強(qiáng)度折減法得到的天然工況下邊坡的安全系數(shù)，大小為1.1，通過(guò)對(duì)滑坡體施加水壓，來(lái)模擬降雨作用下滑坡體工況，根據(jù)實(shí)際降雨大小，在滑坡體表面施加了5 m 水頭的水壓力作用。圖7(b)為強(qiáng)度折減法得到的降雨工況下邊坡的安全系數(shù)，大小為1.059，可以看出在降雨作用下，滑坡體的安全系數(shù)降低較大，這也是導(dǎo)致滑坡的主要原因。

圖7 強(qiáng)度折減下邊坡安全系數(shù)

4 樁位對(duì)抗滑樁阻滑效果分析

為討論不同樁位對(duì)抗滑樁阻滑效果影響，設(shè)置樁位高程分別為2 350、2 450、2 550、2 650、2 750、2 850、2 950 m。采用強(qiáng)度折減法得到安全系數(shù)與樁位高程關(guān)系如圖8所示。

由圖8可以看出，樁位高程即當(dāng)抗滑樁置于滑坡體中部位置時(shí)，安全系數(shù)有最大值，此時(shí)抗滑樁效果最好，邊坡穩(wěn)定性最佳。隨著樁位高程增大或減小，邊坡穩(wěn)定性降低。

圖8 樁位高程對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響

為了探究各個(gè)部位靜態(tài)位移的變化情況，在潛在滑坡體上設(shè)置了相應(yīng)監(jiān)測(cè)點(diǎn)，共設(shè)置了如圖9所示3組監(jiān)測(cè)線，分別為了l1、l2、l3，其中l(wèi)1監(jiān)測(cè)線上布置有17個(gè)測(cè)點(diǎn)，l2監(jiān)測(cè)線上布置有14個(gè)測(cè)點(diǎn)，l3監(jiān)測(cè)線上布置有13個(gè)測(cè)點(diǎn)，用于監(jiān)測(cè)支護(hù)前后潛在滑坡體的位移情況。

圖9 測(cè)線與測(cè)點(diǎn)示意圖

根據(jù)模擬持續(xù)降雨工況，并監(jiān)測(cè)邊坡的位移情況，通過(guò)對(duì)各監(jiān)測(cè)點(diǎn)的位移變化情況進(jìn)行對(duì)比，如圖10可以看出支護(hù)在不同的高程位置處時(shí)，各監(jiān)測(cè)線上的監(jiān)測(cè)點(diǎn)位移是大不相同的，并且呈現(xiàn)出一定的規(guī)律性，支護(hù)在2 350、2 450、2 550 m高程位置時(shí)，所有監(jiān)測(cè)點(diǎn)的整體位移都大于其他高程，當(dāng)抗滑樁支護(hù)在滑坡體的中上部時(shí)，整體位移偏小。平均位移情況下，2 650 m高程處支護(hù)效果相對(duì)理想，而強(qiáng)度折減法得到的安全系數(shù)情況同樣是2 650 m處較為安全，表明抗滑樁阻滑效果最佳的是樁位高程位于潛在滑坡體中部位置區(qū)域。

圖10 不同監(jiān)測(cè)線上測(cè)點(diǎn)位移隨高程變化

分別對(duì)常規(guī)單根樁、單樁與樁后錨索、h型樁與樁后錨索進(jìn)行阻滑效果分析，樁與樁之間均通過(guò)橫梁連接，圖11(a)為不同形式的抗滑樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)l1測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的位移情況，可以看出h型抗滑樁的聯(lián)合支護(hù)具有明顯的優(yōu)勢(shì)，同一測(cè)點(diǎn)位置在降雨作用時(shí)，聯(lián)合支護(hù)抗滑樁位移較小。

抗滑樁在實(shí)際工程中，大多是以多排樁的形式進(jìn)行支護(hù)。圖11(b)為不同排數(shù)的抗滑樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)l1測(cè)線上各測(cè)點(diǎn)的位移情況，可以看出，隨著抗滑樁的數(shù)量增加，滑坡體位移逐漸減小，即支護(hù)效果與抗滑樁排數(shù)成正比。

通過(guò)對(duì)不同支護(hù)形式的抗滑樁進(jìn)行監(jiān)測(cè)，分別分析在最大位移樁體處的位移和彎矩情況，圖11(c)為不同支護(hù)形式下樁體位移情況，在埋深較大時(shí)，不同形式的抗滑樁樁體位移相差不大，原因是抗滑樁的一般是在樁頂位置處位移較大，在超過(guò)滑坡體深度位置處位移較小，通過(guò)對(duì)比可以看出，聯(lián)合支護(hù)時(shí)抗滑樁的樁體位移整體低于其他形式的抗滑樁，這表明此時(shí)的滑動(dòng)相對(duì)較小，支護(hù)效果較好。而樁身彎矩方面[圖11(d)]，不同形式的抗滑樁彎矩最大位置基本相同，位于樁體的下部，同時(shí)h型抗滑樁的最大彎矩是單樁最大彎矩的2.5倍。

圖11 抗滑樁效果對(duì)比

h型樁進(jìn)行支護(hù)時(shí)，長(zhǎng)樁高于短樁5 m，長(zhǎng)樁與短樁共同作用時(shí)，由長(zhǎng)樁承擔(dān)了較大的彎矩，圖12可以看出h型樁的樁體最大彎矩長(zhǎng)樁是短樁的三倍，但樁體位移整體相差不大，在較大降雨工況時(shí)，h型樁的長(zhǎng)樁樁體位移，同一埋深位置處，短樁的樁體位移比長(zhǎng)樁的樁體位移偏小。

圖12 h型樁的長(zhǎng)短樁分析

5 結(jié)論

基于有限差分計(jì)算平臺(tái)(FLAC3D6.0)，采用結(jié)構(gòu)單元耦合方法建立了可模擬復(fù)雜h型樁聯(lián)合支護(hù)的抗滑穩(wěn)定分析方法，以爭(zhēng)崗滑坡體為案例對(duì)抗滑樁效果進(jìn)行了分析，探討了多樁作用對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響。得到如下主要結(jié)論。

(1)采用結(jié)構(gòu)單元耦合方法，可模擬復(fù)雜h型樁聯(lián)合支護(hù)的抗滑穩(wěn)定，不僅可考慮h型樁單樁作用，還可利用橫梁將多樁及錨索支護(hù)聯(lián)合，可充分體現(xiàn)復(fù)合抗滑支護(hù)的復(fù)雜性。該方法下建立的h型樁施加技術(shù)大大提升了數(shù)值計(jì)算工作效率。

(2)抗滑樁支護(hù)可使提升邊坡穩(wěn)定性，但提升效果受抗滑樁支護(hù)位置高程影響，抗滑樁主體布置在邊坡中部時(shí)效果最佳，邊坡安全系數(shù)最大，由坡腳至坡頂安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增加后減小的趨勢(shì)。

(3)采用聯(lián)合支護(hù)的新方法，與其他支護(hù)進(jìn)行了對(duì)比，當(dāng)h型樁與樁間橫梁和樁后錨索的聯(lián)合支護(hù)時(shí)安全系數(shù)更高，樁身的水平位移更小，樁身內(nèi)力分布更加合理，且結(jié)構(gòu)整體性更強(qiáng)，對(duì)邊坡加固效果更好；同時(shí)h型樁的長(zhǎng)樁與短樁在支護(hù)時(shí)作用效果并不完全相同，前排樁承擔(dān)了大部分的荷載。