不同地層和滑坡推力分布對(duì)微型樁受力影響分析

黃林，江南，馮君，張俞峰，何長(zhǎng)江

不同地層和滑坡推力分布對(duì)微型樁受力影響分析

黃林，江南，馮君，張俞峰，何長(zhǎng)江

(西南交通大學(xué) 土木工程學(xué)院，四川 成都 610031)

針對(duì)“八”字形頂板連接微型樁組合結(jié)構(gòu)，采用有限元方法研究不同地層組合條件下微型樁組合支護(hù)體系加固分級(jí)開(kāi)挖邊坡的地震動(dòng)力特性。研究結(jié)果表明：最不利情況下，靜力開(kāi)挖作用與地震作用微型樁組合結(jié)構(gòu)的變形方式均呈現(xiàn)出整體向山體外側(cè)彎曲的趨勢(shì)，且地震作用下微型樁軸力值較大；滑床巖體性質(zhì)越好，微型樁所受軸力越小；在滑坡推力作用下，微型樁軸力極值基本都出現(xiàn)在靠山體側(cè)微型樁上，實(shí)際工程中可根據(jù)靠山體側(cè)樁受力進(jìn)行設(shè)計(jì)；對(duì)于具有同一地層組合結(jié)構(gòu)的邊坡，不同滑坡推力分布形式下微型樁軸力大小排序?yàn)椋夯峦屏鶆蚍植迹咎菪畏植迹救切畏植肌?/p>

微型樁組合結(jié)構(gòu)；數(shù)值模擬；不同地層組合；地震動(dòng)力特性；滑坡推力分布

微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)是一種新的支擋結(jié)構(gòu)體系，通過(guò)頂板或頂梁以一定距離連接多個(gè)微型樁，用于滑坡治理，邊坡加固和深基坑支護(hù)[1]。由于微型樁其施工速度快同時(shí)具有良好的柔韌性，因此被優(yōu)先用于邊坡工程的抗震搶險(xiǎn)[2]。馮君等[3]將加固邊坡的微型樁作為樁?巖?土復(fù)合結(jié)構(gòu)，利用彈性地基梁理論建立了復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論計(jì)算模型，得到了滑坡推力下樁身受力為矩形分布力的結(jié)論。周德培等[4?6]對(duì)頂板連接的微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)抗滑機(jī)理進(jìn)行模型試驗(yàn)研究，提出了一種新的微型樁抗滑機(jī)理，即：發(fā)揮樁的抗拉強(qiáng)度和樁土間相互作用來(lái)抵抗滑坡推力。Marwan等[7]考慮樁傾角對(duì)地震荷載動(dòng)力響應(yīng)的影響，發(fā)現(xiàn)傾斜微型樁可改善樁應(yīng)力分布。Ahmad等[8]通過(guò)模型試驗(yàn)和有限元分析研究了微型樁?土結(jié)構(gòu)之間的相互作用。結(jié)果表明，斜樁可以減小樁頂位移，增加軸力，但樁頂與樁交接處彎矩會(huì)增大。Reza等[9]通過(guò)有限元分析了傾斜微型樁的動(dòng)力響應(yīng)。WANG等[10]對(duì)微型樁加固基礎(chǔ)進(jìn)行了有限元?jiǎng)恿Ψ治觯⒈容^了土體在靜載荷和地震作用下的位移。杜衍慶等[11]采用數(shù)值模擬方法，比較分析了樁間距、樁間土參數(shù)和樁基強(qiáng)度對(duì)群樁水平承載力的敏感性。李志雨[12]通過(guò)數(shù)值模擬研究，發(fā)現(xiàn)在利用微型樁進(jìn)行滑坡治理時(shí)，其合理樁間距是樁徑的5~10倍，同時(shí)頂板可有效提高微型樁的抗剪強(qiáng)度。鄒立壘[13]通過(guò)數(shù)值模擬對(duì)超載下微群樁進(jìn)行分析。結(jié)果表明，隨著樁長(zhǎng)的增加，樁身彎矩、側(cè)向位移、坡頂水平位移均減小。王一建[14]利用FLAC3D分析了剛性材料、灌漿土和樁長(zhǎng)對(duì)微型樁抗拔性能的影響。蔣楚生等[15]通過(guò)對(duì)微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的理論探討，確定了復(fù)合樁的樁間距，樁前抗力和樁后滑坡推力。牛文慶[16]通過(guò)模型試驗(yàn)和數(shù)值分析研究了“人”形微型樁和平行微型樁在地震作用下的變形特性和內(nèi)力分布特征。上述研究主要集中于微型樁的靜力學(xué)特性，在邊坡加固工程中受水平荷載作用下，對(duì)微型樁地震動(dòng)力特性分析較少，且鮮見(jiàn)關(guān)于不同地層條件下微型樁動(dòng)力特性研究。本文依托廣大線(廣通至大理)擴(kuò)能改造工程，采用有限元軟件Plaxis，分析不同地層組合條件下4級(jí)開(kāi)挖邊坡“八”字型微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的地震動(dòng)力特性以及不同滑坡推力分布形式對(duì)其影響。

1 微型樁組合結(jié)構(gòu)有限元模型

1.1 模型建立

該模型以廣大線DK63+200斷面為依托對(duì)象，包括分為上下部分的2種類(lèi)型地層，如圖1所示。其中微型樁的直徑為150 mm，中間微型樁豎直布置，長(zhǎng)18 m。山體側(cè)和路面?zhèn)鹊奈⑿蜆杜c中間微型樁均成15°角，排列成八字形，分別長(zhǎng)18.64 m。樁內(nèi)加筋體為鋼筋籠，主筋為間隔 120°焊接的 3 根32 mm螺紋鋼。邊坡計(jì)算幾何模型尺寸長(zhǎng)130 m，高68 m。巖土體和微型樁頂板由15節(jié)點(diǎn)高精度三角形實(shí)體單元模擬，錨桿、微型樁等采用結(jié)構(gòu)單元模擬，網(wǎng)格劃分如圖2所示。

圖1 廣大線DK163+200工點(diǎn)斷面圖

圖2 計(jì)算模型示意圖

1.2 邊坡土體及模型參數(shù)

巖土體視為彈塑性材料，服從摩爾庫(kù)倫屈服準(zhǔn)則；微型樁、頂板和錨桿則采用線彈性材料。材料參數(shù)如表1和表2所示。在動(dòng)力學(xué)計(jì)算中，土體和結(jié)構(gòu)的物理阻尼由瑞利阻尼模擬。為研究不同地層組合對(duì)微型樁受力的影響，本次數(shù)值計(jì)算采用的地層組合工況如表3所示。

表1 巖土材料參數(shù)

表2 結(jié)構(gòu)材料參數(shù)

表3 地層組合類(lèi)型

1.3 加載方式及約束條件

本次數(shù)值模擬可分為2種類(lèi)型：靜力和動(dòng)力。在計(jì)算靜力條件時(shí)考慮土體的自重；動(dòng)力計(jì)算中的參考地震波是EL-Centro波，采用單向水平加載，持時(shí)為53.72 s，最大加速度為0.356 9，時(shí)程曲線如圖3所示。在實(shí)際計(jì)算中，EL-Centro波被調(diào)幅處理，使得最大加速度為0.2，換句話說(shuō)，加速度幅值減小但頻率不變。在靜力計(jì)算中，除了頂部自由以外，模型邊界是對(duì)稱(chēng)約束的。在動(dòng)力計(jì)算中，模型的上部是自由的，左邊界和右邊界作為吸收邊界條件減小地震波的反射，底部施加水平地震加速度以模擬地震荷載的影響。

圖3 美國(guó)EL-Centro地震波時(shí)程曲線

2 地震作用下微型樁受力分析

2.1 不同地層組合微型樁內(nèi)力分析

由于微型樁相對(duì)細(xì)長(zhǎng)，樁的穩(wěn)定性主要取決于軸向拉伸或壓縮作用[1]，故本文選擇各階段微型樁樁身軸力進(jìn)行分析。本文分析步驟如下：首先邊坡分級(jí)開(kāi)挖穩(wěn)定后(施工階段)，獲得各微型樁軸力沿樁深的分布；其次是邊坡開(kāi)挖完成后施加地震荷載(運(yùn)營(yíng)階段)，同理可獲取微型樁在地震力作用下的軸力大小和分布；與此同時(shí)，可得到各微型樁樁后土壓力大小和分布。值得注意的是此處軸力是等效單寬軸力(kN/m，受拉為正)。

在地震力作用的過(guò)程中，邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)的內(nèi)力在持續(xù)發(fā)生變化，最不利情況為結(jié)構(gòu)內(nèi)力達(dá)到峰值的時(shí)刻，因此取地震過(guò)程中內(nèi)力峰值出現(xiàn)時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的數(shù)值繪制相關(guān)曲線圖。圖4~6是不同地層組合情況第4級(jí)邊坡開(kāi)挖及地震作用下軸力沿樁身分布情況。

圖4 地層組合1第4級(jí)邊坡開(kāi)挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

圖5 地層組合2第4級(jí)邊坡開(kāi)挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

1) 在靜力作用下，微型樁軸力極值的出現(xiàn)位置與滑體、滑床的巖層性質(zhì)有關(guān)，滑床巖體越軟弱，極值出現(xiàn)位置越深，例如地層組合1(上部W3砂巖，下部W2砂巖)，山體側(cè)樁軸力極值出現(xiàn)在樁深2.5 m附近，而地層組合3(上部軟塑粉質(zhì)黏土，下部硬塑粉質(zhì)黏土)，其極值出現(xiàn)在樁深6 m處。

圖6 地層組合3第4級(jí)邊坡開(kāi)挖及地震作用下軸力沿樁深分布圖

2) 從地層組合1來(lái)看，軸向拉力極值出現(xiàn)在中間樁上；從地層組合2來(lái)看(上部軟塑粉質(zhì)黏土，下部W2基巖)，微型樁軸向拉力極值出現(xiàn)在山體側(cè)樁上；從地層組合3來(lái)看，軸向拉力極值出現(xiàn)在中間樁上。因此，若僅從當(dāng)前計(jì)算結(jié)果來(lái)看，不同巖層情況下，各排微型樁受力大小排序并不一致，似乎沒(méi)有固定規(guī)律可循，但值得指出的是，當(dāng)前計(jì)算巖體采用的本構(gòu)關(guān)系為摩爾庫(kù)倫模型，該本構(gòu)沒(méi)有考慮巖土體的壓硬性(即模量隨應(yīng)力水平的變化)，由此會(huì)高估開(kāi)挖引起的隆起變形，從而導(dǎo)致靠外側(cè)微型樁內(nèi)力變大，這與實(shí)際情況可能不符。地層組合2的巖層下部為較硬的W2基巖，上部為較軟的軟塑粉質(zhì)黏土，相對(duì)于地層組合1和地層組合3而言其計(jì)算結(jié)果受開(kāi)挖隆起變形影響相對(duì)較小，因此更接近于實(shí)際情況，認(rèn)為山體側(cè)樁受力最大，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)該樁的受力來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3) 在地震作用下，微型樁的受力是往復(fù)變化的，最不利的情況仍表現(xiàn)為整體向山坡外彎曲，山體側(cè)樁受拉，路面?zhèn)葮妒軌海逸S力數(shù)值上相對(duì)于靜力開(kāi)挖情況有較大幅度的增加。例如圖4所示，對(duì)于地層組合1，靜力情況下山體側(cè)樁最大軸向拉力為9.1 kN/m，地震作用下增加至46 kN/m，增加了4.0倍；從圖5可知，對(duì)于地層組合2，靜力情況下山體側(cè)樁最大軸向拉力為10 kN/m，地震作用下增加至34 kN/m，增加了2.4倍；從圖6可知，對(duì)于地層組合3，靜力情況下山體側(cè)樁最大軸向拉力為38 kN/m，地震作用下增加至150 kN/m，增加了2.9倍。

(a) 微型樁變形形態(tài)；(b) 微型樁軸向受力

4) 在地震作用下，滑床的地層條件對(duì)微型樁地震反應(yīng)影響較大，滑床巖體性質(zhì)越好微型樁軸力越小，巖體性質(zhì)越差，微型樁軸力越大。對(duì)比圖5和圖6，即地層組合2和地層組合3可知，2種工況滑體相同，滑床不同，地層組合2滑床為W2砂巖，其山體側(cè)微型樁最大軸向拉力為34 kN/m，地層組合3滑床為硬塑狀粉質(zhì)黏土，相同位置的微型樁最大軸向拉力增加至150 kN/m，增加了3.4倍。

5) 如圖7(a)所示，在靜力作用下，微型樁組合結(jié)構(gòu)的變形模式為整體向山外側(cè)發(fā)生彎曲，即山體側(cè)樁向受拉趨勢(shì)發(fā)展，路面?zhèn)葮墩w受壓；例如地層組合2中，山體側(cè)樁軸向力具有正值(拉力)，而道路側(cè)樁的軸向力為負(fù)(壓力)，且邊坡地質(zhì)條件越軟弱，現(xiàn)象越明顯；對(duì)于微型樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制，由于山體側(cè)樁向受拉趨勢(shì)發(fā)展，路面?zhèn)葮墩w受壓，樁群中只有中間樁整體受拉，微型樁組合結(jié)構(gòu)在邊坡加固工程應(yīng)用中軸向受力模式可表示為圖7(b)所示，這與文獻(xiàn)[1]所得結(jié)論吻合，同時(shí)也驗(yàn)證了本計(jì)算模型的可靠性與正確性。

2.2 地震作用下樁后土壓力分析

圖8為不同地層組合條件地震作用下各排微型樁的樁后土壓力分布，分析可知：地層組合1與地層組合2樁后土壓力沿樁深分布呈現(xiàn)出逐漸增大的趨勢(shì)，但在折線中出現(xiàn)一水平平臺(tái)，該處樁后土壓力激增，表明此處可能存在淺層滑面；地層組合3樁后土壓力沿樁深呈現(xiàn)出波動(dòng)增大的分布，并未出現(xiàn)前2種地層組合情況下在樁深某處樁后土壓力激增(折線平臺(tái))現(xiàn)象，原因在于地層組合3上下地層均為粉質(zhì)黏土，較前2種地層組合地質(zhì)條件差，故上下部地層變形差異較小，致使分界滑動(dòng)面的存在在折線圖上效果不明顯。

(a) 地層組合1；(b) 地層組合2；(c) 地層組合3

值得注意的是，在地震作用下，不同地層組合顯示出不同的樁后土壓力分布類(lèi)型，如圖8所示，可以概化其土壓力分布，地層組合1為梯形分布，地層組合2也為梯形分布，地層組合3卻近似為三角形分布，分布規(guī)律不明顯，若要實(shí)現(xiàn)微型樁地震作用下的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用，必須對(duì)土壓力分布形式作出簡(jiǎn)化研究，將在下節(jié)中詳細(xì)討論。

3 滑坡推力分布對(duì)微型樁影響分析

上述“八”字形微型樁在不同地層組合條件下的受力模式已經(jīng)明確，即軸向拉壓為主，山體側(cè)樁受力最大。實(shí)際工程中，微型樁的設(shè)計(jì)計(jì)算仍以荷載結(jié)構(gòu)模式為主，這就必須解決作用在微型樁上滑坡推力分布形式的問(wèn)題。

因此，根據(jù)上述地層條件和計(jì)算模型，依據(jù)樁土相互作用力確定地震作用下復(fù)合微型樁的滑坡推力并將其等效轉(zhuǎn)換為均布荷載，三角荷載和梯形荷載共3種分布形式。具體數(shù)據(jù)如表4所示。僅對(duì)第4級(jí)邊坡在滑坡推力作用下作數(shù)值分析，如圖9所示。圖10～12分別代表均布荷載、三角形荷載及梯形荷載下微型樁軸力沿深度分布圖；微型樁軸力極值對(duì)比如圖13所示。

表4 滑坡推力分布類(lèi)型及大小

圖9 施加滑坡推力計(jì)算示意圖

根據(jù)圖10~13的結(jié)果，可以得出以下結(jié)論：

1) 對(duì)比圖10~12，在不同滑坡推力分布作用下，微樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的變形模式均向山體外側(cè)彎曲，且當(dāng)邊坡地質(zhì)條件越軟弱，該現(xiàn)象越明顯；例如圖10所示，任一種滑坡推力分布作用下，地層組合3情況下不論是軸力分布范圍還是軸力數(shù)值上均為最大。

2) 由前述分析可知，山體側(cè)樁受到軸向拉力且受力最大，故分析圖13可知，在滑坡推力作用下，對(duì)比構(gòu)成組合抗滑結(jié)構(gòu)的3排微型樁軸向拉力可知，各工況微型樁軸向拉力極值基本都出現(xiàn)在山體側(cè)樁上；只有地層組合1的情況略有不同，估計(jì)是由于滑坡推力值較小，滑面強(qiáng)度較高，邊坡未達(dá)到極限平衡狀態(tài)有關(guān)；目前邊坡設(shè)計(jì)一般采用極限狀態(tài)設(shè)計(jì)，因此可以認(rèn)為在滑坡推力作用下，山體側(cè)樁受力最大，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)該樁的受力來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3) 對(duì)于同一地層組合的邊坡結(jié)構(gòu)，各滑坡推力分布形式下微型樁的軸力順序?yàn)椋和屏鶆蚍植迹咎菪畏植迹救切畏植肌慕Y(jié)構(gòu)力學(xué)理論知識(shí)也可判定該結(jié)論與之吻合，由于3種荷載分布形式合力一樣，合力作用點(diǎn)位置越高，樁身彎矩越大，其軸力值也相應(yīng)更大。例如地層組合3，均布情況下山體側(cè)樁最大軸向拉力為190 kN/m，三角形分布為150 kN/m，梯形分布為175 kN/m；對(duì)于地層組合2，均布情況下山體側(cè)樁最大軸向拉力為126 kN/m，三角形分布為85 kN/m，梯形分布為124 kN/m。推力分布的形式對(duì)山體側(cè)微樁的內(nèi)力影響較大，而對(duì)道路側(cè)微樁影響較小，例如地層組合3，3種推力分布形式下，路面?zhèn)葮兜膬?nèi)力基本無(wú)變化。

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 均勻分布；(b) 三角形分布；(c) 梯形分布

(a) 地層組合1；(b) 地層組合2；(c) 地層組合3

4 結(jié)論

1) 在靜力開(kāi)挖和地震動(dòng)力作用下，微樁復(fù)合結(jié)構(gòu)的受力變形模式均表現(xiàn)為向山外彎曲，且在地震作用情況下軸力數(shù)值較大。微型樁軸力極值的出現(xiàn)位置與滑體與滑床的巖層性質(zhì)有關(guān)，滑床巖體越軟弱，極值出現(xiàn)位置越深。

2) 在滑坡推力作用下，微型樁的軸力極值基本出現(xiàn)在靠山體側(cè)的微型樁上，當(dāng)邊坡地質(zhì)條件越軟弱，該現(xiàn)象越明顯。實(shí)際工程可根據(jù)山體側(cè)樁的受力來(lái)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

3) 對(duì)于具有同一地層組合結(jié)構(gòu)的邊坡，不同的滑坡推力分布下，微型樁的軸力大小：推力均勻分布＞梯形分布＞三角形分布。無(wú)論滑坡推力分布形式如何，山體側(cè)微型樁軸力變化較大，而路面?zhèn)任⑿蜆蹲兓^小。

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Influence of landslide thrust distribution and different stratum on force of micro-pilecomposite structure

HUANG Lin, JIANG Nan, FENG Jun, ZHANG Yufeng, HE Changjiang

(School of Civil Engineering, Southwest Jiaotong University, Chengdu 610031, China)

In view of the “eight” shape roof connected micro-pile composite structure, the finite element method was used to study the seismic dynamic characteristics of the graded excavation slope strengthened by the micro-pile composite structure under different strata conditions. The results show that under the most unfavorable conditions, the deformation mode of micro-pile composite structure under static excavation and seismic action tends to bend to the outside of the mountain as a whole, but the axial force of micro-pile under seismic action is larger. The better the rock mass property of sliding bed is, the smaller the axial force of the micro pile is. Under the action of the landslide thrust, the extreme value of the axial force of the micro pile basically appears on the micro pile on the side of the mountain. In practical engineering, the design can be carried out according to the force of that pile. Within the slope with same strata structure, according to the different forms of landslide thrust distribution, the axial force of micro pile is ordered as follows: Uniform distribution > ladder distribution > triangle distribution.

micro-pile composite structure; numerical simulation; different stratums; dynamic characteristics; landslide thrust distribution

TU473

A

1672 ? 7029(2020)03 ? 0592 ? 09

10.19713/j.cnki.43?1423/u.T20190518

2019?06?12

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(51178402)

江南(1978?)，女，河北唐山人，講師，博士，從事土木工程方面的教學(xué)與研究；E?mail：jn2838237@126.com

(編輯 涂鵬)