基于ABAQUS的傾斜微型樁護坡承載特性研究

陳國軍,毛少霞,張雪云,任 凱

(甘肅土木工程科學(xué)研究院有限公司,蘭州 730020)

對于邊坡滑坡的相關(guān)治理工作一直是研究的熱點問題?；鲁３＝o工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)以及人民生命財產(chǎn)帶來巨大的損失,有的甚至是毀滅性的災(zāi)難。對于邊坡工程的治理常用的方法手段有抗滑擋土墻、抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨桿、錨索樁、普通砂漿錨桿錨固、土錨釘、加筋土等[1-3]。其中微型樁因施工機具小,適用于狹窄的施工作業(yè)區(qū);施工振動、噪聲小,適用于公害受到嚴格控制的市區(qū);長細比大,單樁耗用材料少等優(yōu)點受到廣泛的應(yīng)用[4-6]。對于微型樁的試驗研究[7-10]結(jié)果表明微型樁樁徑對水平承載力的影響較大,樁間距的大小直接影響群樁效應(yīng)的性能;數(shù)值計算[11-13]研究發(fā)現(xiàn)微型樁設(shè)置樁位在坡面中下部時對邊坡加固穩(wěn)定性好,邊坡布置傾斜樁的加固效果要強于布置豎直樁,多排樁能夠起到更好的加固效果;工程實踐[14-15]表明隨著護坡工程向輕型化、小型化方向發(fā)展,對施工成孔技術(shù)的不斷提高,微型樁已經(jīng)被越來越多地應(yīng)用到邊坡防護當中。

但對于微型樁具體的工作機理和受力特性方面的研究尚有待更進一步探索,對邊坡穩(wěn)定性方面的研究不足,理論不足以撐起工程實踐的需要,所以對于邊坡工程大面積使用還有待商榷。在相關(guān)學(xué)者所做研究之上,利用數(shù)值計算方法深入研究了傾斜微型樁護坡承載特性,對支護體系的受力狀態(tài)、荷載傳遞規(guī)律和樁后土壓力分布規(guī)律進行分析,并且根據(jù)在同一邊坡條件下,不同樁位、不同樁體傾斜角度、不同樁間距及排數(shù)等參數(shù)變量與邊坡穩(wěn)定性間的數(shù)值關(guān)系,分析研究了各參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 模型建立

建立邊坡滑坡模型,尺寸為長×寬×高=24 m×20 m×14 m,邊坡坡角為45°,微型樁長為8 m,樁徑為0.25 m,微型樁位于邊坡體中間位置,微型樁與豎直反向為45°即與坡面垂直。邊坡土體及微型樁材料具體參數(shù)見表1。模型接觸屬性采用最常用的表面與表面接觸,以微型樁樁體外表面為主從面,相應(yīng)位置土體表面為從面,建立接觸對,樁體與土體的切向摩擦公式采用罰函數(shù),各向同性,摩擦系數(shù)為0.5,法向采用“硬”接觸。微型樁模型網(wǎng)格劃分單元形狀選用六面體,網(wǎng)格劃分技術(shù)采用掃掠形式,網(wǎng)格劃分算法采用中性軸算法,單元類型選擇八結(jié)點線性六面體單元,縮減積分(C3D8R)。為了數(shù)值計算的精確性及有效性,對土體微型樁樁位周圍位置單元形狀采用楔形,單元類型選擇六結(jié)點母性三棱柱單元(C3D6),其余區(qū)域單元形狀為六面體,單元類型C3D8R。經(jīng)過對模型網(wǎng)格劃分的調(diào)整與檢查,最終整個模型結(jié)點總數(shù)為65 360,單元總數(shù)為68 944。邊坡模型網(wǎng)格劃分及初始應(yīng)力場云圖分別如圖1、圖2所示。

表1 模型參數(shù)

圖1 邊坡模型網(wǎng)格劃分

圖2 初始應(yīng)力場云圖

2 數(shù)值計算結(jié)果分析

2.1 樁身彎矩

在邊坡頂部施加均布荷載,每級15 kPa,分8級加載,共120 kPa。在每級荷載作用下,傾斜微型樁身彎矩如圖3所示。由圖3分析可知,樁體彎矩沿著樁身分布形態(tài)近似呈倒“S”形,樁頂與樁底位置彎矩值最小,趨于0,隨著樁體埋深的增加,彎矩值從樁頂?shù)綐兜紫仍黾雍蠓聪蛟龃?最后在樁底減小至0左右,整個樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁體埋深4 m即1/2樁體位置處,負最大值-14.6 kN·m,正最大值5.06 kN·m;當加載荷載較小時彎矩在樁身分布均勻,樁體受力合理,極大地發(fā)揮了微型樁的作用。傾斜微型樁樁體彎矩沿著樁身兩側(cè)分布,受荷段與錨固段彎矩明顯,能充分體現(xiàn)微型樁抗滑機理,使整個樁體發(fā)揮抗滑效果,對微型樁樁身的利用效果更明顯。

圖3 不同荷載下傾斜微型樁樁身彎矩

2.2 樁后土壓力

在每級荷載作用下,傾斜微型樁樁后土壓力如圖4所示。由圖4分析可知,傾斜微型樁樁后土壓力分布形態(tài)近似呈鐘形,在加載荷載作用下,隨著樁體埋深的增加,土壓力值先增大后減小,樁頂位置土壓力值最小,從樁頂至樁體埋深2 m處土壓力值一直增大,且從樁頂至樁深5 m處增長速度較快,而后增長速度慢相對趨于穩(wěn)定,土壓力最大值為231.38 kPa;在樁底附近土壓力值突然減小,這與微型樁錨固段受力形態(tài)相吻合,體現(xiàn)了微型樁錨固段起到了良好的作用。

圖4 不同荷載下傾斜微型樁樁后土壓力

2.3 樁頂位移

傾斜微型樁樁體各樁頂位移如圖5所示。隨著加載荷載值的不斷增大,各樁樁頂位移值線性增大,傾斜樁頂最小位移為3.82 mm,最大位移為30.95 mm。各樁頂位移變化基本保持一致,體現(xiàn)了微型抗滑樁互相協(xié)同受力抵抗土體下滑力的特性。

圖5 不同荷載各傾斜微型樁樁頂位移

3 參數(shù)分析

邊坡穩(wěn)定性分析是邊坡工程的重要研究內(nèi)容,實際工程中通過監(jiān)測邊坡穩(wěn)定性的大小,對邊坡的防治提供指導(dǎo)[16-18]。依據(jù)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)抗滑力與下滑力的比值即為邊坡穩(wěn)定性系數(shù)Fs。當Fs>1時,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài);當Fs=1時,邊坡處于極限平衡狀態(tài);當Fs<1時,邊坡發(fā)生失穩(wěn)破壞。邊坡結(jié)構(gòu)工程設(shè)計中,根據(jù)邊坡的安全等級要求及不同工況情況,一般認為Fs>1.35時能滿足一級邊坡在一般工況下的要求。邊坡穩(wěn)定性驗算常用的方法有極限平衡法和數(shù)值計算法[19-22]。根據(jù)在同一邊坡條件下,不同樁位、不同樁體傾斜角度、不同樁間距及排數(shù)等變量參數(shù)建立與邊坡穩(wěn)定性間的數(shù)值關(guān)系,分析研究各參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。

3.1 不同樁位的影響

以所建模型坡角位置為基準,整個坡面高9 m,由坡角到坡面不同高度h的變化,分析研究未設(shè)樁天然邊坡、樁角θ=0 °即豎直樁體、樁角θ=40° 3種工況下在邊坡不同位置的穩(wěn)定性系數(shù)變化情況,如圖6所示。

圖6 不同設(shè)樁位置與Fs的關(guān)系

由圖6可知,此工況下邊坡未設(shè)樁天然狀態(tài)下Fs=1.1,θ=0°和θ=40°兩種工況下邊坡穩(wěn)定性系數(shù)均隨著設(shè)樁位置的增加而增加,但設(shè)樁40°整體穩(wěn)定性大于豎直樁體,在設(shè)樁位置為3 m即距離坡角位置1/3處穩(wěn)定性系數(shù)最大,此處設(shè)樁0°時Fs=1.31,設(shè)樁40°時Fs=1.373,與不設(shè)樁天然土坡相比分別增加了19.1%和24.82%。大于3 m時穩(wěn)定性系數(shù)隨著設(shè)樁位置的增加而減小,但減小的幅度不大。這為微型樁在邊坡工程中的設(shè)樁位置提供了可行的參考,即設(shè)樁位置在距離坡腳1/3～1/2時,微型樁能發(fā)揮更有效的護坡效果,提供更強大的阻滑力,從而使邊坡穩(wěn)定性系數(shù)趨于最大值,土體邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

3.2 不同傾斜角度的影響

在確定不同設(shè)樁位置與Fs的關(guān)系中,以樁體在坡角1/3處為基準,建立傾斜角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°時的模型,此時不同設(shè)樁傾斜角度與邊坡穩(wěn)定性系數(shù)間的關(guān)系如圖7所示。

圖7 不同設(shè)樁傾角與Fs的關(guān)系

由分析可知,在此模型中未設(shè)樁天然邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.194,設(shè)樁邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著設(shè)樁角度的增加先增大后減小,在設(shè)樁角度為40°左右時,達到最大值1.449,設(shè)樁最小邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為設(shè)樁角度為60°時為1.365,樁體豎直狀態(tài)時邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.373。邊坡設(shè)樁整體穩(wěn)定性系數(shù)明顯比未設(shè)樁增強,體現(xiàn)了微型樁發(fā)揮護坡作用的效果顯著,豎直樁體與傾斜40°時樁體比未設(shè)樁時穩(wěn)定性系數(shù)分別增加了15%和21.36%,由此可知在邊坡工程設(shè)計中傾斜樁體能更好地增強邊坡的整體穩(wěn)定性,使微型樁護坡作用發(fā)揮更充分,效果更明顯。樁體在不同傾斜角度時與土體形成的有效滑移面如圖8所示。

圖8 樁體不同傾角時有效滑動面

3.3 不同樁間距及排數(shù)的影響

在樁位為坡角1/3處、樁體傾斜角度為40°的基礎(chǔ)上,分別研究不同樁間距及不同樁排數(shù)對穩(wěn)定性系數(shù)的影響,如圖9所示。

圖9 不同樁間距及排數(shù)與Fs的關(guān)系

由圖9可知,隨著樁間距的增大邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小,減小的幅度越來越小,這主要與微型樁的工作機理息息相關(guān),微型樁土拱效應(yīng)的形成與樁體間距有著直接的關(guān)系,樁間距過大,滑動土體容易從兩樁中間擠出,達不到抗滑護坡承載效果,一般認為樁間距取3～5倍樁徑是比較合理可行的。隨著樁排數(shù)的增加穩(wěn)定性系數(shù)近似直線型增加,4排樁時邊坡土體穩(wěn)定性系數(shù)達到2.297,與單排樁相比增加了75.34%,并且隨著樁排數(shù)的繼續(xù)增加穩(wěn)定性系數(shù)有增大的趨勢。由此說明一個快速有效增加邊坡穩(wěn)定性達到護坡承載效果的方法就是增加樁排數(shù),相較于改變樁間距和樁體結(jié)構(gòu)形態(tài)改變樁排數(shù)能達到更好的效果。

4 結(jié)論

基于數(shù)值計算的方法,研究了傾斜微型樁工作機理及受力特征,對傾斜微型樁的樁身內(nèi)力變化規(guī)律、樁后土壓力、樁頂位移進行了數(shù)據(jù)分析。在分析傾斜微型樁護坡承載特性的基礎(chǔ)上,建立了不同樁位、不同樁傾斜角度、不同樁間距及排數(shù)等變量參數(shù)與邊坡穩(wěn)定性間的數(shù)值關(guān)系,分析研究了各參數(shù)變化對邊坡穩(wěn)定性的影響。得到以下主要結(jié)論：

1)傾斜微型樁樁身彎矩呈倒“S”形沿著樁身均勻分布,在樁體中間位置彎矩值最大,抗滑段與錨固段受力分布形式合理,能充分發(fā)揮微型樁作用,在相同作用下能承現(xiàn)剛好的護坡效果;土壓力值隨著樁體埋深先增大后減小,在距離樁底1/3左右處達到最大值,這為傾斜微型樁的錨固長度提供了參考,即傾斜微型樁錨固段取樁長的1/3～1/2是合理可行的。

2)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)隨著樁位的增加先增大后減小,在距離坡角1/3位置穩(wěn)定性系數(shù)達到最大值,在設(shè)置微型樁時樁位在距離坡角1/3～1/2時穩(wěn)定性系數(shù)較理想,可為邊坡提供可靠的加固穩(wěn)定程度。

3)隨著樁傾斜角度由垂直狀態(tài)開始不斷增大的過程中穩(wěn)定性系數(shù)先增大后減小,在與坡面垂直時達最大值1.449,表明傾斜樁體能有效地承受更大的水平承載力,可以更好地限制水平位移的發(fā)展,進而限制了塑性區(qū)的發(fā)展,使邊坡穩(wěn)定性得到提高。

4)隨著樁間距的不斷增大,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)逐漸減小;隨著樁排數(shù)的增多,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)線性增大。基于此,樁間距取3～5倍樁徑是切實可行的。