劉玉蓮
(廣西交通技師學(xué)院,廣西 南寧 530001)
在山區(qū)修建公路、鐵路等工程難免會(huì)受到不良地質(zhì)的影響,在這些區(qū)域進(jìn)行開挖施工形成的高陡邊坡往往穩(wěn)定性達(dá)不到設(shè)計(jì)要求,這就需要采取一些可靠的措施進(jìn)行加固和防護(hù)。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁聯(lián)合加固具有受力狀態(tài)合理、截面尺寸小、錨固深度淺、節(jié)約工程造價(jià)等多種優(yōu)勢(shì),在現(xiàn)代公路工程中被廣泛使用[1-5]。但是目前關(guān)于預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的理論研究還遠(yuǎn)遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐,特別是影響預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固效果的主要因素及參數(shù)優(yōu)化方面還存在許多缺陷。為了指導(dǎo)工程實(shí)踐,本文設(shè)計(jì)開展了錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力四種參數(shù)影響下的加固效果研究,并對(duì)各影響因素的敏感性進(jìn)行了分析,可為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在公路邊坡治理工程中的合理設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。
利用FLAC 3D軟件結(jié)合某實(shí)際工程建立邊坡數(shù)值模型。該邊坡數(shù)值模型包括基巖和滑體兩部分,基巖沿路線方向取20 m,垂直于路線方向取18 m,基巖左側(cè)高度為10 m;滑體沿路線方向取20 m,垂直于路線方向取15 m,滑體左側(cè)高度為15 m,右側(cè)高度為10 m,滑坡角為18°。邊坡的坡率大小為1∶1??够瑯督孛娉叽鐬? m×1 m,樁身長(zhǎng)度為15 m,錨固段長(zhǎng)度為5 m,沿滑體長(zhǎng)度方向布設(shè)數(shù)根抗滑樁。錨索結(jié)構(gòu)單元的長(zhǎng)度為14.5 m,錨固長(zhǎng)度為3.5 m,自由段長(zhǎng)度為11 m,在每根抗滑樁上布設(shè)一根預(yù)應(yīng)力錨索,錨索的傾角大小為15°。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡模型如圖1所示。
(a)邊坡模型 (b)抗滑樁模型 (c)預(yù)應(yīng)力錨索模型圖1 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固邊坡模型云圖
邊坡滑體與基巖之間的節(jié)理和斷層利用接觸面來表示,滑體和基巖材料均視為彈塑性材料,并采用摩爾-庫侖模型進(jìn)行模擬?;鶐r和滑體的模型參數(shù)情況如表1所示。由于抗滑樁的彈性模量和強(qiáng)度較邊坡滑體大得多,因此抗滑樁樁體采用線彈性模型,樁體的剪切模量設(shè)置為5 000 MPa,樁體的體積模量設(shè)置為5 000 MPa。基巖與滑體、抗滑樁與基巖、抗滑樁與滑體之間包括三種接觸面,每種接觸面的參數(shù)情況如表2所示。預(yù)應(yīng)力錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元進(jìn)行模擬,錨索參數(shù)情況如下頁表3所示。
表1 基巖和滑體模型參數(shù)表
表2 不同接觸面參數(shù)表
表3 錨索參數(shù)表
影響預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固效果的因素較多,如錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力、錨索角度、錨索長(zhǎng)度等,由于錨索角度和錨索長(zhǎng)度是設(shè)計(jì)定值,因此,本文主要針對(duì)前面四個(gè)因素進(jìn)行不同工況下的模擬分析。錨索布設(shè)位置共設(shè)計(jì)7種工況,分別為距樁頂0、1 m(1/15l)、2 m(2/15l)、3 m(3/15l)、4 m(4/15l)、5 m(5/15l)、6 m(6/15l)處;樁間距(樁中心距)共設(shè)置2 m、4 m、6 m、8 m、10 m這5種工況;改變土體的內(nèi)摩擦角,將土體內(nèi)摩擦角分別設(shè)置為20°、25°、30°、35°、40°、45°這6種工況;改變土體粘聚力,將土體粘聚力分別設(shè)置為12 kPa、13 kPa、15 kPa、20 kPa、30 kPa、40 kPa、50 kPa這7種工況。
模擬得到的不同錨索位置距樁頂距離下的樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖2所示。由圖2可知:隨著錨索位置距樁頂距離的不斷增大,樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均呈先減小后增大的變化特征,且符合二次拋物線的變化規(guī)律。當(dāng)錨索位置距樁頂距離為3 m時(shí),樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均降至最小值,這表明錨索的最佳布設(shè)位置應(yīng)是距離樁頂1/5樁長(zhǎng)時(shí)最佳,此時(shí)樁身變形最小,對(duì)樁后土體的位移抵抗作用力最強(qiáng)。
圖2 不同錨索布設(shè)位置對(duì)錨固效果的影響曲線圖
模擬得到的不同樁間距情況下樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖3所示。從圖3可以看出:隨著樁間距的增大,樁身應(yīng)力和樁間土最大位移均呈線性增大趨勢(shì)。這是因?yàn)闃堕g距越大,樁體變形及樁身承擔(dān)的彎矩荷載越大,樁體的安全性降低,樁間距過小時(shí),工程造價(jià)又會(huì)太高,不利于工程投資。在本次研究當(dāng)中,當(dāng)樁間距達(dá)到10 m后,樁間土體從樁間擠出,無法形成土拱效應(yīng),抗滑樁對(duì)滑坡土體的遮擋作用消失,因此,本工況下樁間距應(yīng)<10 m。
圖3 不同樁間距對(duì)錨固效果的影響曲線圖
模擬得到的不同土體內(nèi)摩擦角樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖4所示。由圖4可知:隨著土體內(nèi)摩擦角的增加,樁身應(yīng)力和樁間土最大位移逐漸減小,且成線性降低,內(nèi)摩擦角越大,樁間土拱效應(yīng)增強(qiáng),更容易形成穩(wěn)定的土拱效應(yīng)。但是當(dāng)內(nèi)摩擦角≤20°后,由于土拱效應(yīng)太弱,土體無法達(dá)到穩(wěn)定的狀態(tài),抗滑樁對(duì)土體無法形成有效的攔截作用,導(dǎo)致樁間土從樁間擠出。因此,當(dāng)樁后土體的內(nèi)摩擦角<20°時(shí),應(yīng)采取換填或者減小樁間距的措施進(jìn)行控制。實(shí)際工程中選取的樁后填土材料應(yīng)結(jié)合土體的力學(xué)性質(zhì)和樁間距綜合考慮。
圖4 不同土體內(nèi)摩擦角對(duì)錨固效果的影響曲線圖
模擬得到的不同土體粘聚力情況下樁身應(yīng)力和樁間土最大位移情況如圖5所示。由圖5可以看出:隨著樁間土粘聚力的增大,樁身最大應(yīng)力逐漸減小,且呈三次多項(xiàng)式形式減小。當(dāng)粘聚力為12 kPa時(shí),樁間土體達(dá)不到穩(wěn)定狀態(tài),不能形成土拱效應(yīng),因此,抗滑樁后填土材料的粘聚力需≥13 kPa;樁間土最大位移隨著粘聚力的增大也呈逐漸減小的變化趨勢(shì),且符合冪函數(shù)形式變化。從圖5可以看到:當(dāng)粘聚力為13~20 kPa時(shí),樁間土的最大位移快速降低;當(dāng)粘聚力>20 kPa后,樁間土最大位移的降低速度逐漸減緩。
圖5 不同土體粘聚力對(duì)錨固效果的影響曲線圖
從前文分析結(jié)果可知:錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力這四項(xiàng)因素對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的加固效果均產(chǎn)生比較明顯的影響,但是在設(shè)計(jì)過程中應(yīng)確定優(yōu)先考慮的因素,因此,根據(jù)模擬結(jié)果,運(yùn)用4因素4水平的正交試驗(yàn)方法進(jìn)行分析。正交試驗(yàn)參數(shù)情況如表4所示。
表4 正交試驗(yàn)表
對(duì)16種工況下樁間土的最大位移進(jìn)行計(jì)算,結(jié)果如圖6所示。由圖6可以看到:工況6、工況11和工況16樁間土的最大位移最小,且均<0.05 m;樁間土最大位移介于0.05~0.1 m的工況包括工況1、工況5、工況12和工況15;樁間土最大位移介于0.1~0.15 m的工況包括工況2、工況3、工況8和工況14;樁間土最大位移介于0.15~0.2 m的工況包括工況4和工況9;樁間土最大位移>0.2 m的工況包括工況7、工況10和工況13。
對(duì)16種工況計(jì)算結(jié)果進(jìn)行極差分析,得到四種影響因素的極差值R,如圖7所示。由圖7可以看到:在四種因素中,樁間距的極差值R最大,其次為土體內(nèi)摩擦角,再次為錨索布設(shè)位置,最小的為土體粘聚力,即在預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)過程中,優(yōu)先考慮順序依次為:樁間距>土體內(nèi)摩擦角>錨索布設(shè)位置>土體粘聚力。
圖7 極差值分析結(jié)果柱狀圖
本文采用數(shù)值模擬方式,對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁加固公路邊坡的效果進(jìn)行了分析,重點(diǎn)對(duì)錨索布設(shè)位置、樁間距、土體內(nèi)摩擦角、土體粘聚力四種影響參數(shù)對(duì)樁身受力和樁體變形進(jìn)行了對(duì)比研究,結(jié)果表明:
(1)隨著錨索位置距樁頂距離的增大,樁身應(yīng)力和樁土最大位移呈先增大后減小的變化特征。當(dāng)錨索位置為距離樁頂1/5樁長(zhǎng)時(shí),加固效果最好;隨著樁間距的增大,樁身應(yīng)力和樁土最大位移呈線性增大;土體內(nèi)摩擦角和粘聚力越大,樁身應(yīng)力和樁土最大位移越小。
(2)當(dāng)樁后填土材料的內(nèi)摩擦角<20°或者粘聚力<13 kPa時(shí),應(yīng)采取換填或者減小樁間距的措施進(jìn)行變形控制。
(3)根據(jù)正交試驗(yàn)極差分析,得出在預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁設(shè)計(jì)過程中,不同參數(shù)的考慮順序?yàn)椋簶堕g距>土體內(nèi)摩擦角>錨索布設(shè)位置>土體粘聚力。