不同滑帶角度滑坡作用下隧道襯砌與抗滑樁結(jié)構(gòu)非線性受力特征研究

李 濤，羅 波，朱寶龍，陳 剛

(1.中國工程物理研究院 總體工程研究所，四川 綿陽 621999；2.中國五冶集團(tuán)有限公司，四川 成都 610063；3.西南科技大學(xué) 土木工程與建筑學(xué)院，四川 綿陽 621010)

為保證建設(shè)中公路、鐵路線路順直,在一些特定區(qū)域不得不采用隧道穿越大型滑坡的設(shè)計(jì)方案,或者在工程建設(shè)前期勘察工作疏忽導(dǎo)致選線穿越滑坡地帶,由此形成特定的隧道-滑坡體系。工程建設(shè)中為防止滑坡體影響隧道襯砌結(jié)構(gòu)正常工作,多采用抗滑樁支護(hù)方式保證隧道襯砌結(jié)構(gòu)安全[1-2]。

滑坡-隧道體系由于地形復(fù)雜、滑坡體縱橫變化幅度較大,滑坡隧道相互作用受力變形機(jī)理較為復(fù)雜,在工程建設(shè)中對(duì)其治理問題一直是研究熱點(diǎn)。當(dāng)前實(shí)際工程研究中主要集中在以下方面:①對(duì)滑坡-隧道類型進(jìn)行劃分,吳紅剛等[3-5]以隧道軸線與滑坡主滑方向線相交位置關(guān)系不同分為正交、斜交、平行,并以這三種體系為核心對(duì)滑坡體系受力特征與荷載計(jì)算作了較為完備的研究。胡煒等[6]、盧光兆等[7]分析不同埋深隧道,提出隧道拉裂、剪切、巖體自身破壞三種破壞類型。②針對(duì)滑坡隧道在不同工況下受力特征進(jìn)行研究,隋傳毅等[8]、毛堅(jiān)強(qiáng)等[9]研究隧道在不同地震波情況下隧道受力特性,得出在情況一定的條件下隧道對(duì)地震波有明顯的選擇性,并對(duì)滑帶影響下隧道滑坡相互作用機(jī)理進(jìn)一步研究。Causse等[10]、Li等[11]研究了深埋隧道邊坡滑移及平行于隧道的滑坡在蠕變過程對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的損壞。邵江等[12]對(duì)在不同滑帶角度下滑坡隧道體系所受偏壓狀況進(jìn)行更進(jìn)一步研究,得出當(dāng)滑帶角度逐漸增大時(shí)隧道偏壓比會(huì)逐漸減小。同時(shí),隨著數(shù)值模擬技術(shù)的進(jìn)步,越來越多的專家學(xué)者[13-17]通過有限元或者離散元法對(duì)已有隧道情況下再次隧道開挖時(shí)隧道變形機(jī)理研究。③針對(duì)滑坡隧道體系在治理手段方面的進(jìn)一步研究,如李濤等[1]對(duì)不同樁間距條件下隧道受力特征進(jìn)行分析,得出正交滑坡隧道體系中最優(yōu)抗滑樁支護(hù)間距。田四明等[18]提出超前支護(hù)、預(yù)應(yīng)力錨索等主動(dòng)改變隧道圍巖應(yīng)力為核心的方法,降低滑坡對(duì)隧道體系的損傷。部分學(xué)者[19-25]對(duì)山區(qū)滑坡區(qū)域既有隧道在錨索加固、抗滑樁支護(hù)手段下滑坡體與隧道之間相互作用機(jī)理進(jìn)行研究,得出隧道沉降、隧道彎矩等明顯小于未支護(hù)前隧道受力情況。不同支護(hù)方式得到的支護(hù)效果也有較大差異,抗滑樁對(duì)滑坡阻滑效果較為顯著,且經(jīng)濟(jì)節(jié)約。雖然,前人研究成果為部分工程提供了一定參考依據(jù),但是絕大多數(shù)都依托于某一特定工程,對(duì)于其他工程項(xiàng)目缺乏普遍適用性。目前還缺乏對(duì)不同滑帶角度作用下,有抗滑樁支護(hù)體系的隧道-抗滑樁受力特征研究。

因此,本文利用模型試驗(yàn)結(jié)合數(shù)值模擬方法[24-27]對(duì)6種不同滑帶角度(0°、10°、20°、30°、40°、50°)下樁-隧體系受力特征進(jìn)行研究,得到不同滑帶角度作用下支護(hù)樁體及隧道襯砌結(jié)構(gòu)隨滑帶角度變化而變化的非線性受力特征。這對(duì)于彌補(bǔ)滑坡隧道體系研究不足,掌握不同滑帶角度下樁-隧體系受力特征有一定工程實(shí)際意義。

1 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.1 滑坡隧道工程實(shí)例

部分國內(nèi)滑坡隧道體系破壞案例分析見表1,滑帶角度多在0°～50°范圍,且多在靠近滑坡側(cè)左拱和拱腳處出現(xiàn)破壞。因此,本文研究6種滑帶角度條件下樁-隧體系受力特征,為以后實(shí)際工程項(xiàng)目提供相應(yīng)參考。

表1 不同滑帶角度滑坡隧道案例對(duì)比

本文以簡化南坪隧道為研究原型,在此基礎(chǔ)上模擬6種不同滑帶變化,其剖面示意見圖1。隧道內(nèi)部破壞較為嚴(yán)重,水溝受到擠壓,蓋板鼓起,位移量達(dá)6 cm,且在隧道內(nèi)側(cè)出現(xiàn)長達(dá)28 m裂縫,見圖2。隧道在與滑帶相交處發(fā)生局部剪切變形,且其基本在山側(cè)發(fā)生破壞變形。

圖1 南坪隧道地質(zhì)原型示意(單位:m)

圖2 南坪隧道變形破壞特征

1.2 不同滑帶將角度下滑坡隧道室內(nèi)模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)

1.2.1 模型試驗(yàn)相似比設(shè)計(jì)

由模型試驗(yàn)相似理論,本文以1∶100設(shè)計(jì)滑坡-隧道模型試驗(yàn),彈性模量按1∶1設(shè)計(jì),根據(jù)幾何相似理論可得:Cq=1/100、Cp=1/10 000、Cσ=1/100、Cγ=1、CAc=1/100、CM=1/100 000、Cμ=1等基本材料參數(shù)相似比。其中:q為樁身線荷載;p為樁身集中力,σ為樁身應(yīng)力,γ為重度,Ac為樁截面面積,M為彎矩,μ為泊松比。

1.2.2 樁體參數(shù)選擇

1)樁長及樁徑

根據(jù)實(shí)際工程選擇的土質(zhì)情況及工程實(shí)況,選取抗滑樁模型尺寸,長為3.6m,寬為2.4m,高為36m,并確定水平方向樁數(shù)量為4根。

2)樁距

根據(jù)大準(zhǔn)鐵路南坪隧道結(jié)構(gòu)原型,在實(shí)際工程確定樁體數(shù)量時(shí),當(dāng)樁體間距過小時(shí)雖然能減少坡體滑動(dòng)趨勢(shì),但是樁體無法完全發(fā)揮自身承載力。當(dāng)樁體間距過大時(shí),可能會(huì)無法滿足坡體抗滑變形要求導(dǎo)致土體滑動(dòng)同時(shí)也容易造成樁頂?shù)膽?yīng)力集中無法正常工作。樁間距設(shè)計(jì)基于樁體成孔僅側(cè)向擠壓及土體擠密僅有孔隙變化這兩個(gè)基本假設(shè)。樁距計(jì)算公式為

(1)

式中:S為樁距;d為樁寬;fpk為承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fsk為加固前承載力標(biāo)準(zhǔn)值;fspk為處理后承載力標(biāo)準(zhǔn)值。

根據(jù)式(1)當(dāng)d=2.4～3.6m時(shí)樁間距取10m,對(duì)應(yīng)抗滑樁布置形式見圖3。

圖3 抗滑樁布置形式(單位:cm)

1.2.3 模型試驗(yàn)設(shè)計(jì)與制作

按照1∶100的縮尺,設(shè)計(jì)模型長寬高分別為230、50、90cm,見圖4,整體物理模型見圖5。為更好地體現(xiàn)試驗(yàn)效果,模型中滑體采用西南地區(qū)本地黏土為主要材料,以每5cm為一層分層填筑,按照工程實(shí)際工況滑床壓實(shí)度設(shè)計(jì)為96%～98%,滑體壓實(shí)度設(shè)計(jì)為90%～93%。選用與實(shí)際工程相同含水率18.2%,通過直剪試驗(yàn)測得滑體黏聚力c=30 kPa,內(nèi)摩擦角φ=23°?；膊捎玫[石、碎石、黏土以及少量石灰混合而成,再經(jīng)過分層重壓盡量減少沉降,通過直剪試驗(yàn)測得c=40 kPa,φ=26°。采用雙層塑料薄膜內(nèi)填充滑石粉來模擬主滑帶,利用傳遞系數(shù)法反算得出c=16 kPa,φ=7°。

圖4 滑坡-隧道模型示意(單位:cm)

圖5 滑坡-隧道模型試驗(yàn)實(shí)物(單位:cm)

在滑床鋪設(shè)完成后,按照工程原型位置等比例先埋設(shè)抗滑樁體,并深入模型滑床體內(nèi)12 cm視作錨固段,在抗滑樁施工完畢后再安置隧道。抗滑樁模型高為3.5 cm,寬為2.5 cm,長為36 cm,隧道模型高為13.5 cm,長為50 cm。采用1.0 cm間距的鋼絲網(wǎng)編制成主體骨架,再用PVC模具夾合,內(nèi)部空隙灌注水漿比為1∶2的模型石膏漿液,放置3 d,待完全硬化后脫模,測得材料參數(shù)γ=22 kN/m3、E=0.286 GPa、μ=0.22。

試驗(yàn)?zāi)Ｐ筒壑?樁體布置按照工程實(shí)例一致,在近山側(cè)隧道長50 cm范圍內(nèi)布置4根抗滑樁,樁間距為10 cm。為消除邊界效應(yīng),抗滑樁距離模型槽均為10 cm,且模型槽觀察側(cè)采用鋼化玻璃,另一側(cè)采用木板上覆蓋薄膜措施以減少兩側(cè)摩擦。

模型試驗(yàn)采用滑帶角度0°、10°、20°、30°、40°、50°研究樁-隧體系受力特征。當(dāng)一組試驗(yàn)完成后,重新調(diào)整模型進(jìn)行下一組試驗(yàn)。

1.2.4 測點(diǎn)布置

為保證試驗(yàn)數(shù)據(jù)的可靠性,在隧道截面周圍分別布置內(nèi)外24個(gè)應(yīng)變片測點(diǎn)及9個(gè)土壓力盒測點(diǎn)。在抗滑樁樁身周側(cè)也布置應(yīng)變片測點(diǎn),應(yīng)變片第一測點(diǎn)及最后一個(gè)測點(diǎn)分別距離樁頂、樁底2 cm,其他各測點(diǎn)之間相距4 cm,在滑面接觸位置加密布置2個(gè)測點(diǎn)共12個(gè)測點(diǎn),樁體靠近滑坡側(cè)(樁前)與背離側(cè)(樁后)均相同布置;在樁體前后側(cè)布置應(yīng)變片空隙處各布置5個(gè)土壓力盒測點(diǎn),其中兩個(gè)為備份參考,見圖6。在滑坡體上部、抗滑樁中間樁位以及滑體下部均布設(shè)1位移計(jì),測量加載過程中三者水平位移。

圖6 測點(diǎn)布置(單位:cm)

1.2.5 加載方案

試驗(yàn)采用10 t液壓千斤頂進(jìn)行加載[1,3],其加載過程中能最大限度破壞滑坡體,這樣可以充分驗(yàn)證抗滑樁對(duì)隧道的支護(hù)效果,假定滑坡所受推力為矩形分布均布荷載。在滑體與千斤頂之間放置一塊能完全抵住滑坡體的矩形鋼板,使千斤頂集中荷載轉(zhuǎn)化為矩形均布荷載,由滑體后側(cè)進(jìn)行加載,具體加載布置見圖7。本次試驗(yàn)按滑帶滑帶角度0°、10°、20°、30°、40°、50°共分為6組,分級(jí)加載模式見表2,每次加載步長5 kN。荷載P由0 kN時(shí)加載至5 kN加載時(shí)間15 min,完成后維持20 min,依此保證滑體與加載裝置間完全貼合。后續(xù)隨著施加荷載逐步增大,加載時(shí)間及維持時(shí)間也相應(yīng)增加。最后加載至35 kN時(shí)維持荷載直至滑坡模型失效。此時(shí),監(jiān)測上部滑體位移裝置已失效,樁體產(chǎn)生較大位移,且滑體沿著滑帶沿著隧道頂部剪出。

圖7 滑坡加載示意(單位:cm)

表2 模型試驗(yàn)加載方案

2 模型試驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 模型試驗(yàn)破壞特征

模型破壞示意見圖8,加載前見圖8(a),樁體間距10 cm,坡體與樁頂處各有一位移計(jì)。預(yù)加荷載時(shí)(0～5 kN),滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°時(shí)隧道與樁體模型均無明顯變化。隨著荷載逐步增大,樁頂后側(cè)與滑體逐漸分離,滑體上部出現(xiàn)細(xì)微裂縫,見圖8(b)?；瑤Ы嵌葹?°、10°、20°、30°、40°、50°時(shí)滑體所產(chǎn)生第一條貫穿橫裂縫,所加荷載分別為15、17、18、21、23、26 kN?；瑤Ы嵌葹?°、10°、20°、30°時(shí)在荷載值為23、27、29、32 kN時(shí)樁體與上部滑體分離形成如圖8(b)所示的脫空區(qū)[27]。而滑帶角度為40°、50°時(shí)未出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。在滑帶角度為0°、10°、20°、30°并樁體與滑體之間形成脫空區(qū)時(shí),下部隧道也出現(xiàn)微小位移。當(dāng)加載結(jié)束,即P=35 kN,滑帶角度為0°、10°、20°、30°時(shí)樁體與滑體之間形成脫空區(qū)寬度分別為6、4、2、1 cm,深度分別為15、11、8、4 cm。綜上可知對(duì)于6種不同滑帶角度作用下,樁體與上部滑體出現(xiàn)大小不一的橫向裂縫及脫空區(qū)。隨著滑帶角度的逐漸增加,裂縫大小及脫空區(qū)深度和寬度逐漸減小,當(dāng)滑帶角度為40°、50°時(shí),樁體后側(cè)與滑體幾乎不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象。

圖8 模型破壞示意(10°滑帶)(單位:cm)

隨著荷載增大,6種不同滑帶角度作用下隧道上部覆蓋土體也逐漸出現(xiàn)不同程度裂縫,并且逐漸加寬變深。當(dāng)加載結(jié)束后,滑帶角度為0°、10°、20°時(shí)隧道處滑坡土體變化最明顯。上部土體沿著滑帶處由隧道頂部剪出破壞,如圖8(c)所示,隧道分別出現(xiàn)5、3、1 mm位移。表明,不同滑帶角度對(duì)隧道剪出破壞程度不一致,由大至小所對(duì)應(yīng)滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°。

通過觀察側(cè)發(fā)現(xiàn),6種不同滑帶角度作用下抗滑樁在滑面附近僅出現(xiàn)微微前傾現(xiàn)象,并未產(chǎn)生較大變形破壞。但滑帶角度不同,抗滑樁樁身前傾程度也不相同,由大至小所對(duì)應(yīng)滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°。表明,滑帶角度越大樁體所分配滑坡推力越小。

2.2 位移分布規(guī)律對(duì)比分析

在6種不同滑帶角度的滑坡作用下模型坡體位移與樁頂水平位移隨時(shí)間的變化曲線見圖9、圖10。由圖9、圖10可知:

圖9 不同滑帶角度下坡體位移

圖10 不同滑帶角度下樁頂位移

1)6種不同滑帶角度對(duì)應(yīng)的樁頂位移及滑坡體位移由大至小所對(duì)應(yīng)的滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°。

2)在滑帶角度為0°、10°、20°時(shí),坡體位移以及抗滑樁樁頂水平位移明顯大于滑帶角度為40°、50°時(shí)。結(jié)束加載后不同滑帶角度作用下坡體最大水平位移為128 mm,出現(xiàn)在滑帶角度為0°,最小水平位移為30 mm,出現(xiàn)在滑帶角度為50°,降幅約為76.5%。同時(shí),樁頂位移與滑坡體位移呈現(xiàn)相似趨勢(shì),在滑帶角度為0°時(shí)出現(xiàn)最大位移值為11.9 mm,50°時(shí)出現(xiàn)最小位移值為2.0 mm,降幅約為83.1%。

3)滑帶角度為0°、10°、20°時(shí),滑坡體水平位移及樁頂水平位移隨著加載時(shí)間的增加而出現(xiàn)急劇增長趨勢(shì);在加載時(shí)間0～100 min(對(duì)應(yīng)荷載0～15 kN)時(shí),這3種滑帶角度的位移整體趨勢(shì)呈現(xiàn)平緩增加趨勢(shì),在100～250 min(對(duì)應(yīng)荷載15～30 kN)時(shí),滑坡位移速率增快,坡體出現(xiàn)較深縱向裂縫。在250～350 min(對(duì)應(yīng)荷載30～35 kN),此時(shí)坡體變形速率降低已出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。對(duì)應(yīng)加載過程中坡體的發(fā)展變化,將滑坡破壞演化分為勻速、加速、破壞變形三個(gè)階段,此時(shí)隧道樁體也呈現(xiàn)相似變化,見圖9、圖10。

4)在荷載不斷增加過程中隧道結(jié)構(gòu)也產(chǎn)生了一定位移,當(dāng)滑帶角度為0°時(shí)產(chǎn)生5 mm左右位移,當(dāng)滑帶角度為40°、50°時(shí)隧道相對(duì)于原始位置幾乎未產(chǎn)生位移?？芍?dāng)滑帶角度逐漸加大的過程中,隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形逐漸減少。

5)在滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°時(shí),樁頂水平位移的變化幅度較大,表明滑坡角度的改變對(duì)抗滑樁的受力影響較大,對(duì)抗滑樁所保護(hù)的隧道也有較大的影響,因此研究不同滑帶角度下抗滑樁與隧道襯砌結(jié)構(gòu)非線性受力特征為實(shí)際工程滑坡治理有較大的借鑒意義。

綜上,當(dāng)滑帶角度為0°、10°、20°時(shí),其對(duì)坡體水平位移和樁頂、隧道位移影響遠(yuǎn)大于滑帶角度為30°、40°、50°時(shí)。這表明在進(jìn)行隧道-滑坡體系治理時(shí)應(yīng)當(dāng)依照其實(shí)際勘察所得滑帶角度制定合適方案。

2.3 土壓力分布特征

在試驗(yàn)中測得樁體前后側(cè)及隧道襯砌結(jié)構(gòu)土壓力為

P=Kε

(1)

式中:P為土壓力;K為土壓力盒率定系數(shù);ε為測得土壓力盒應(yīng)變。

圖11、圖12為施加荷載為35kN時(shí)6種不同滑帶角度作用下,抗滑樁體及隧道受力體系所受土壓力分布示意。可以看出不同滑帶角度作用下樁體在滑面附近土壓力均趨近于0。且隨著滑帶角度的增大,樁體土壓力由302.9kPa減小至78.3kPa(減少約74%),隧道左側(cè)拱土壓力由83.4 kPa減小至20.3 kPa(減少約75.5%),抗滑樁體及隧道受力體系均同步減少。由于隧道與樁體形成同一受力體系,樁前滑體滑移受到二者共同限制,導(dǎo)致樁頂自由端受到二者共同擠壓,出現(xiàn)滑面上部與隧道相互作用區(qū)域樁體土壓力增大現(xiàn)象,樁前滑體抗力呈倒三角形分布。同時(shí),當(dāng)滑帶角度大于30°時(shí),隧道拱腳處與底拱處土壓力分擔(dān)量逐步加大,左側(cè)隧道襯砌與拱腳處土壓力承擔(dān)比值趨近于1。這表明,隨著滑帶角度加大,滑坡體荷載形式由水平荷載分布逐步演化成以豎向荷載分布為主。實(shí)際工程中當(dāng)滑帶角度大于30°應(yīng)當(dāng)注意隧道襯砌結(jié)構(gòu)豎向支護(hù)。

圖11 不同滑帶角度下抗滑樁在不同荷載下的土壓力分布(單位:Pa)

圖12 不同滑帶角度下隧道在不同荷載下的土壓力分布(單位:Pa)

2.4 樁身與隧道彎矩分布規(guī)律分析

試驗(yàn)中將樁體前后側(cè),隧道內(nèi)外兩側(cè)均粘貼應(yīng)變片,由彎曲理論可知,隧道彎矩Mt為抗滑樁彎矩為

(2)

式中:r隧道內(nèi)徑;R隧道外徑;E為隧道襯砌彈性模量;ξ為應(yīng)變片測量值。

抗滑樁彎矩為

Mp=EI(ε1-ε2)/2h

(3)

式中:Mp為測點(diǎn)處的截面彎矩;EI為樁的抗彎剛度;ε1、ε2分別為測點(diǎn)樁前樁后應(yīng)變;h為抗滑樁截面高度。

利用最小二乘法對(duì)彎矩計(jì)算數(shù)據(jù)進(jìn)行二次深度擬合,得到彎矩函數(shù)[31]為

(4)

式中:a0、a1、…、an分為擬合待定系數(shù)。

經(jīng)過試算,對(duì)各種不同滑帶角度樁體彎矩采用雙參擬合(n=2)可得最優(yōu)解,即

(5)

圖13、圖14為擬合后樁體與隧道彎矩分布。

圖13 不同滑帶角度抗滑樁在不同荷載下的彎矩分布

圖14 不同滑帶角度隧道襯砌結(jié)構(gòu)在不同荷載下的彎矩分布(單位:N·m)

圖13、圖14表明,在6種不同滑帶角度作用下樁身彎矩與隧道襯砌結(jié)構(gòu)彎矩分布規(guī)律趨于一致(隧道彎矩以受壓為負(fù),受拉為正,即內(nèi)側(cè)彎矩為負(fù),外側(cè)為正):①樁身彎矩值分布均呈現(xiàn)出S形非線性受力特征,在滑面附近均出現(xiàn)彎矩值為0的交點(diǎn),且在不同等級(jí)荷載作用下反彎點(diǎn)均出現(xiàn)在樁身20～22cm范圍;②隧道隨著滑帶角度逐漸增大,在靠近滑體側(cè)拱彎矩值均逐漸減小,而靠近滑體側(cè)拱腳處彎矩分布占比卻逐漸加大;③樁體在滑面上部(抗滑段)所受彎矩絕對(duì)值大于滑面下部彎矩絕對(duì)值,隧道靠近樁體側(cè)側(cè)拱彎矩也大于遠(yuǎn)離側(cè)彎矩值;④在滑面上側(cè)及隧道兩側(cè)均出現(xiàn)彎矩負(fù)值,表明在抗滑段均承受拉應(yīng)力;⑤不同滑帶的作用下,加載過程中,樁-隧體系所受彎矩呈現(xiàn)出非線性變化,樁體彎矩主要集中在滑面以上抗滑段,隧道主要出現(xiàn)在靠近樁體一側(cè)的隧道拱側(cè)處。上述現(xiàn)象表明,不同滑帶角度作用下抗滑樁體與隧道之間形成同一受力體系,兩者間協(xié)同作用、變形協(xié)調(diào)。

不同滑帶角度作用下的區(qū)別在于:①最大彎矩值由大至小所對(duì)應(yīng)滑帶角度分別為0°、10°、20°、30°、40°、50°;滑帶角度由0°增大至20°時(shí),抗滑樁與隧道彎矩值均產(chǎn)生了大幅降低,降幅約為37.9%(滑帶角度變化0°～20°),但是彎矩變化值降低幅度明顯小于滑帶角度由30°增大至50°時(shí)的變化,降幅約為66.5%。這表明,滑帶角度由0°增大至20°時(shí)抗滑樁體與隧道受力體系所承受荷載遠(yuǎn)大于滑帶角度由30°增大至50°時(shí)所承受荷載。②滑帶角度為0°、10°、20°、30°時(shí),樁身受荷P≤15 kN時(shí),彎矩值增長呈現(xiàn)出勻速且緩慢的增長趨勢(shì)。當(dāng)15 kN≤P≤25 kN時(shí)樁身彎矩值呈現(xiàn)出急劇增大趨勢(shì),當(dāng)P≥25 kN時(shí),彎矩增長率顯著降低,與2.2節(jié)坡體破壞三階段(勻速、加速、破壞)宏觀相似,證明所得到的模型破壞形態(tài)與結(jié)構(gòu)內(nèi)力變化吻合。而滑帶角度為40°、50°時(shí)樁體彎矩變化并未出現(xiàn)此現(xiàn)象,與上述觀察到的“滑帶角度40°、50°時(shí),樁體后側(cè)與滑體幾乎不會(huì)出現(xiàn)脫空現(xiàn)象”相吻合,在P≥30 kN時(shí)樁體彎矩值依舊在緩慢增長。③當(dāng)滑帶角度0°、10°、20°、30°時(shí),隧道近樁側(cè)拱腳處彎矩與隧道最大彎矩比值均小于1,而滑帶角度為40°、50°時(shí)拱腳處彎矩與隧道最大彎矩比值大于1。表明在滑帶角度為40°、50°時(shí),隧道受力更多的是來源于上部荷載壓力而非是水平滑體的推力,且隨著滑帶角度增加,水平滑坡所施加的水平推力逐漸減小。

綜上所述,滑帶角度在0°、10°、20°、30°時(shí),樁體與隧道結(jié)構(gòu)所受到的滑坡水平推力遠(yuǎn)大于滑帶角度為40°、50°時(shí)?；瑤Ы嵌仍黾拥?0°、50°時(shí),水平滑坡推力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響將小于滑坡豎向荷載對(duì)隧道的作用。此時(shí),抗滑對(duì)隧道支護(hù)效果衰減較為顯著。

由模型試驗(yàn)破壞特征、位移分布規(guī)律與樁體隧道受力特征分析表明,當(dāng)滑帶角度逐漸增大(由0°至50°)時(shí),抗滑樁體與隧道所受水平推力逐漸減少,隧道襯砌結(jié)構(gòu)在拱腳處所受荷載相較襯砌整體受力比重加大。在滑帶角度為0°、10°、20°、30°時(shí),滑坡水平推力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響較大,在滑帶角度為40°、50°時(shí)滑坡水平推力影響顯著衰減。因此,在隧道-滑坡體系中設(shè)計(jì)抗滑樁支護(hù)時(shí),應(yīng)當(dāng)考慮實(shí)際工程中滑帶角度值進(jìn)行設(shè)計(jì)。當(dāng)滑帶角度大于40°時(shí),可采用小直徑或大樁距的抗滑樁體進(jìn)行支護(hù);同時(shí),對(duì)隧道豎向襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮支護(hù),對(duì)拱腳部位加固。當(dāng)滑帶角度小于30°,應(yīng)仔細(xì)盡量選擇大直徑樁體或小間距抗滑樁。

3 數(shù)值模擬結(jié)果分析

3.1 模型參數(shù)選擇建立

以南坪隧道為原型,采用有限元手段模擬滑帶變化對(duì)樁-隧體系結(jié)構(gòu)受力特征影響,數(shù)值模擬中所用模型參數(shù)見表3。分別采用6種滑帶角度條件進(jìn)行模擬分析,分析模型見圖15。

圖15 滑帶與隧道不同角度數(shù)值模擬模型(單位:m)

表3 模型試驗(yàn)材料力學(xué)參數(shù)

模擬中設(shè)置了樁與土、隧道結(jié)構(gòu)與土之間的接觸單元,材料參數(shù)中樁接觸單位極限剪切力為0.99 N/m,法向剛度系數(shù)為0.99 kN;樁土以及隧道接觸單元主應(yīng)力剛度模量為2.45 MPa,剪切剛度模量為0.245 MPa,摩擦角為36°。

3.2 不同滑帶角度滑坡作用下樁體隧道受力分析

當(dāng)滑帶角度為10°時(shí),樁體及隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形位移云圖(其他滑帶角度下規(guī)律相似)見圖16。當(dāng)滑帶角度為0°時(shí),樁頂水平位移最大約為1 248.3 mm,隧道變形約為73.7 mm,滑帶角度為10°時(shí),樁頂水平位移約為835.4 mm,隧道變形約為53.8 mm,當(dāng)滑帶角度為50°時(shí),樁頂水平位移最大約為156 mm,隧道變形約為6.7 mm。樁體最大變形位置出現(xiàn)在滑面上部自由端,隧道最大變形位置出現(xiàn)在靠近山體側(cè)左拱?？梢钥闯鲎畲笞冃挝恢镁l(fā)生在隧道靠山側(cè)與抗滑樁頂端處,同時(shí),隨著滑帶角度的增大,隧道襯砌結(jié)構(gòu)變形逐漸減小,這與模型試驗(yàn)得出的位移規(guī)律相吻合,僅在變形量數(shù)值上略有差別。并且隧道襯砌結(jié)構(gòu)最不利位置由于有抗滑樁保護(hù)基本不會(huì)產(chǎn)生較大位移變形。

圖16 數(shù)值模擬滑帶角度10°時(shí)樁身、隧道位移變形云圖(單位:m)

數(shù)值模擬所得不同樁間距下樁體與隧道襯砌結(jié)構(gòu)所受彎矩作用見圖17、圖18。與模型試驗(yàn)所得規(guī)律基本一致,樁身最大彎矩出現(xiàn)在滑面上方部位,反彎點(diǎn)出現(xiàn)在滑面位置,整體彎矩呈現(xiàn)出S形分布。隧道最大彎矩值分布在靠山側(cè)的拱腳處,整體彎矩依舊呈現(xiàn)出隧道兩側(cè)側(cè)拱受壓出現(xiàn)負(fù)彎矩值,仰拱與拱腳受拉出現(xiàn)彎矩正值?；瑤Ы嵌葹?°時(shí)樁身與隧道所受彎矩最大分別為44 921、17 597 kN·m?；瑤Ы嵌葹?0°時(shí)樁身與隧道所受彎矩最大分別為11 182、4 928 kN·m。與模型試驗(yàn)規(guī)律相吻合,隨著滑帶角度的增大,樁體與隧道襯砌受力結(jié)構(gòu)所受彎矩逐漸減小。

圖17 數(shù)值模擬樁身彎矩示意

圖18 數(shù)值模擬隧道襯砌彎矩示意

綜上所述,利用數(shù)值模擬對(duì)不同滑帶角度情況下樁體與隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形進(jìn)行分析,結(jié)果可以看出,當(dāng)滑帶角度逐漸加大(由0°增加至50°)的過程當(dāng)中,隧道與樁體整體受力變形在逐漸減少,并且在不同滑帶角度作用下樁體對(duì)于隧道襯砌防護(hù)效果有較大差距,當(dāng)滑帶角度增大至40°～50°時(shí),隧道襯砌結(jié)構(gòu)主要受力由左側(cè)拱轉(zhuǎn)移至拱頂與拱腳處,樁體受力最大值點(diǎn)也稍有上移?；瑤Ы嵌扔?°增加至50°時(shí),樁體受力降低約75.1%,隧道襯砌受力降低約72%,兩者下降比例相近。在此過程中,隧道拱腳受力與左側(cè)拱受力比卻逐漸由37%增加至115%,表明隨著滑帶角度增加,隧道受力方式逐漸由水平向荷載轉(zhuǎn)變?yōu)樨Q向荷載,與模型試驗(yàn)所得結(jié)論“當(dāng)滑帶角度增加到40°、50°時(shí)水平滑坡推力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響將小于滑坡豎向荷載對(duì)隧道的作用”吻合。

3.3 數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)樁體隧道彎矩對(duì)比

數(shù)值模擬是按照工程斷面實(shí)際尺寸進(jìn)行的穩(wěn)定性以及受力模擬,室內(nèi)模型試驗(yàn)由于條件限制進(jìn)行的是1∶100縮尺試驗(yàn),因此在數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)樁體以及隧道彎矩對(duì)比時(shí),將實(shí)際數(shù)值模擬按照測點(diǎn)布置將所得彎矩值導(dǎo)出縮小1/100 000進(jìn)行處理,結(jié)果見圖19、圖20。

圖19 樁體數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)彎矩對(duì)比

圖20 隧道數(shù)值模擬與模型試驗(yàn)彎矩對(duì)比(單位:N·m)

由圖19、圖20可知,整體樁體與隧道受力趨勢(shì)基本保持一致,隨著滑帶角度增大樁身與隧道結(jié)構(gòu)所承受彎矩值也逐漸降低。在數(shù)值模擬所得結(jié)果相比較模型試驗(yàn)值普遍較大,其主要原因是在數(shù)值模擬中可以達(dá)到理想的極限破壞狀態(tài)而室內(nèi)試驗(yàn)由于條件限制較難完成。

綜上,可以看出在無論是通過手段還是試驗(yàn)方法對(duì)于不同樁間距情況下隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力變形分析,都可以得出一致的結(jié)論,當(dāng)滑帶角度增大(由0°增加至50°)的過程當(dāng)中,隧道與樁體整體受力變形也在逐漸降低,也可看出隧道拱腳處受力占比逐漸增大。這表明,無論是模型試驗(yàn)抑或者數(shù)值模擬所得結(jié)果均一致。

4 結(jié)論

以大準(zhǔn)鐵路南坪隧道為例,利用室內(nèi)模型試驗(yàn)與數(shù)值模擬手段相結(jié)合的方式,對(duì)不同滑帶角度作用下樁體與隧道襯砌受力體系非線性受力特征進(jìn)行相關(guān)研究,得到如下結(jié)論:

1)加載過程中隨著滑帶角度增加,樁體與滑坡體之間形成的脫空區(qū)(由滑帶0°時(shí)的6 cm降低至50°時(shí)0 cm)逐漸減少,樁身與隧道結(jié)構(gòu)受力逐漸降低。

2)在同荷載下,樁-隧結(jié)構(gòu)位移、土壓力、彎矩均隨著滑帶角度增大而減小,由0°增大至50°時(shí)樁身彎矩降低約66·6%左右,隧道彎矩降低74%左右。且滑帶角度由30°增大至50°時(shí)的降低約42%,滑帶角度由0°增大至20°時(shí)彎矩降低約22%,滑帶角度由30°增大至50°時(shí)的降低幅度約為滑帶角度由0°增大至20°時(shí)彎矩降低幅度的2倍。

3)通過試驗(yàn)分析與數(shù)值模擬對(duì)比發(fā)現(xiàn):隨著滑帶角度增大,抗滑樁體與隧道所受水平推力逐漸減少,隧道襯砌結(jié)構(gòu)拱腳、拱頂處所受豎向荷載比值加大。在滑帶角度為0°、10°、20°、30°時(shí),隧道側(cè)拱所受水平最大推力與隧道拱頂所受豎向荷載比值由4.15降低至2.38,在滑帶角度為40°、50°時(shí)該比值降低至1.4左右?？煽闯鲈诨瑤Ы嵌刃∮?0°,滑坡水平推力對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)影響較大,在滑帶角度為40°、50°滑坡水平推力影響顯著衰減,豎向荷載占比加大。

4)在隧道-滑坡體系設(shè)計(jì)支護(hù)時(shí),為了實(shí)際工程經(jīng)濟(jì)利益考慮,若遇到的滑帶角度小于30°,應(yīng)當(dāng)主要考慮滑坡水平推力對(duì)隧道結(jié)構(gòu)的影響,可設(shè)置直徑較大或樁間距較小的抗滑樁對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)滑帶角度大于30°時(shí),應(yīng)當(dāng)主要考慮由滑坡體所產(chǎn)生的豎向荷載對(duì)隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響,此時(shí)應(yīng)當(dāng)對(duì)隧道仰拱及靠近坡體處拱腳位置重點(diǎn)加固,選用抗滑樁時(shí)可采用小直徑或大間距以此來提升工程經(jīng)濟(jì)效益。