微型樁復(fù)合支護(hù)措施的數(shù)值模擬

林亞南

(遼寧潤(rùn)中供水有限責(zé)任公司，遼寧 沈陽(yáng) 110000)

暴雨工況下邊坡容易失穩(wěn)，失穩(wěn)后的邊坡多采用微型樁進(jìn)行支護(hù)。微型樁的支護(hù)效果如何，學(xué)者們對(duì)此進(jìn)行了深入的研究。張超等[1]對(duì)微型樁的設(shè)計(jì)和應(yīng)用范圍進(jìn)行了分析，并結(jié)合數(shù)值模擬提出了優(yōu)化微型樁的設(shè)計(jì)方案。魯志強(qiáng)等[2]對(duì)微型樁的適用條件和適用范圍進(jìn)行了研究，認(rèn)為可以將微型樁設(shè)計(jì)為斜樁，以便獲得更高的承載力。陳偉堅(jiān)等[3]認(rèn)為可以將微型樁與框架梁、蓋板等進(jìn)行串聯(lián)，以獲得更大的錨固效果，以此達(dá)到進(jìn)一步提高坡體穩(wěn)定性的目的。馬華等[4]在對(duì)微型樁進(jìn)行分析后，提出了微型樁+邊梁的支護(hù)形式，并通過理論計(jì)算分析了其加固效果，認(rèn)為此支護(hù)形式可進(jìn)一步提高坡體的穩(wěn)定性。張昌太等[5]認(rèn)為微型樁可以適當(dāng)向硬巖部位進(jìn)行延伸，此加固方式能夠達(dá)到安全穩(wěn)定和控制邊坡變形的目的。

然而以上的研究并沒有分析外加荷載條件下，微型樁和錨桿的組合支護(hù)形式能否達(dá)到支護(hù)的目的，暴雨工況下微型樁是否適用。針對(duì)以上問題，本文首先計(jì)算暴雨工況下邊坡的剩余下滑力，繼而分析微型樁和錨桿的受力，最后對(duì)邊坡支護(hù)后的穩(wěn)定性進(jìn)行分析。

1 工程地質(zhì)

該邊坡位于遼寧省境內(nèi)，邊坡如圖1所示。邊坡的長(zhǎng)×高為128m×86m，邊坡的工程地質(zhì)條件可表述為從上至下，分別為風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖，物理力學(xué)性質(zhì)見表1。

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖1 邊坡平面圖(單位：m)

勘察發(fā)現(xiàn)坡腳處已出現(xiàn)裂縫，由此可知邊坡急需進(jìn)行加固，結(jié)合以往的加固經(jīng)驗(yàn)，選擇樁+錨桿的組合支護(hù)形式，選擇怎樣的樁型，須對(duì)剩余下滑力進(jìn)行計(jì)算。

2 剩余下滑力

在暴雨工況下邊坡坡腳出現(xiàn)了裂縫，根據(jù)裂縫范圍和勘察的結(jié)果可將滑動(dòng)面描述出來。按照瑞典條分法將滑動(dòng)面劃分為12個(gè)條塊，設(shè)樁處位于第11個(gè)條塊，于是僅需計(jì)算前11個(gè)條塊的剩余下滑力，剩余下滑力的計(jì)算結(jié)果見表2。

由表2可知，暴雨工況下第11個(gè)條塊的剩余下滑力為1740.3kN/m，且從第8個(gè)條塊的剩余下滑力數(shù)值可知，第8個(gè)條塊已處于抗滑段，以上2個(gè)條件滿足微型樁的適用條件，因此采用微型樁和錨桿對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)[6-9]。

表2 暴雨工況下的剩余下滑力

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的參數(shù)

MIDAS GTS能夠較好地模擬邊坡工況，因此采用此軟件對(duì)邊坡進(jìn)行數(shù)值模擬研究。因?yàn)檠芯康闹攸c(diǎn)是微型樁和錨桿的支護(hù)效果，選擇二維邊坡進(jìn)行研究，暫不考慮土拱效應(yīng)的影響[6-9]。

在第11個(gè)條塊處用微型樁進(jìn)行支護(hù)，微型樁的截面面積為0.0326m2，彈性模量750MPa，泊松比為0.33，微型樁接觸面法向和切向剛度均為1.2e4MPa，在滑面以上8m處設(shè)樁，經(jīng)計(jì)算微型樁樁長(zhǎng)為16m。

二維平面上布置7根錨桿，縱向間距為3m，錨桿長(zhǎng)9m，錨桿與平面呈12°夾角布置，經(jīng)考證可知錨桿彈性模量為2.21e8kN/m2，泊松比為0.23，容重為76.2kN/m3。待錨桿布置完成后隨即對(duì)坡面進(jìn)行噴砼，砼屬性為C10，噴射厚度為0.1m。坡頂處有一棟房屋，房屋重約5.2t，將其等效為垂直均布荷載，數(shù)值為2.3e4kN/m。

數(shù)值模擬中除滑面區(qū)域以外，風(fēng)化土、風(fēng)化巖和硬巖統(tǒng)一按0.8m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。滑面區(qū)域是數(shù)值模擬計(jì)算的重點(diǎn)，按0.5m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，錨桿按4m進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用析取命令進(jìn)行錨桿的定義，微型樁以2m進(jìn)行網(wǎng)格劃分。以最不利工況即暴雨工況對(duì)邊坡的支護(hù)效果進(jìn)行研究[10-11]。

3.2 模型的建立

根據(jù)工程地質(zhì)情況和地勘調(diào)查結(jié)果，數(shù)值模擬的建立如圖2所示。利用2排微型樁對(duì)邊坡進(jìn)行加固，暴雨工況取該地近10a日最大降雨值，降雨首先作用于坡面，繼而通過坡面下滲至坡體。

圖2 數(shù)值模擬二維平面圖

3.3 微型樁受力

微型樁所受的彎矩如圖3所示。

由圖3(a)可知，1號(hào)微型樁所受最大彎矩為78kN·m，1號(hào)微型樁所受的彎矩區(qū)域主要集中于樁體上部，且最大的彎矩在材料允許的范圍內(nèi)，滿足工程支護(hù)的需求。

由圖3(b)可知，2號(hào)微型樁所受最大彎矩為66kN·m，2號(hào)微型樁所受的彎矩區(qū)域于中間部位較大，但是彎矩分布較為均勻，同樣最大的彎矩在材料允許的范圍內(nèi)，滿足工程支護(hù)的需求。

由圖3可知，1號(hào)微型樁所受的彎矩整體上大于2號(hào)微型樁，但是1號(hào)微型樁所受的彎矩分布不均勻，可考慮適當(dāng)調(diào)整1號(hào)微型樁的位置。

圖3 微型樁所受彎矩

微型樁所受的軸力如圖4所示。

由圖4(a)可知，1號(hào)微型樁所受的軸力最大為5.4kN，主要集中于樁體上部，此樁體下部區(qū)域幾乎不受軸力。

由圖4(b)可知，2號(hào)微型樁所受的軸力最大為4.0kN，主要集中于樁體上部，此樁體受力較為均勻。

圖4 微型樁所受軸力

由圖4可知，1號(hào)微型樁所受的軸力大于2號(hào)微型樁，但1號(hào)微型樁受力不均勻，軸力主要集中于樁體上部區(qū)域，此結(jié)果與微型樁彎矩的結(jié)果類似，因此有必要調(diào)整1號(hào)微型樁位置，以使1號(hào)微型樁受力和彎矩更加均勻，避免材料的浪費(fèi)，以達(dá)到節(jié)約工程造價(jià)的目的。

3.4 錨桿的受力

待邊坡計(jì)算結(jié)束以后，錨桿的受力如圖5所示。

由圖5可知，錨桿的受力呈現(xiàn)兩邊大，中間小的趨勢(shì)，中間錨桿的受力較為均勻，而兩邊的錨桿受力較為復(fù)雜，呈現(xiàn)拉壓應(yīng)力均增大的勢(shì)態(tài)，最大受力為170kN，此錨桿所在位置最接近坡腳處。

圖5 錨桿所受軸力(單位：kN)

3.5 邊坡的穩(wěn)定性

選擇最不利工況，即暴雨工況對(duì)支護(hù)完成的邊坡進(jìn)行拆減系數(shù)法分析，分析結(jié)果如圖6—7所示。

由圖6可知，暴雨工況下邊坡的安全系數(shù)為1.65，滑動(dòng)面并沒有生成，說明坡體是穩(wěn)定的，支護(hù)措施達(dá)到了支護(hù)的目的。

圖6 邊坡拆減系數(shù)分析

進(jìn)一步搜索潛在滑動(dòng)面，滑動(dòng)面生成以后，1號(hào)微型樁并沒有穿透滑動(dòng)面，說明1號(hào)微型樁的位置設(shè)置過于靠后，沒有達(dá)到完全治理邊坡的目的，應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整微型樁的位置。

圖7 邊坡受力作用下的虛假滑動(dòng)面

4 結(jié)論

(1)1號(hào)微型樁的彎矩和軸力均大于2號(hào)微型樁，且滑動(dòng)面并未穿過微型樁，說明微型樁的設(shè)置位置應(yīng)當(dāng)適當(dāng)調(diào)整。

(2)邊坡在暴雨工況下的安全系數(shù)為1.65，說明支護(hù)措施有效，達(dá)到了治理邊坡滑動(dòng)的目的。

(3)以上的研究可供微型樁的設(shè)計(jì)參考，暫沒有考慮樁間土拱效應(yīng)，此方面的研究有待進(jìn)一步開展。