地震作用下的抗滑樁支護(hù)邊坡模擬分析

閆博華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院有限公司 太原市 030032)

0 引言

我國是一個多山國家,同時也是一個地震帶居多的國家,在當(dāng)前交通系統(tǒng)大力發(fā)展的背景下,工程邊坡治理工程越來越多。地震是帶來滑坡災(zāi)害的重要原因之一,因此對邊坡工程在地震荷載下的穩(wěn)定性研究顯得尤為必要。

國內(nèi)外學(xué)者對邊坡地震方面的研究已有很多成果,于玉貞等[1]進(jìn)行了抗滑樁靜力和動力下的離心模型試驗,對兩種混凝土抗滑樁開裂的情況的破壞和受力情況進(jìn)行了分析,得到靜力開裂在地震后樁底轉(zhuǎn)為活動鉸約束,其彎矩呈先增大后減小的趨勢。同時在飽和砂土的抗滑樁加固的動力離心模型試驗[2]中對飽和砂土的地震動力響應(yīng)進(jìn)行了研究,明確了地震作用對地基液化的附加彎矩值應(yīng)引起重視,為邊坡的抗震設(shè)計提供了重要參考依據(jù)。吳永等[3]以極限定理為理論基礎(chǔ),在確認(rèn)邊坡滑動面的前提下,從能量角度對抗滑樁加固體系進(jìn)行了計算,得到了坡體與錨固體系臨界的計算模型,對抗滑樁的失效機(jī)理進(jìn)行了深入探索。許江波等[4]對動力作用下抗滑樁支護(hù)的邊坡提出了新的抗震設(shè)計方法,得到了樁體在邊坡受地震作用下的內(nèi)力值及分布規(guī)律,并用具體的邊坡模型驗證了新方法的可行性,為邊坡穩(wěn)定性的計算提供了新的思路?？准o(jì)名等[5]對地震荷載作用下抗滑樁樁身埋入深度進(jìn)行了研究,以工程實例為依托,采用相似性原理進(jìn)行了物理模型試驗,最終得到了抗滑樁最佳的嵌固深度,以此為基礎(chǔ)建立了抗滑樁最佳嵌固深度的判據(jù)。唐勇等[6]采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法對斷層破裂帶邊坡的抗滑樁加固機(jī)理及模式進(jìn)行了研究,在地震荷載下斷層帶向臨空面滑動,抗滑樁在加固邊坡的過程中土拱、樁身等都起到了良好的加固作用,最終得到了抗滑樁邊坡最合理的參數(shù)設(shè)計。

自汶川地震后,我國工程建設(shè)對結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的抗震要求越發(fā)嚴(yán)格,《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02—2013)中明確了邊坡在抗震設(shè)計中的方法及要求,但傳統(tǒng)的靜力法與實際工程相差較大。文章依托某高速邊坡治理工程,對錨索抗滑樁加固邊坡的抗震性能進(jìn)行研究,以期為工程實際提供參考。

1 存在的問題

目前邊坡的穩(wěn)定性常用靜力法,靜力的強度折減法主要是將土體的強度參數(shù)進(jìn)行折減,達(dá)到滑坡的極限平衡狀態(tài)時,強度折減系數(shù)則作為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。但在邊坡地震作用下,邊坡的破壞是一個累積的過程,并不是靜力法所在一個瞬時的狀態(tài),因此判定邊坡在動力響應(yīng)時的破壞判據(jù)是一個關(guān)鍵性問題,目前主要有3種方法對動力作用下邊坡的穩(wěn)定性失效作為判據(jù),一是形成貫通裂縫;二是在地震過程中邊坡某部分位移出現(xiàn)突然增大;三是在模型計算中不收斂。這三個方法雖在一定程度上可作為判據(jù),但邊坡的動力特性是一個復(fù)雜的問題,還應(yīng)通過多方面計算復(fù)核。

2 工程概況

高邊坡的治理通常是邊坡工程中的重難點,依托工程為某高速K5+153.321～K5+251.265段,該段擬建公路兩側(cè)均為山區(qū)路段,高差起伏較大,路線呈南北走向,高速公路的設(shè)計時速為120km/h,現(xiàn)場勘查顯示,路線周邊環(huán)境較好,無河流水域,植被發(fā)育完好,自然邊坡較為陡峭,在擬建工段邊坡有少數(shù)裂隙,未發(fā)現(xiàn)明顯滑移痕跡。其中在樁號K5+170斷面的坡高最高,約27m,巖層斷面顯示為順層,對邊坡的穩(wěn)定極為不利,需對該斷面進(jìn)行重點分析。如圖 1所示。

圖1 K5+170橫斷面(單位:m)

地勘資料顯示,該工段的地層條件復(fù)雜,在K5+170斷面的地層主要為4層,分別為填土(厚約4.6m)、粉質(zhì)黏土(厚約8m)、全風(fēng)化玄武巖(厚約9.6m)、強風(fēng)化玄武巖(厚約12m)。規(guī)范中采用靜力法規(guī)定,高速公路路塹邊坡在坡高大于20m時,邊坡的抗震穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.15。因此,在邊坡的加固設(shè)計中應(yīng)加強對邊坡抗震穩(wěn)定性的設(shè)計。擬定邊坡加固方案采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的形式,抗滑樁距離坡腳8m,樁身長23m,采用矩形截面,截面尺寸為1.2m×1.5m,自樁頂向上進(jìn)行坡面放坡處理,坡率均為1:1.5,每級邊坡均為6m,一、二級邊坡之間設(shè)置2m寬的平臺,坡面采用骨架草籽護(hù)坡。錨索錨固與全風(fēng)化玄武巖中,采用壓力分散型錨索,其預(yù)應(yīng)力為150kN。如圖 1所示。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

采用有限元軟件對依托工程建立有限元模型,模型尺寸100m×60m。各個土層的模擬采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型,錨索和抗滑樁采用彈性本構(gòu)模型,抗滑樁截面尺寸為1.2m×1.5m,長度為23m,采用1D梁單元進(jìn)行模擬,錨索劃分為固定段和自由段兩種網(wǎng)格,在自由段施加預(yù)應(yīng)力。網(wǎng)格劃分以控制模型計算精度和效率為原則,在精度要求高的區(qū)域網(wǎng)格密度為1m。其余部分的網(wǎng)格密度均為2m。土層、抗滑樁、錨索的模型材料參數(shù)根據(jù)地勘等資料進(jìn)行選取,計算模型如圖 2所示,模型的具體參數(shù)如表 1所示。

表1 模型參數(shù)表

圖2 有限元模型

3.2 地震荷載

模型建立后對邊坡的穩(wěn)定性和變形進(jìn)行分析,地震荷載的施加選擇EL-Centro波,峰值加速度為0.214g,持續(xù)時長為53.46s,地震時程如圖 3所示。在動荷載分析時,選擇非線性時程+SRM,具體模擬步驟如下:

(1)原始邊坡模擬,位移歸零;

(2)對邊坡進(jìn)行1∶1.5削坡處理;

(3)施加錨索抗滑樁加固措施;

(4)挖除樁前土體;

(5)施加地震荷載;

(6)計算結(jié)果數(shù)據(jù)提取。

圖3 EL-Centro地震波時程圖

3.3 計算結(jié)果分析

提取有限元計算結(jié)果的塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。

圖4 邊坡有效塑性區(qū)云圖

塑性區(qū)云圖反映了土體的破壞程度。在塑性變化大的區(qū)域,土體破壞的可能性越大。從圖中可以看出,坡體在坡腳處的塑性破壞區(qū)最嚴(yán)重,并向坡頂延伸,說明邊坡的潛在滑動面就在這個塑性區(qū)內(nèi),主要位于巖層分界線上。

對邊坡在各個模擬階段的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析,可有效指導(dǎo)施工時各階段邊坡的穩(wěn)定情況,如圖 5所示。

圖 5 各模擬階段邊坡穩(wěn)定系數(shù)

在模擬自然邊坡時,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.05,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)較小,穩(wěn)定性未達(dá)到規(guī)范要求,然后進(jìn)行放坡1:1.5后削坡狀態(tài)的模擬,此時邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.15,同比增長9.5%,邊坡的穩(wěn)定性增長有限,邊坡的穩(wěn)定性還有待提高。在施加支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁后,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)提升到1.81,增幅較大,最后開挖樁前土體,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低到1.65。這種現(xiàn)象說明,在邊坡穩(wěn)定性的提高方面,削坡措施只降低了部分土體的下滑力,并沒有明顯改善整個坡體的整個受力狀態(tài),因此對邊坡的穩(wěn)定系系數(shù)提高并不明顯?？够瑯吨ёo(hù)結(jié)構(gòu)改了坡體的受力狀態(tài),限制了潛在滑動土體的位移趨勢,改善了整個滑體的受力體系,從而極大地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)。而樁前土的開挖,將樁前部的被動土壓力去除,使得抗滑樁的懸臂段長度增加、嵌固段減小,側(cè)向土壓力增大,導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降,因此在有條件的情況下應(yīng)盡量減小樁前土的開挖,保留樁前土有利于邊坡的穩(wěn)定。

對地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化進(jìn)行分析,對地震荷載取其前4s進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。在前4s內(nèi),地震已經(jīng)經(jīng)過峰值加速度的變化,邊坡已經(jīng)經(jīng)歷了地震荷載的峰值變化,每0.5s進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,得到圖 6所示的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化圖。

圖 6 地震荷載下邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

從圖 6中可以看出,邊坡在整個地震荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)變化呈下降趨勢,結(jié)合邊坡地震荷載的時程圖分析,邊坡在前0.5s的穩(wěn)定系數(shù)下降較少,在1.5～2s之間下降速率增加,在2.5s后區(qū)域穩(wěn)定在1.16左右。對照地震波時程圖來看,在1s以前,地震波的峰值有小幅度變化,并未達(dá)到峰值,在1.5～2s時,地震波達(dá)到峰值加速度,在4s左右峰值加速度最小,因此得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降也呈現(xiàn)出類似階梯狀的變化情況。這也說明,預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在邊坡的抗震過程中起到了良好的效果,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)未在短時間內(nèi)呈斷崖式下降。這是因為預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁既有抗滑樁的剛性,也有錨索的柔性作用,在地震荷載傳遞到土體時,抗滑樁與土層相互擠嵌,錨索提供了相對的彈性變形,形成類似緩沖的效應(yīng),能在一定程度內(nèi)吸收地震荷載的能量,保證邊坡的穩(wěn)定。

如圖7所示為樁身地震前后的位移變化圖。

圖7 樁身水平位移變化圖

從圖 7可以看出,在震前樁身上部的水平位移向臨空面移動,下部水平位移向坡背移動,整個樁身的水平位移呈弧形變化,這說明預(yù)應(yīng)力錨索在限制樁身的位移上有較好的作用。地震荷載后,樁身整體向著臨空面進(jìn)行可移動,樁頂水平位移最大為17cm,樁底為5.8cm,樁頂?shù)乃轿灰谱兓却笥跇兜?這是由于地震作用的效應(yīng),上部結(jié)構(gòu)主要為懸臂式受力體系,受地震作用時樁體受到的阻尼較小,因此其位移變化較為明顯。而樁體下部嵌固于土體中,在水平地震力作用下,樁體受到土體的阻滯作用,因此其位移相對較小。

進(jìn)一步提取抗滑樁的彎矩如圖8所示。

圖8 樁身彎矩圖

從圖 8可知,抗滑樁在兩種工況下彎矩的最大值均位于樁身中部,兩端較小,地震荷載的作用下,抗滑樁樁身彎矩的形態(tài)未變,大小發(fā)生改變,地震荷載的最大樁身彎矩值為3480kN·m,在設(shè)計中應(yīng)加強對抗滑樁中部的結(jié)構(gòu)設(shè)計。

4 結(jié)論

文章采用有限元軟件模擬分析了錨索抗滑樁靜力和動力荷載下的位移及穩(wěn)定性變化規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1)邊坡在靜力作用下的潛在滑動面位于巖層分界面,穩(wěn)定系數(shù)在各個工況呈先增大后減小的變化情況。

(2)地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的降低呈階梯狀下降,最后穩(wěn)定于1.16。

(3)地震荷載前,邊坡的水平位移值樁頂向邊坡臨空面移動,樁底向坡背移動;地震荷載后,樁頂和樁底的水平位移均向臨空面移動,最大值為17cm。

(4)樁身的彎矩值在地震前后的變化形態(tài)一致,呈中間大兩端小的變化形態(tài),地震后樁身的彎矩值大于地震前。