■陳小滿
(陜西地礦漢中地質(zhì)大隊(duì)有限公司,漢中 723000)
不穩(wěn)定的天然斜坡和坡角較大的人工邊坡,在外力作用下常發(fā)生滑動(dòng)和崩塌,嚴(yán)重時(shí)會(huì)引起交通中斷、建筑物倒塌,因此對(duì)邊坡的治理是亟需解決的問題。 如何保持邊坡的穩(wěn)定性,減少滑坡災(zāi)害的發(fā)生,針對(duì)此問題學(xué)者們進(jìn)行了多方面研究,張濟(jì)斌等[1]對(duì)基于FLAC 3D 數(shù)值模擬的抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明增大內(nèi)摩擦角可以有效增大土拱效應(yīng);任翔等[2]對(duì)黃土地區(qū)抗滑樁嵌固段樁前被動(dòng)土拱形成演化過程試驗(yàn)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明樁前被動(dòng)土拱是由相鄰樁對(duì)樁前土體的相互作用,使主應(yīng)力發(fā)生偏轉(zhuǎn)而逐步形成的;Shangguan 等[3]對(duì)不同布樁方式的抗滑樁土拱效應(yīng)進(jìn)行了研究,結(jié)果表明平行布置樁時(shí),前、后排樁之間的土拱相互平行分布;Ren 等[4]對(duì)三維水平樁前被動(dòng)土拱的形態(tài)演化進(jìn)行了研究,結(jié)果表明在樁間距為4 倍樁寬的條件下,抗滑樁固定部分前方出現(xiàn)被動(dòng)土拱;邱子義等[5]對(duì)雙排抗滑樁排間土拱效應(yīng)離散元進(jìn)行了研究,結(jié)果表明排樁排間距的增加使后排樁受的“遮蔽效應(yīng)”減弱;蘇培東等[6]對(duì)不同截面抗滑樁的土拱效應(yīng)對(duì)比進(jìn)行了研究,結(jié)果表明相同條件下梯形截面樁樁間土位移與剪應(yīng)變?cè)隽扛?,?yīng)力集中現(xiàn)象更明顯。
以上學(xué)者對(duì)不同布樁方式的抗滑樁土拱效應(yīng)及其演化進(jìn)行了分析,本項(xiàng)目參考前人的研究成果,通過數(shù)值模型模擬計(jì)算,對(duì)抗滑樁支護(hù)條件下土拱效應(yīng)影響因素進(jìn)行了研究,并分析了不同樁間距、土體黏聚力及土體內(nèi)摩擦角對(duì)土拱效應(yīng)的影響。
本研究采用主要用于巖土工程領(lǐng)域的軟件PLAXIS 對(duì)土拱效應(yīng)影響因素進(jìn)行分析。 巖土體在受到外部荷載時(shí),會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的形變,當(dāng)外部荷載移除時(shí),能完全恢復(fù)原始狀態(tài)的為彈性形變,不能恢復(fù)的形變?yōu)樗苄孕巫?,此兩種形變?cè)趲r土體結(jié)構(gòu)中相互作用,因此本研究采用彈塑性本構(gòu)模型對(duì)巖土體的穩(wěn)定性進(jìn)行分析,并采用摩爾庫倫本構(gòu)模型對(duì)土拱效應(yīng)影響因素進(jìn)行探究。
摩爾庫倫屈服準(zhǔn)則:
式中,τf為巖土體剪切屈服應(yīng)力(MPa),σn為巖土體法向屈服應(yīng)力(kPa),φ 為巖土體內(nèi)摩擦角(°),c 為巖土體黏聚力(kPa)。
摩爾庫倫屈服面函數(shù):
式中,p 為主應(yīng)力的平均值 (MPa),q 為剪應(yīng)力(MPa),Rmc為偏應(yīng)力系數(shù),為巖土體某點(diǎn)的偏應(yīng)力與垂直方向上的主應(yīng)力之比,Rmc可由公式(3)計(jì)算:
式中,θ 為極偏角,空間直線與參考平面之間的最小夾角。 在抗滑樁與巖土體相互作用的情況下,其作用接觸面的強(qiáng)度參數(shù)與周圍巖土體的強(qiáng)度參數(shù)相關(guān),在本研究中,通過界面強(qiáng)度折減系數(shù)Rin確定抗滑樁與巖土體的接觸強(qiáng)度。 當(dāng)Rin=1.0 時(shí),抗滑樁與巖土體的接觸強(qiáng)度不變, 接觸強(qiáng)度不需要折減;在通常情況下,抗滑樁與巖土體的接觸強(qiáng)度較弱,就對(duì)其進(jìn)行折減,因此,通常情況下Rin<1.0,而在沒有試驗(yàn)數(shù)據(jù)情況下,Rin值為2/3。
通過折減的界面強(qiáng)度參數(shù)可由以下公式計(jì)算:
式中,csoil為抗滑樁周圍巖土體黏聚力(kPa),ci為抗滑樁與巖土體的接觸強(qiáng)度折減后的黏聚力(kPa),φsoil為抗滑樁周圍巖土體內(nèi)摩擦角(°),φi為抗滑樁與巖土體的接觸強(qiáng)度折減后的摩擦角(°)。
在本研究中, 設(shè)定土體的滑動(dòng)方向?yàn)樗交瑒?dòng),設(shè)置抗滑樁的每個(gè)面均有固定約束,且抗滑樁保持不變動(dòng)的穩(wěn)定狀態(tài)。 為避免模型幾何邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果造成影響,模型選擇適當(dāng)?shù)某叽?,模型樁前和樁后的尺寸均不低?2 倍的抗滑樁直徑, 抗滑樁截面尺寸為寬×高分別為2.5 m×4.0 m,其截面高度和寬度之比為1.6,設(shè)置抗滑樁截面寬度為D,則抗滑樁截面高度為1.6D,樁前和樁后的距離為12 倍的樁截面高度,即距離為19.2D。
為保證計(jì)算的準(zhǔn)確性,本研究采用4 根抗滑樁進(jìn)行模擬計(jì)算,在計(jì)算過程中,中間2 根抗滑樁為重點(diǎn)計(jì)算對(duì)象。 設(shè)置左上角為坐標(biāo)原點(diǎn),沿荷載方向?yàn)閤 軸,橫截面方向?yàn)閥 軸,模型截面示意圖及幾何邊界見圖1。 設(shè)置外部荷載為60 kPa,以抗滑樁的中心點(diǎn)為基準(zhǔn),測量相鄰2 個(gè)抗滑樁的水平間距,設(shè)置測量距離為S,設(shè)置相鄰2 個(gè)抗滑樁之間的面沒有約束,不受任何限制,而其余的面在法向方向均受到約束。
圖1 模型截面示意圖
影響土拱效應(yīng)的因素較多,包括樁間距、土體性質(zhì)以及抗滑樁和土體接觸面的粗糙程度,而土體性質(zhì)包括黏聚力、內(nèi)摩擦角、泊松比。 在研究各因素對(duì)土拱效應(yīng)的影響時(shí),本研究采用單因素分析法,即在研究單個(gè)因素對(duì)土拱效應(yīng)的影響時(shí),保持其他因素的值不變。 在本研究中,首先確定各個(gè)因素的最大值和最小值,以及根據(jù)最大值和最小值計(jì)算出的平均值,并根據(jù)各因素值從小到大分析對(duì)土拱效應(yīng)的影響。影響土拱效應(yīng)各因素的取值范圍見表1。其中S/D 為2 個(gè)相鄰抗滑樁中心點(diǎn)距離與抗滑樁寬度的比值。 土拱效應(yīng)各固定參數(shù)取值見表2。
表1 影響土拱效應(yīng)各因素的取值范圍
表2 土拱效應(yīng)各固定參數(shù)取值
抗滑樁的間距是土拱效應(yīng)的決定性因素之一,在研究不同樁間距S/D 影響時(shí),其他參數(shù)取其平均值,并保持不變。 研究取S/D 最大值、最小值和平均值對(duì)土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行分析,即S/D=1.6、4.6、7.6時(shí)對(duì)土拱效應(yīng)的影響。 根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù),可得不同S/D 下x 方向關(guān)鍵剖面應(yīng)力分布曲線圖(負(fù)值方向向下),見圖2。
由圖2(a)可知,當(dāng)S/D 為1.6 時(shí),抗滑樁間距較小,在外部荷載作用下,土體的受力全部作用于抗滑樁上,抗滑樁樁前受到的應(yīng)力基本保持不變,而樁后產(chǎn)生應(yīng)力集中現(xiàn)象, 樁后受到的應(yīng)力增大,最大為52.6 kPa,當(dāng)樁后的間距大于或等于1.6D時(shí),受到的應(yīng)力與外部應(yīng)力基本相同,在該區(qū)域未受到土拱效應(yīng)的影響。由圖2(b)可知,當(dāng)S/D 為4.6時(shí),隨著抗滑樁間距的增大,在外部荷載作用下,由于抗滑樁阻擋作用,樁周附近受到的應(yīng)力保持不變,樁間受到的應(yīng)力增大,而樁后的土體產(chǎn)生不均勻的位移,使土體不斷壓實(shí),形成承擔(dān)后部土體推力的土拱,后部土體的推力作用在土拱上,抗滑樁所受應(yīng)力減小。 當(dāng)樁后的間距大于或等于4.6D 時(shí),受到的應(yīng)力與外部應(yīng)力基本相同,在該區(qū)域未受到土拱效應(yīng)的影響。 由圖2(c)可知,當(dāng)S/D 為7.6 時(shí),隨著抗滑樁間距的增大,在外部荷載作用下,樁間區(qū)域在土體推力的作用下,受到的應(yīng)力增大,樁間土體相對(duì)抗滑樁的位移也增大,土拱效應(yīng)減弱。
由圖2 可知,當(dāng)樁間距較小時(shí),土體的推力部分由土拱承擔(dān),當(dāng)樁間距逐漸增大時(shí),在土體的推力作用下,土體在樁間的形變?cè)龃?,其位移也逐漸增大,當(dāng)樁間距增大到一定程度時(shí),土拱的承載力下降,土拱效應(yīng)減弱,由于樁間土體位移增大,樁間土體有直接從樁間擠出趨勢(shì)。當(dāng)S/D 小于或等于4.6 時(shí),土拱效應(yīng)明顯,當(dāng)S/D 大于4.6 時(shí),土拱效應(yīng)減弱。
在研究不同土體黏聚力對(duì)土拱效應(yīng)的影響時(shí),其他參數(shù)取平均值,并保持不變。 研究取土體黏聚力最大值、最小值和平均值對(duì)土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行分析, 即c=6、24、42 kPa 時(shí)對(duì)土拱效應(yīng)的影響。 根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù),可得不同土體黏聚力下x 方向關(guān)鍵剖面應(yīng)力分布曲線圖(負(fù)值方向向下),見圖3。
圖3 不同土體黏聚力下x 軸方向應(yīng)力分布曲線
由圖3(a)可知,當(dāng)土體黏聚力為6 kPa 時(shí),在外部荷載作用下,土體的受力全部作用于抗滑樁及周圍區(qū)域上,樁間土體位移增大,但樁后未形成明顯土拱,土拱效應(yīng)較弱。 當(dāng)樁后的間距大于或等于4.6D 時(shí),受到的應(yīng)力與外部應(yīng)力基本相同,在該區(qū)域未受到土拱效應(yīng)的影響。 由圖3(b)可知,當(dāng)土體黏聚力為24 kPa 時(shí),在外部荷載作用下,樁前土體受到的應(yīng)力增大,位移增大,使樁后的土體壓實(shí),產(chǎn)生承擔(dān)后部土體推力的土拱,土拱效應(yīng)較明顯。 由圖3(c)可知,當(dāng)土體黏聚力為42 kPa 時(shí),土拱效應(yīng)增大,抗滑樁前周圍區(qū)域的受力減弱,樁后形成的土拱區(qū)域增大,土拱拱頂?shù)氖芰p小,抗滑樁樁后周圍區(qū)域受力增大,土拱的部分受力轉(zhuǎn)移到抗滑樁及樁后部分區(qū)域。
由圖3 可知,隨著土體黏聚力的增大,土體產(chǎn)生的土拱效應(yīng)越明顯,隨著土拱效應(yīng)的增大,土拱承擔(dān)的土體推力逐漸減小,而抗滑樁承擔(dān)的土體推力逐漸增大。 當(dāng)土體黏聚力小于24 kPa 時(shí),土拱效應(yīng)較弱,當(dāng)土體黏聚力大于或等于24 kPa 時(shí),土拱效應(yīng)隨著黏聚力的增大而增強(qiáng)。
在研究不同土體內(nèi)摩擦角影響時(shí),其他影響土拱效應(yīng)的參數(shù)取平均值,并保持不變。 研究取土體內(nèi)摩擦角最大值、最小值和平均值對(duì)土拱效應(yīng)的影響進(jìn)行分析,即φ=5.2°、20.8°、36.4°時(shí)對(duì)土拱效應(yīng)的影響。 根據(jù)計(jì)算所得數(shù)據(jù),可得不同土體內(nèi)摩擦角下x 方向關(guān)鍵剖面應(yīng)力分布曲線圖(負(fù)值方向向下),見圖4。
圖4 不同內(nèi)摩擦角下x 軸方向應(yīng)力分布曲線
由圖4(a)可知,當(dāng)土體內(nèi)摩擦角為5.2°時(shí),在外部荷載作用下,樁間土體受到的應(yīng)力較大,土體位移也相應(yīng)較大, 樁后土體在后部土體推力作用下,在離抗滑樁4.6D 區(qū)域前形成較小的土拱。 土體的部分推力作用在土拱上,而另外部分作用在抗滑樁上,抗滑樁周圍的區(qū)域受到的應(yīng)力隨著土體位移的增大逐漸增大。 由圖4(b)可知,當(dāng)土體內(nèi)摩擦角為20.8°時(shí),在外部荷載作用下,作用在樁間土體的應(yīng)力增大,在土體推力作用下,使樁后土體壓實(shí),形成較小的土拱,土拱效應(yīng)明顯。 當(dāng)樁后的間距大于或等于4.6D 時(shí),受到的應(yīng)力與外部應(yīng)力基本相同,在該區(qū)域未受到土拱效應(yīng)的影響。 由圖4(c)可知,當(dāng)土體內(nèi)摩擦角為36.4°時(shí),在外部荷載作用下,靠近抗滑樁前附近的土體出現(xiàn)較小的土拱,作用在樁前土拱上的應(yīng)力較小,樁間土體在荷載作用下,向樁后位移,樁后的土體被壓實(shí),形成較大的土拱,抗滑樁樁后周圍區(qū)域受力增大,土拱的部分受力轉(zhuǎn)移到抗滑樁及樁后部分區(qū)域。 由圖4 可知,隨著土體內(nèi)摩擦角的增大,樁后形成的土拱逐漸增大,土拱效應(yīng)明顯,土拱效應(yīng)變化的區(qū)域在樁后4.6D 范圍內(nèi)。當(dāng)摩擦角為5.2°時(shí), 抗滑樁樁后周圍區(qū)域受力較小,當(dāng)摩擦角為36.4°時(shí),抗滑樁樁后周圍區(qū)域受力較大,當(dāng)內(nèi)摩擦角大于20.8°時(shí),土拱的受力趨于穩(wěn)定狀態(tài),且對(duì)土拱效應(yīng)的影響不明顯。
本研究通過數(shù)值模型模擬計(jì)算,對(duì)抗滑樁支護(hù)條件下土拱效應(yīng)影響因素進(jìn)行了研究,并分析了不同樁間距、土體黏聚力及土體內(nèi)摩擦角對(duì)土拱效應(yīng)的影響,得出如下結(jié)論:(1)在外部荷載作用下,隨著樁間距的增大,土拱效應(yīng)先逐漸增大再逐漸減弱。當(dāng)樁間距增大時(shí),在土體推力作用下,樁間區(qū)域土體形變?cè)龃?,位移也隨之增大,當(dāng)樁間距增大到一定程度時(shí),土拱對(duì)土體的推力承載力減小,土拱效應(yīng)減弱;(2)在外部荷載作用下,當(dāng)土體黏聚力較小時(shí),樁后未形成土拱,土拱效應(yīng)較弱,當(dāng)土體黏聚力大于或等于24 kPa 時(shí),樁前土體受到的應(yīng)力增大,樁后土拱效應(yīng)較明顯,而且隨著黏聚力的增大而增強(qiáng);(3)在外部荷載作用下,樁后土拱效應(yīng)隨著土體內(nèi)摩擦角的增大而增強(qiáng),且土拱效應(yīng)變化的區(qū)域在樁后4.6D 范圍內(nèi),隨著土體內(nèi)摩擦角的增大,抗滑樁樁后周圍區(qū)域受力逐漸增大,當(dāng)內(nèi)摩擦角大于20.8°時(shí),土拱的受力趨于穩(wěn)定狀態(tài)。