順層巖質(zhì)邊坡讓壓型抗滑樁預加固性能研究

丁 偉,王俊杰,邱珍鋒

(1.重慶交通大學河海學院,重慶 400074;2.重慶交通大學材料科學與工程學院,重慶 400074)

順層巖質(zhì)邊坡是指巖層層面傾向與坡面朝向相同或基本相同的邊坡[1],在中國尤其是西南地區(qū)廣泛分布,其內(nèi)部常常含有軟弱結(jié)構面或者軟弱夾層,當受到外界擾動,巖體就會在重力作用下沿著潛在滑面向下滑移,發(fā)生失穩(wěn)破壞。

目前,眾多學者對順層巖質(zhì)邊坡的加固方式進行了探討[2-7]。長期以來,抗滑樁作為一種傳統(tǒng)的支擋抗滑結(jié)構,由于其抗滑能力強、應用范圍廣、施工簡單、能夠核實地質(zhì)條件等特點,在滑坡和邊坡治理中得到了廣泛應用,并取得了較好的成效[8-10]。但在順層巖質(zhì)邊坡中,普通抗滑樁樁身剛度較大,邊坡土體作用于樁身時允許的側(cè)向變形較小,這使得普通抗滑樁在設計計算時常常忽略了加固坡體變形的情況,同時也不考慮潛在滑體巖層層面之間抗剪強度的有利作用,因此作用在普通抗滑樁樁身的側(cè)向壓力要大于允許產(chǎn)生一定量變形時的側(cè)向壓力,這將會采取加大抗滑樁結(jié)構尺寸的措施來加固坡體,增加工程投資。而順層巖質(zhì)邊坡預加固結(jié)構讓壓型抗滑樁允許滑面以上的坡體產(chǎn)生一定量的順坡向位移,發(fā)揮巖層層面之間抗剪強度的有利作用,有效地降低作用在樁身的側(cè)向壓力。

目前,中國的學者已經(jīng)開始對讓壓型抗滑樁展開了研究,例如,劉云飛[11]開展了讓壓層抗滑樁的模型試驗,探究抗滑樁加固的力學特性和讓壓型抗滑樁的加固效果,試驗發(fā)現(xiàn),讓壓層能夠允許滑面以上的巖體發(fā)生一定量的順坡向剪切位移,采用讓壓型抗滑樁進行支護時,潛在滑體下滑的位移增大,而作用在樁身的側(cè)向壓應力較普通抗滑樁的小;楊皓然[12]以典型的緩傾順層紅層軟巖邊坡為例,采用了數(shù)值仿真的方式對讓壓型抗滑樁與普通抗滑樁的加固性能進行對比研究,結(jié)果顯示,讓壓型抗滑樁支護時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)有了明顯提高,樁頂位移相較于普通抗滑樁略大。

基于以上研究發(fā)現(xiàn),前人僅對讓壓型抗滑樁預加固效果開展了相應的物理模型試驗以及數(shù)值模擬,并未對讓壓型抗滑樁的預加固機理進行詳細的闡述,同時也未對讓壓層厚度、讓壓層彈性模量、錨固段長度等因素對讓壓型抗滑樁預加固性能的影響進行研究。因此本文采用了物理模型試驗和數(shù)值模擬相結(jié)合的方式對順層巖質(zhì)邊坡預加固結(jié)構讓壓型抗滑樁預加固性能進行研究,并探討其影響因素,為今后的讓壓型抗滑樁提供設計參考。

1 順層巖質(zhì)邊坡讓壓型抗滑樁預加固機理分析

圖1所示,在實際中,邊坡沿著滑動面發(fā)生失穩(wěn)破壞基本上都是應變軟化材料強度從峰值強度向殘余強度轉(zhuǎn)化的過程,在到達峰值強度之前,邊坡處于相對穩(wěn)定的狀態(tài)。普通抗滑樁在設計計算時,潛在滑體產(chǎn)生的抗滑力是由抗滑樁樁身承擔,巖層下滑的位移在a點時位移附近,剪切力發(fā)揮較小,這使得普通抗滑樁設計計算時常常忽略了加固坡體變形的情況,同時也不考慮潛在滑體巖層層面之間的抗剪強度的有利作用,因此作用在普通抗滑樁樁身的側(cè)向壓力要大于允許產(chǎn)生一定量變形時的側(cè)向壓力;而如果能夠允許潛在滑體產(chǎn)生一定量的剪切位移,使得u=uf,那么潛在滑面巖層層面間的抗剪能力將得到充分發(fā)揮,此時作用在樁身的側(cè)向壓力將小于普通抗滑樁。

圖1 應變軟化應力變形關系曲線[13]

為了讓邊坡在抗滑樁施工之前產(chǎn)生一定量的位移,常規(guī)的施工過程[11]是:①切坡開挖部分坡體用以誘發(fā)預加固坡體產(chǎn)生一定變形;②施工抗滑樁;③開挖剩余的部分。就施工過程而言,由于少部分切坡開挖是在實施抗滑樁之前進行的,因此不能將其視為真正的預加固技術。此外,分為2個階段對邊坡進行開挖,不僅不便于施工組織,還提高了施工成本。

邊坡預加固結(jié)構讓壓型抗滑樁由嵌固段、懸臂段、讓壓層組成,嵌固段位于潛在滑面以下的穩(wěn)定巖體中,懸臂段位于潛在滑面以上,讓壓層則位于懸臂段上,與預加固坡體相接觸,見圖2。

a)軸側(cè)

讓壓層是布置在樁身以及潛在滑體之間的由低彈性模量材料制成的結(jié)構,其形狀可采用矩形,其作用是能夠允許潛在滑面以上潛在滑體產(chǎn)生微弱的變形,此時不再需要通過切坡開挖部分坡體的方法來誘發(fā)預加固坡體產(chǎn)生一定變形,因此對邊坡的開挖施工不再分為2個階段進行,僅需要在讓壓型抗滑樁施工結(jié)束后進行開挖,進而真正實現(xiàn)了邊坡預加固,同時讓壓層還可以起到緩沖作用,減小潛在滑體對樁身產(chǎn)生的沖擊力。讓壓層材料的選擇多樣,具體可根據(jù)實際工程而定,例如可采用EPS(聚苯乙烯泡沫),這種材料具有較高的抗壓強度和良好的塑性變形能力,在工程中得到了廣泛應用[15-18]。

2 順層巖質(zhì)邊坡讓壓型抗滑樁承載性能試驗研究

2.1 試驗模型

模型試驗使用的模型槽尺寸為1 000 mm×200 mm×1 000 mm,見圖3a。模型箱骨架采用角鋼焊接而成。樁體采用木板制成,其尺寸為25 mm×20 mm×160 mm,布置在預留的樁孔中。基巖則采用磚石砌成,傾斜角度為20°。上部巖層由砂、水泥和石膏按照模具進行預制,并在巖層靠近樁身的一側(cè)預留孔槽放置土壓力盒,讓壓層則采用厚為2 mm的海綿橡膠材料制成,布置在樁身靠近上部巖層一側(cè),試驗的具體布置形式見圖3b。本實驗設置普通抗滑樁支護順層巖質(zhì)邊坡和讓壓型抗滑樁支護順層巖質(zhì)邊坡2種工況,以此來研究讓壓型抗滑樁的預加固性能。

a)試驗模型箱實物

2.2 試驗材料以及設備

巖層以砂子為骨料,石膏為主要膠結(jié)材料,水泥為輔助膠結(jié)材料,其砂、水泥、石膏、水配比為10∶5∶2∶5,經(jīng)過拌合而成的巖層相似材料能夠較好地模擬巖層的力學特性,并通過微機電液伺服壓力試驗機,見圖4a,測得彈性模量為331.67 MPa,單軸抗壓強度為1.99 MPa,重度為17.428 kN/m3。基巖物理力學性質(zhì)較為穩(wěn)定,在本試驗中沒有針對基巖的模型材料進行配比試驗,滑床用磚石砌成,表面用水泥砂漿抹平,摻和石膏,構筑成堅固、光滑并且透水性差的表面,并在基巖預留樁孔,樁孔大小與樁截面尺寸一致。軟弱夾層參照袁智洪的經(jīng)驗[19],采用黏土、滑石粉和混合砂按0.52∶0.15∶0.37的比例制成,并保持含水率為19%,由于配置而成的軟弱夾層相似材料一段時間后會發(fā)生凝固,影響試驗的進行,因此為了確保試驗條件一致,每次試驗時均現(xiàn)場進行配比,控制實驗室內(nèi)的室溫以及濕度,保持每次試驗的室溫以及濕度一致,并在相同的時間段內(nèi)完成每一組試驗,利用DZ-4型四聯(lián)直剪儀,見圖4b,進行軟弱夾層相似材料的抗剪特性研究試驗,經(jīng)測定其內(nèi)摩擦角為16.25°,黏聚力為0.85 kPa。

a)微機電液伺服壓力試驗機

普通抗滑樁選擇木板加工制成,見圖5a,讓壓層則采用厚度為2 mm的海綿橡膠制成,其彈性模量為20.6 kPa,讓壓型抗滑樁則在普通抗滑樁基礎上將海綿橡膠黏貼安裝在抗滑樁懸臂段,具體見圖5b。

a)普通抗滑樁

試驗監(jiān)測設備采用DMTY-50kPa型應變式微型土壓力盒,其作用是對樁身的側(cè)向壓力進行監(jiān)測。與應變式微型土壓力盒對接的數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)采用的是DH-3821靜態(tài)應變測試儀,首先將土壓力盒與測試儀用全橋的方式連接起來,并通過網(wǎng)絡連接與電腦相連,然后對其參數(shù)進行修正,最后通過采集系統(tǒng)記錄數(shù)據(jù)。測量巖層下滑位移的裝置則采用百分表,其工作原理是將被測尺寸引起的測桿微小直線移動,經(jīng)過齒輪傳動放大,變?yōu)橹羔樤诳潭缺P上的轉(zhuǎn)動,從而讀出被測尺寸的大小。

2.3 試驗步驟

步驟一安裝儀器。在巖層坡腳部位用膠水黏貼一小木塊,其傾斜角度與巖層的坡腳一致,并在其下方用支架將位移計固定,支架的下方放置鐵塊,并與支架上的磁鐵緊緊吸住,最后調(diào)整位移計的方位,使之與巖層傾角一致;土壓力盒則是放置在上部巖層預留的孔中,與數(shù)據(jù)采集儀相連接,其次將電腦與數(shù)據(jù)采集儀則通過網(wǎng)絡接口方式進行連接,并對DHDAS動態(tài)信號采集系統(tǒng)的參數(shù)進行設置,最后記錄每個階段土壓力隨時間的變化,將數(shù)據(jù)文件并保存至電腦。

步驟二邊坡初始狀態(tài)。待邊坡模型搭建好后,將現(xiàn)場制作的軟弱夾層相似材料均勻地鋪設在基巖上方,厚度為1 cm,然后放置預制的巖層,并靜止數(shù)分鐘,待邊坡處于穩(wěn)定時開始下一步。

步驟三邊坡預加固。待上述步驟完成,將樁插入預留的樁孔中,觀察巖層的變動情況,并開始記錄數(shù)據(jù),同時觀察采集系統(tǒng)的應力變化情況。

步驟四開挖邊坡。一段時間后將下部巖層緩慢地開挖,觀察數(shù)據(jù)變動情況,待數(shù)據(jù)穩(wěn)定后,停止采樣,最后對數(shù)據(jù)進行整理分析(圖6)。

a)安裝儀器

2.4 試驗結(jié)果分析

由圖3b中位移監(jiān)測點的數(shù)據(jù)來看,邊坡在開挖之前,巖層位移變化幅度很小(圖7)。普通樁加固時,邊坡開挖后,巖層下滑位移迅速增大,在達到0.146 mm時趨于穩(wěn)定。而讓壓型抗滑樁支護時,巖層下滑位移在1.36 mm時趨于穩(wěn)定,相較于普通抗滑樁明顯增大,且下滑的位移達到最大時所需時間也明顯增多。這是因為讓壓型抗滑樁懸臂段樁身設置了一層2 mm厚的由低彈性模量制成的讓壓層,能夠允許巖層下滑一定的順坡向位移。

圖7 位移變化曲線

由圖3b中土壓力盒監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示,邊坡在開挖之前,巖層作用在2種抗滑樁樁身的側(cè)向壓應力均較低,在邊坡開挖后,側(cè)向壓應力值均呈現(xiàn)不同程度增大的趨勢(圖8)。普通抗滑樁支護時,開挖后,側(cè)向壓應力值從0.45 kPa增大至14.47 kPa,并在14.47 kPa附近產(chǎn)生微弱的波動后趨于穩(wěn)定。當采用讓壓型抗滑樁時,側(cè)向壓應力值增長至12.75 kPa后趨于穩(wěn)定,側(cè)向壓應力值增長的幅度和速率均較普通抗滑樁有所降低。這是由于讓壓層的存在使得坡體發(fā)生一定量的變形,發(fā)揮了巖層層面之間的抗剪強度的有利作用,有效地降低了作用在樁身的側(cè)向壓力。

圖8 應力變化曲線

圖9為2種抗滑樁支護時,作用在樁身上的水平荷載隨著坡頂位移的增加變化趨勢曲線。從圖中可以看出:普通支護時,位移的變化很小,樁身水平荷載隨位移變化增長速率較大;而讓壓型抗滑樁支護時,隨著坡頂位移的增大,樁身水平荷載增長速率較緩。

圖9 荷載位移曲線

3 基于物理模型試驗的數(shù)值模擬

3.1 有限元計算模型

基于上述試驗模型尺寸和各材料物理力學參數(shù),采用MIDAS GTS NX邊坡有限元軟件建立順層巖質(zhì)邊坡讓壓樁支護三維有限元模型,網(wǎng)格劃分見圖10。

圖10 邊坡有限元網(wǎng)格

為減小邊界條件和模型尺寸對數(shù)值模擬結(jié)果的干擾,對模型下邊界以及側(cè)向進行約束,上部為自由邊界,巖體和軟弱夾層均采用Mohr-Coulomb模型,并在讓壓層與巖層、讓壓層與樁身錨固段、讓壓層與軟弱夾層之間設置無質(zhì)量、無厚度的Goodman接觸單元,單元屬性采用的是Mohr-Coulomb摩擦模型,考慮到抗滑樁、讓壓層在工作狀態(tài)下不發(fā)生大變形而破壞,抗滑樁、讓壓層均視為彈性材料進行模擬,邊坡初始應力場為自重應力場,讓壓層共64個單元,邊坡模型總計32 918個單元,主要模擬工況為普通抗滑樁支擋順層巖質(zhì)邊坡、讓壓型抗滑樁支擋順層巖質(zhì)邊坡。

3.2 結(jié)果對比分析

圖11為邊坡總位移分布云圖,由上述數(shù)值模擬結(jié)果可知,當采用普通抗滑樁支護時,樁身位移與巖層下滑的位移接近,而采用讓壓樁支護時,讓壓層最大位移量為1.21 mm,巖層下滑的位移與讓壓層的位移比較接近,而樁身的位移很小,將邊坡巖層下滑位移最大值列入表1,與室內(nèi)模型試驗的結(jié)果進行對比,可以看出數(shù)值模擬與室內(nèi)物理模型試驗監(jiān)測得到的巖層下滑總位移最大值基本一致,其誤差在允許的范圍內(nèi)。

表1 巖層下滑總位移最大值對比 單位:mm

a)普通抗滑樁

圖12為2種樁身水平位移對比曲線,由圖可知,2種抗滑樁支護時,樁身位移的變化趨勢幾乎一致,普通抗滑樁樁身位移略小于讓壓型抗滑樁。圖13為2種樁身壓應力對比曲線,可以看出,讓壓型抗滑樁樁身壓應力小于普通抗滑樁,且在樁高為8 cm附近時,差異達到最大。

圖12 樁身水平位移對比曲線

圖13 樁身壓應力對比曲線

4 順層巖質(zhì)邊坡讓壓型抗滑樁影響因素研究

4.1 有限元計算模型

為了對讓壓型抗滑樁的影響因素進行研究,以三峽庫區(qū)秭歸縣某順層巖石邊坡為例,選取一斷面進行簡化,邊坡高度為32 m,寬度為45 m,頂部寬度為19 m,巖層厚度為1 m,傾角為24°,軟弱夾層厚0.2 m,開挖點高度為16.5 m,開挖寬度為8.5 m,讓壓樁懸臂段為8 m,錨固段為4 m,樁的截面寬度為1 m,錨固段4 m,懸臂段8 m,讓壓層設置在懸臂段靠近巖層一側(cè),厚度為0.02 m,其邊坡有限元網(wǎng)格見圖14。各項材料物理力學參數(shù)見表2。

表2 材料物理力學參數(shù)

圖14 邊坡有限元網(wǎng)格

4.2 讓壓層厚度對讓壓樁加固效果的影響

為研究讓壓層厚度對讓壓樁加固效果的影響,分別設置讓壓層厚度與樁身總厚度之比為0、1/50、2/50、3/50、4/50,計算在不同比值條件下的讓壓樁樁頂水平位移、樁身壓應力最大值,見圖15。

圖15 不同讓壓層厚度加固效果曲線

從圖15可以看出,讓壓層厚度與樁身總厚度之比在0～1/50時,應力緩慢地減小,并在比值為1/50時取得最優(yōu)值;當超過最優(yōu)值后,應力開始增大,并在比值超過3/50之后,其樁身應力將超過普通抗滑樁。這是由于隨著讓壓層厚度的增大,潛在滑體下滑的位移增大,其自身的抗剪強度發(fā)揮較大,有效地降低了作用在樁身的側(cè)向壓應力,使得樁身應力逐漸減小;而潛在滑體下滑的位移過大時,超過了巖層層面達到最大抗剪強度時所對應的位移值,巖層層面間的抗剪強度就會失效,同時由于巖層下滑位移增大后對樁身產(chǎn)生的沖擊力也會增大,樁身所承受的力增大,造成樁身的應力增大。而從位移曲線變化趨勢上可以看出,樁頂水平位移均呈增長狀態(tài),這是因為隨著讓壓層厚度增加,懸臂段的厚度在減小,樁身剛度減小,導致樁身位移增加。

4.3 錨固段長度對讓壓樁加固效果的影響

為研究錨固段長度對讓壓樁加固效果的影響,分別設置錨固段長度與懸臂段長度比值為3.5/8、4.0/8、4.5/8、5.0/8、5.5/8,計算在不同錨固段長度條件下的讓壓樁樁頂水平位移、樁身最小主應力絕對值最大值,見圖16。

圖16 不同錨固段長度加固效果曲線

從圖16可以看出:當錨固段長度與懸臂段長度比值范圍在3.5/8～4.5/8時,應力與位移降低的幅度最為顯著;當比值超過4.5/8以后,樁身應力以及位移降低幅度明顯減緩。原因是錨固段所提供的錨固力與錨固段長度并不是成正相關,在達到最優(yōu)錨固段之前,錨固段越長,其提供的錨固力也就越大,當超過最優(yōu)錨固段時,所提供的錨固力不再隨著錨固段的增大而變化。

4.4 讓壓層材料彈性模量對讓壓樁加固效果的影響

為研究讓壓層彈性模量對讓壓樁加固效果的影響,分別設置讓壓層彈性模量與樁身彈性模量比值為0.3×10-4、0.6×10-4、0.9×10-4、1.2×10-4、1.5×10-4、1.8×10-4、2.1×10-4、2.4×10-4、2.7×10-4,計算在不同彈性模量條件下的讓壓樁樁頂水平位移、樁身壓應力最大值,見圖17。

圖17 不同讓壓層彈性模量加固效果曲線

從圖17可以看出,讓壓層彈性模量與樁身彈性模量比值范圍在0.3×10-4～1.2×10-4時,隨著比值增大,樁身應力以及位移均明顯減小,且比值為1.2×10-4時,應力和位移減小至最低值;但隨著比值繼續(xù)增大,應力和位移均將緩慢增長。這是由于讓壓層是布置在樁身以及潛在滑體之間且起到緩沖作用的結(jié)構,當彈性模量較小時,則起到的緩沖作用較小,潛在滑體對樁身產(chǎn)生的沖擊力削弱程度較小;而當彈性模量較大時,讓壓層受力時壓縮變形的位移較小,使得潛在滑體巖層層面之間的抗剪強度發(fā)揮較小;當讓壓層材料彈性模量與樁身材料彈性模量一致時,此時的加固效果與普通抗滑樁無異。

5 結(jié)論

a)對讓壓型抗滑樁預加固機理進行了分析,讓壓型抗滑樁是通過讓壓層的設置誘發(fā)預加固坡體產(chǎn)生一定變形,發(fā)揮巖層層面之間抗剪強度的有利作用,有利于邊坡的穩(wěn)定性,且邊坡僅需要在讓壓型抗滑樁施工結(jié)束后進行開挖。

b)為了驗證讓壓型抗滑樁的優(yōu)勢,采用了室內(nèi)物理模型試驗加數(shù)值仿真的方式對讓壓型抗滑樁和普通抗滑樁預加固效果進行對比,從結(jié)果可知,采用讓壓樁支護后,潛在滑體下滑的位移量明顯增加而作用在樁身的側(cè)向壓力較普通樁的小,說明讓壓層的設置可以有效地降低樁身荷載,從而體現(xiàn)了既能減小抗滑樁的結(jié)構尺寸,又能保證邊坡穩(wěn)定的理念。

c)探討了讓壓層厚度、錨固段長度、讓壓層彈性模量因素對讓壓型抗滑預加固效果的影響,從結(jié)果可知,隨讓壓層厚度的增加,樁身應力呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢,而樁身位移呈現(xiàn)逐漸增大的趨勢;隨著錨固段長度的增加,樁身應力和位移均呈現(xiàn)逐漸降低的趨勢;隨讓壓層彈性模量的增大,樁身應力和位移均呈現(xiàn)先降低后增大的趨勢。

d)該新型抗滑樁的加固效果尚需通過大比尺模型試驗、工程試驗等進一步驗證。