基于多次凍融循環的懸臂式抗滑樁受力特性研究

摘 要：滑坡是目前發生頻率最高、危害很嚴重的地質災害之一。抗滑樁是滑坡治理最常見的工程措施之一，它能夠起到很好的阻滑作用。凍融多出現在北方寒冷地區，往往會對許多工程結構帶來一定的破壞。處于寒冷地區的抗滑樁結構常因發生凍融循環作用而使結構性能退化，嚴重影響結構的長期使用和安全運行。針對凍融對抗滑樁結構破壞問題，以大前石嶺隧道進口滑坡工程為例，重點探討了不同凍融循環次數下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況，得出抗滑樁的樁身強度和位移均受凍融循環次數的影響較大的結論，為凍融環循環條件下抗滑樁的設計提供理論支持。

關鍵詞：凍融循環;滑坡治理;抗滑樁;數值模擬;有限差分

中圖分類號：TB 文獻標識碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.109

凍融是一種頻發的自然現象，其發生條件包括正負溫差與吸水飽和，會對許多混凝土工程結構帶來不可逆轉的破壞。目前，大多數研究是通過混凝土的快速凍融實驗和暴露實驗，研究混凝土抵抗凍融循環破壞的能力和凍融對混凝土材料的微觀破壞影響。2013年，張澤等研究了凍融循環作用下土體結構演化規律及其工程性質改變機理。同年，Wu Q L等探討了水分含量對高寒地區路基凍融性能的影響。2014年，Omran H Y和El-Hacha R研究了凍融循環暴露對彎曲加固鋼筋混凝土梁彎曲行為的影響。同年，Wang Z D等研究了凍融循環負荷下混凝土內部相對濕度及其變質的演變過程。2015年，葛文杰等對混凝土梁試件進行了不同次數的凍融循環，研究了預應力鋼筋混凝土結構的耐久性。同年，Xu H N等采用了X射線斷層掃描技術對三種瀝青混合料進行掃描，以確定凍融周期內瀝青混合料的內部結構演化。2016年，Cheng Y C等研究了裂縫、凍融循環和碳酸化對鋼筋混凝土的力學性能和耐久性的影響。同年，Jamshidi J R等以塑料和壓實土-水泥混合物為樣本，研究了在凍融環境對水泥砂漿性能和結構的影響。2017年，Ma Z M等進行了凍融循環、抗壓強度和斷裂性能試驗，研究凍融損傷對混凝土斷裂行為的影響。同年，Rosa M G等比較了不同地質材料的抗凍融性能，研究了粉煤灰的類型及含量對穩定土工材料的抗凍融性能的影響。

目前，針對凍融對抗滑樁結構破壞的研究少之又少，且絕大多數模擬軟件缺乏直接對混凝土結構在凍融條件下進行數值模擬的能力。基于此，本文依托大前石嶺隧道進口滑坡工程，重點探討不同凍融循環次數下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況。

1 數值模擬模型設計

1.1 模型參數選擇

為了便于計算，本文采用Ottosen屈服準則的彈塑性本構模型，探討凍融循環次數對抗滑樁力學性能的影響。由施士升的實驗理論可知，當混凝土凍融循環的次數發生改變時，混凝土的彈性模量和泊松比會發生改變，并可通過公式1和公式2分別對其進行折減。其中參數a、b、p、q可通過表1擬合得出。

根據已得到的參數a、b、p、q，可反算得出凍融循環30次、60次、90次后的混凝土彈性模量及泊松比。本文旨在分析凍融循環30次、60次、90次的應力與位移變化，所需滑坡體與穩定基巖的物理力學參數如表2、表3和表4所示。

1.2 計算模型

由于實體滑坡體積過大，本文采用FLAC3D軟件對模型進行處理，截取滑坡前緣部分進行計算，再對實體模型進行網格劃分。因此，必須先確定滑坡整體模型的尺寸范圍、邊界條件以及網格劃分類型。

1.2.1 模型尺寸

綜合考慮邊界對計算結果的影響，本文的計算模型選取范圍為樁前20m，樁后37.5m，地面以下延伸至地下30m。模型的總體尺寸為：長×寬×高=60.0m×21.6m×54.0m，對稱布置。模型整體分為以下三個部分：第一，穩定基巖模型：由六面體單元和四面體單元構成，單元最小尺寸為0.5m。第二，滑坡模型：由六面體單元構成，單元最小尺寸為1m。第三，抗滑樁模型：由六面體單元構成，最小尺寸為0.5m，最大尺寸為1m，如圖1所示。整個模型的邊界三維坐標區間為X=（0，60），Y=（-10.8，10.8），Z=（0，54）。其中，抗滑樁的邊界三維坐標區間為：X=（20，22.5），Y=（-10.8，10.8），Z=（22，40）。

1.2.2 網格及邊界條件

模型采用添加外荷載的形式改變其靜力平衡，所以抗滑樁采用靜力計算。因為本文主要研究抗滑樁在凍融條件下的變形情況，因此固定Z=0的平面，同時限制X軸與Y軸的位移。在確定計算范圍的基礎上，為使模型更接近于真實狀態，我們指定采用位移條件來約束模型的變形，假定邊界條件如下：約束滑坡整體模型底面Z方向的位移;兩側面施加X方向位移約束;前后面施加Y方向的位移約束，其他邊界采用自由邊界。

1.2.3 網格劃分及接觸面

為了體現建模真實性而對模型細部構造細化，加上模型本身尺寸較大，直接導致滑坡整體網格劃分量加大。經過不斷調整劃分精度、最小網格尺寸和接觸面形式，最終對滑坡整體模型實體單元網格劃分后，得到單元體27360個，節點31002個。同時抗滑樁與巖土體之間設置無厚度的接觸面單元，對邊界條件進行約束。本文設置的接觸面共28個，接觸面示意圖如圖2所示。

1.3 凍融循環次數確定

由抗滑樁的設計規范可知，其設計使用年限一般為50年。根據施氏實驗，取12h為一個凍融周期，試件的凍融幅度為+10℃至-30℃。但在自然狀態下，很難在幾天的時間內出現如此劇烈的溫度變化。綜合考慮混凝土的抗凍等級、抗滑樁的設計使用年限及當地溫度變化，恒仁市一年中凍融循環次數為6次。

由此可知，恒仁市5年內的凍融循環次數約為30次，10年內的凍融循環次數為60次，15年內的凍融循環次數為90次。本文所取凍融循環30次、60次和90次三種情況，分別模擬5年、10年和15年后抗滑樁的形變及位移情況。

2 實驗結果及分析

2.1 應力的比較與分析

為了研究混凝土抗滑樁在凍融條件與常溫下的受力與位移特性，分別考慮抗滑樁經歷30次、60次和90次凍融循環下的模型受力與變形。

由圖3可知，當凍融循環為30次時，最大主應力大都集中在抗滑樁樁身中部與地面交界的位置。60次時，最大主應力分布與30次下大致相同，但在樁身中部出現最大主應力增加的情況。在凍融循環90次作用下，最大主應力分布與前兩種情況大致相同，同時在樁身相同位置出現了最大主應力增加的情況。

2.2 變形的比較與分析

由圖4可知，滑坡整體在凍融循環30次和60次時會出現沉降。當凍融循環為30次時，滑坡沉降主要出現在樁間土的位置。60次時，主要沉降狀態與30次時保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時，主要沉降狀態與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大沉降量相對于60次時有所增長。

由圖5可知，滑坡整體在凍融循環30次和60次時會出現水平位移。當凍融循環為30次時，滑坡水平位移主要出現在樁間土位置。60次時，主要水平位移狀態與30次時保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時，主要水平位移狀態與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大水平位移相對于60次時有所增長。

3 結論

（1）凍融循環次數的增加對集中在抗滑樁樁身中部位置的最大主應力有增強的效果，且凍融循環次數的增加對抗滑樁樁底位置Z向應力有增加的趨勢。即：抗滑樁的樁身強度隨凍融循環次數的增加而減小。

（2）凍融循環次數的增加對滑坡整體豎向位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會隨凍融次數增加沉降越大;凍融循環次數的增加對滑坡整體水平位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會隨凍融次數增加水平位移越大。即：抗滑樁的樁身位移隨凍融循環次數的增加而逐漸增大。

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