微型樁群動力特性研究

陳光平

(廣西新發展交通集團有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

根據中國地震網統計中國內陸2007年至2019年6月的地震頻發次數可知，震級在5.8級以上的就高達47次，而這些較大的地震大多分布在我國的四川、云南、西藏、新疆等省份和自治區，其造成的財產損失巨大，同時也引發大量的次生自然災害，例如滑坡、崩塌、泥石流等，如何防治因地震作用而引發的滑坡災害就顯得尤為重要。目前較為成熟的滑坡災害防治技術主要有抗滑樁、微型樁、錨桿等，但面對大型滑坡災害，抗滑樁等技術施工難度大、成本較高，而微型樁適用場地范圍廣、工藝簡單且造價成本經濟，具有較好的防治效果，因此微型樁更適用于大型滑坡災害防治。

微型樁作為這幾年新型的邊坡支護結構之一，具有很好的延展性與一定的抗彎性，將其應用在邊坡抗震工程中能有效地減少滑坡滑移量。目前在微型樁靜力特性研究方面取得了較多成果[1-6]。在微型樁動力特性研究方面，牛文慶[7]對“人”字形、平行體系微型樁組合進行了模型試驗研究，研究了兩者的土壓力及樁身內力情況，得出了“人”字形體系微型樁組合整體性能優于平行體系微型樁組合的結論；李楠等[8]基于振動臺模型試驗，用無樁滑坡與梅花型布置的微型樁群樁支護滑坡作比較，分析了動荷載下微型樁的破壞機制等問題；楊靜[9]用FLAC數值模擬了不同樁排數的微型樁群的動力響應特征；王棟[10]用有限元軟件Plaxis對微型樁進行了研究，系統闡述了微型樁樁頂連接方式不同及樁底不同束縛條件的樁身內力變化情況。

基于前人工作的研究基礎，針對微型樁動力特性研究相對較少，特別是動力下微型樁治理巖質邊坡的研究更少，本文利用數值模擬軟件FLAC3D，分析了地震作用下微型樁防治均質土和土巖二元結構兩類滑坡災害的動力特征，計算了樁身彎矩、分析了樁身受力特征，以期為微型樁應用于震區邊坡的治理提供相應的參考依據。

1 數值模擬模型建立

1.1 地質模型

此次采用擬三維模型來模擬實際中的邊坡，其尺寸、滑面位置、坡度等都與現實邊坡情況較為靠近，邊坡的長×寬×高為19.2 m×11.2 m×12.8 m，滑面取圓弧狀，其傾角為50°。具體平面模型如圖1所示。微型樁布置在平臺上，采用FLAC3D中的pile結構單元模擬，其布樁方式采用梅花型布樁，總共分為前、中、后三排，微型樁樁長為8.96 m，樁徑為0.288 m，每一排的樁間距為1.92 m(約為6.7倍樁徑)，樁排間距為1.12 m(約3.8倍樁徑)[11]。微型樁樁頂采用板塊作為連接與固定方式，在FLAC3D中用shell結構單元來模擬，其尺寸為8.8 m×2.8 m(長×寬)，厚度為16 cm，其結構模型如圖2所示。

圖1 模型平面圖(m)

圖2 微型樁及板塊結構圖(m)

利用ANSYS建立邊坡模型，模型建完后劃分單元網格，單元網格主要為四面體，共有82 038個實體單元，節點數為15 642個，最后通過鄭文棠等[12]研發的“ANSYS-FLAC3D”軟件導入FLAC3D中，完成基本的建模工作。樁體采用FLAC3D內置的pile結構單元，三排樁共由88個構件、102個節點組成。整體模型如圖3所示。

圖3 坡體及微型樁模型云圖

1.2 參數選取

數值模擬模型選擇彈性法初始地應力平衡，然后選用Mohr_Coulomb本構模型計算收斂。依據《公路路基手冊》將滑體、滑面及滑床的容重、彈性模量、泊松比、內摩擦角、粘聚力取一般的巖土通用參數值。為了簡化計算模型，滑面只考慮其摩擦角，其余假定為零，坡體的材料參數如表1所示。微型樁的密度、彈性模量、泊松比可依據鋼筋與混凝土復合材料來選取(混凝土結構設計規范)，其具體參數如表2所示。

表1 坡體材料參數表

表2 微型樁參數表

1.3 邊界條件及加載方式

由于地震波傳播方向不定，所以模擬時主要考慮X向(與滑體滑動向一致)地震波對邊坡的影響，在模型的底部及四周設置靜態邊界與自由場邊界，該邊界引入阻尼器來吸收入射波，其提供的法向和切向黏性力分別為：

tn=-ρcpυn

(1)

ts=-ρcsυs

(2)

式中：υn、υs——模型邊界方向與切向速度分量；

ρ——介質密度；

cp、cs——P波和S波的波速。

FLAC3D中加載方式多種，可施加加速度、速度、應力等加載方式，本次動力數值模擬采用的是加速度加載方式，選取的地震波為EL-Centro波，利用Seismosignal軟件對EL-Centro波進行濾波與基準校正處理，考慮到地震波前期和后期的加速度峰值比較小及模擬計算時長太大的原因，將完整的地震波去掉一部分，只保留加速度峰值由“零值-最大-相對穩定值”的一個周期，計算時長為10 s，地震波模擬加速度加載工況有0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g六種，詳細地震波加速度時程如圖4所示。

圖4 EL-Centro波加速度時程曲線圖(10 s)

2 數值計算結果

本文模擬是兩組三排微型樁群在地震波作用下的變形特征，每組有14根微型樁，鑒于模擬所得結果數據量較大，需要選取每排代表性樁，為此選取前排4#、中排3#和后排4#樁作為分析對象。連系板作為整個微型樁群樁的一部分，起著將微型樁群連接為整體的作用，對微型樁群樁頂的共同變形起到一定的約束作用。

2.1 樁身彎矩特征

彎矩作為表征微型樁變形大小的重要力學指標之一，通過數值模擬施加X向地震波時，得到不同工況下的微型樁彎矩圖，繪制的彎矩圖如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，在滑體、滑床均為土與滑體為土、滑床為基巖的滑坡中，地震波峰值加速度為0.05 g、0.1 g時，兩者的后排4#樁最大彎矩分別為14.4 kN·m、21.9 kN·m與14.2 kN·m、23.1 kN·m，中排3#樁最大彎矩為12.8 kN·m、20.1 kN·m與8.5 kN·m、15.4 kN·m，前排4#樁最大彎矩為8.7 kN·m、13.3 kN·m與7.7 kN·m、13.0 kN·m，增量趨勢不明顯；但當峰值加速度在0.2～0.5 g區間時，兩者的后排4#樁最大彎矩值范圍為39.8～82.4 kN·m與41.0～87.2 kN·m，中排3#樁最大彎矩值范圍為36.9～76.3 kN·m與25.1～51.5 kN·m，前排4#樁最大彎矩值范圍為23.8～52.1 kN·m與21.5～51.8 kN·m，其彎矩變化顯著。這是由于隨著加速度值的增大，滑移變形突然增大，因此樁身受到的彎矩急增；兩者前、中、后排樁的最大彎矩主要呈類似的“S”狀，土質滑坡中微型樁的最大彎矩出現在滑面上下約0.6 m、0.55 m、0.72 m處，而土巖二元結構滑坡微型樁的最大彎矩出現在0.12 m、0.20 m、0.14 m附近。

圖5 滑體、滑床均為土體的微型樁彎矩曲線圖

圖6 滑體為土體、滑床為基巖的微型樁彎矩曲線圖

不同峰值加速度工況下，土質滑坡滑床中的前、中、后排微型樁從樁頂向下6 m范圍內，均產生彎矩，其值范圍在0.23～6.74 kN·m，其原因是土體在微型樁的作用下可以發生一定程度的變形，所以樁能隨著滑坡推力的變化相應地發生彎曲變形；而對于后者滑床中的前、中、后排微型樁從樁底至樁頂以下6 m范圍內，則出現彎矩接近于零的現象，其值范圍在4.187～1 725 N·m，這與前一組出現完全不同的現象，分析其原因是嵌入滑床(基巖)中的那一段樁受到基巖的約束力較大，導致嵌入基巖部分的樁身變形很小，只在滑體中的部分發生彎曲變形。

從以上分析可知，微型樁在治理土質滑坡或土巖二元結構滑坡時，其發揮的作用及變形破壞各有不同，在滑體、滑床均為土的邊坡中，微型樁與土的相互作用較小，在滑坡推力作用下滑體段受拉變形，滑床段受壓變形，因此整體以彎曲變形為主，這也顯示了微型樁具有良好的延展特性。但對于滑體為土、滑床為基巖的邊坡來說，就形成了滑體段的變形為彎曲變形，滑床段則以在接近滑面處發生剪切變形為主，在剪切破壞位置以下的樁身基本不發生變形的現象，這是因為滑床段的微型樁樁側受基巖的約束力大，滑床以下發生變形范圍很小，從而造成滑面附近的剪應力集中，微型樁發生剪切破壞。由此可見，微型樁用于震區滑坡災害治理時，對于土質滑坡和土巖二元結構滑坡應分別采用不同的設計計算方法。

2.2 微型樁前、樁后水平應力分析

通過分析微型樁前、樁后(迎滑側為樁后、背滑側為樁前)所受到的水平應力差值，可以反推滑坡推力的分布情況，以便更加具體地了解微型樁樁身受力形式。圖7、圖8分別為土質滑坡和土巖二元結構滑坡中3排微型樁的各排樁身前后水平應力差值曲線圖。

由圖7、圖8可知，兩者整體的微型樁樁后、樁前應力差(推力)分布形式為滑體段呈現為似正三角形狀()、滑床段為似倒三角狀()。后、前排4#樁與中排3#樁在加速度峰值為0.05～0.2 g區間時，滑面以上、下附近受力微型樁段的樁后、樁前的水平應力差最值增量較小，其值范圍為17.0～170 kPa與12.7～121 kPa；當地震加速度峰值在0.3～0.5 g區間時，各排樁的樁后、樁前水平應力差最值增量陡增，值范圍為46.7～236.5 kPa與57.4～245.9 kPa。

圖7 滑體、滑床均為土體的微型樁水平應力差曲線圖

圖8 滑體為土體、滑床為基巖的微型樁樁后、樁前水平應力差曲線圖

當加速度峰值在0.3～0.5 g區間時，在滑體、滑床為土的邊坡中，前、后排4#樁和中排3#樁滑面以上、下附近微型樁受荷段的水平應力差最值陡增，其最值的范圍為46.7～236.5 kPa，后排4#樁在滑面以下附近應力差最值呈增大趨勢。原因是隨著加速度峰值增大，滑體中的微型樁段受到的主動土壓力越大，嵌固在滑床(土)中的另一段微型樁也受到相應的被動土壓力作用，致使水平應力差大，而后排樁為最先受到推力作用的樁，其次到中排，最后到前排，所以后排4#樁應力差最值最為顯著；在滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，前、后排4#樁和中排3#樁對應的滑面上下附近受力段微型樁應力差最值范圍為57.3～245.9 kPa，隨著加速度峰值的變大，后排4#樁滑面以下附近受力段微型樁應力差值呈先增加后減小趨勢，與前者現象不同。分析原因是當加速度較小時引發滑坡推力作用在滑面以上的受力微型樁上，此時樁發揮抗剪作用，變形量小，將受到的推力反作用于嵌固在滑床(基巖)中的微型樁段，所以造成滑面以下附近微型樁段的水平應力差值變大，隨著加速度峰值增加，滑體中的微型樁樁段受到的推力作用顯著，微型樁抗剪能力減弱，變形量也逐漸變大或發生破裂，導致傳遞給滑面以下附近微型樁段的反作用力減小，相應的水平應力差值也變小。

在滑體、滑床為土與滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，經數值模擬結果計算獲得兩者在加速度峰值為0.3～0.5 g區間時對應工況下滑體段后、前排4#樁與中排3#樁的應力差分擔比例，兩者的比值具體為：加速度峰值為0.3 g時對應的后排∶中排∶前排比值為0.64∶0.22∶0.14與0.58∶0.27∶0.16，加速度峰值為0.4 g時對應的比值為0.55∶0.32∶0.13與0.50∶0.27∶0.23，加速度峰值為0.5 g對應的比值為0.49∶0.35∶0.16和0.45∶0.31∶0.24，將這三種工況下的比值做平均處理后分別得到的比值為0.56∶0.30∶0.14和0.51∶0.28∶0.21，將其作為滑體、滑床都為土的后排、中排、前排微型樁的推力分擔系數，由此可知滑體為土、滑床為基巖的邊坡中微型樁更容易提前發生剪切破壞。

3 結語

本文基于FLAC3D軟件，研究了地震作用下兩種滑坡中的微型樁力學響應特征，分析了不同加速度峰值工況下的動力特性，得到以下結論：

(1)在不同加速度峰值工況下，土質滑破和土巖二元結構滑坡中微型樁的兩組數值模擬所得到的樁身彎矩呈類“S”狀，當加速度值在0.2～0.5 g區間時，前者微型樁最大彎矩值范圍為23.8～82.4 kN·m，后者為21.5～87.2 kN·m，樁承受的彎矩大小為后排樁>中排樁>前排樁。

(2)在滑體、滑床均為土質滑坡中，微型樁隨土壓力變化而發生彎曲變形，而在滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，微型樁在滑面附近易發生彎曲剪切破壞，兩組模擬結果對比可知，微型樁在不同結構滑坡中的動力響應特征不同。

(3)滑體、滑床為土與滑體為土、滑床為基巖的二元結構滑坡中，滑體段微型樁應力差呈梯形狀，滑床段呈現為三角形狀，后者滑面以上附近各排微型樁受力段承受的推力較大，滑面以下附近受到的反作用力較小，不能充分發揮微型樁的彎延性。

(4)模擬不同峰值加速度(0.3～0.5 g)工況下，得到兩種邊坡微型樁的推力分擔比例，對比分析后發現滑體為土、滑床為基巖的邊坡中微型樁更容易提前發生剪切破壞，建議微型樁設計時重點考慮其抗剪強度值。