地震作用下的抗滑樁支護(hù)邊坡模擬分析

閆博華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司 太原市 030032)

0 引言

我國(guó)是一個(gè)多山國(guó)家,同時(shí)也是一個(gè)地震帶居多的國(guó)家,在當(dāng)前交通系統(tǒng)大力發(fā)展的背景下,工程邊坡治理工程越來(lái)越多。地震是帶來(lái)滑坡災(zāi)害的重要原因之一,因此對(duì)邊坡工程在地震荷載下的穩(wěn)定性研究顯得尤為必要。

國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)邊坡地震方面的研究已有很多成果,于玉貞等[1]進(jìn)行了抗滑樁靜力和動(dòng)力下的離心模型試驗(yàn),對(duì)兩種混凝土抗滑樁開裂的情況的破壞和受力情況進(jìn)行了分析,得到靜力開裂在地震后樁底轉(zhuǎn)為活動(dòng)鉸約束,其彎矩呈先增大后減小的趨勢(shì)。同時(shí)在飽和砂土的抗滑樁加固的動(dòng)力離心模型試驗(yàn)[2]中對(duì)飽和砂土的地震動(dòng)力響應(yīng)進(jìn)行了研究,明確了地震作用對(duì)地基液化的附加彎矩值應(yīng)引起重視,為邊坡的抗震設(shè)計(jì)提供了重要參考依據(jù)。吳永等[3]以極限定理為理論基礎(chǔ),在確認(rèn)邊坡滑動(dòng)面的前提下,從能量角度對(duì)抗滑樁加固體系進(jìn)行了計(jì)算,得到了坡體與錨固體系臨界的計(jì)算模型,對(duì)抗滑樁的失效機(jī)理進(jìn)行了深入探索。許江波等[4]對(duì)動(dòng)力作用下抗滑樁支護(hù)的邊坡提出了新的抗震設(shè)計(jì)方法,得到了樁體在邊坡受地震作用下的內(nèi)力值及分布規(guī)律,并用具體的邊坡模型驗(yàn)證了新方法的可行性,為邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算提供了新的思路。孔紀(jì)名等[5]對(duì)地震荷載作用下抗滑樁樁身埋入深度進(jìn)行了研究,以工程實(shí)例為依托,采用相似性原理進(jìn)行了物理模型試驗(yàn),最終得到了抗滑樁最佳的嵌固深度,以此為基礎(chǔ)建立了抗滑樁最佳嵌固深度的判據(jù)。唐勇等[6]采用FLAC 3D數(shù)值模擬的方法對(duì)斷層破裂帶邊坡的抗滑樁加固機(jī)理及模式進(jìn)行了研究,在地震荷載下斷層帶向臨空面滑動(dòng),抗滑樁在加固邊坡的過程中土拱、樁身等都起到了良好的加固作用,最終得到了抗滑樁邊坡最合理的參數(shù)設(shè)計(jì)。

自汶川地震后,我國(guó)工程建設(shè)對(duì)結(jié)構(gòu)在地震荷載作用下的抗震要求越發(fā)嚴(yán)格,《公路工程抗震規(guī)范》(JTG B02—2013)中明確了邊坡在抗震設(shè)計(jì)中的方法及要求,但傳統(tǒng)的靜力法與實(shí)際工程相差較大。文章依托某高速邊坡治理工程,對(duì)錨索抗滑樁加固邊坡的抗震性能進(jìn)行研究,以期為工程實(shí)際提供參考。

1 存在的問題

目前邊坡的穩(wěn)定性常用靜力法,靜力的強(qiáng)度折減法主要是將土體的強(qiáng)度參數(shù)進(jìn)行折減,達(dá)到滑坡的極限平衡狀態(tài)時(shí),強(qiáng)度折減系數(shù)則作為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)。但在邊坡地震作用下,邊坡的破壞是一個(gè)累積的過程,并不是靜力法所在一個(gè)瞬時(shí)的狀態(tài),因此判定邊坡在動(dòng)力響應(yīng)時(shí)的破壞判據(jù)是一個(gè)關(guān)鍵性問題,目前主要有3種方法對(duì)動(dòng)力作用下邊坡的穩(wěn)定性失效作為判據(jù),一是形成貫通裂縫;二是在地震過程中邊坡某部分位移出現(xiàn)突然增大;三是在模型計(jì)算中不收斂。這三個(gè)方法雖在一定程度上可作為判據(jù),但邊坡的動(dòng)力特性是一個(gè)復(fù)雜的問題,還應(yīng)通過多方面計(jì)算復(fù)核。

2 工程概況

高邊坡的治理通常是邊坡工程中的重難點(diǎn),依托工程為某高速K5+153.321～K5+251.265段,該段擬建公路兩側(cè)均為山區(qū)路段,高差起伏較大,路線呈南北走向,高速公路的設(shè)計(jì)時(shí)速為120km/h,現(xiàn)場(chǎng)勘查顯示,路線周邊環(huán)境較好,無(wú)河流水域,植被發(fā)育完好,自然邊坡較為陡峭,在擬建工段邊坡有少數(shù)裂隙,未發(fā)現(xiàn)明顯滑移痕跡。其中在樁號(hào)K5+170斷面的坡高最高,約27m,巖層斷面顯示為順層,對(duì)邊坡的穩(wěn)定極為不利,需對(duì)該斷面進(jìn)行重點(diǎn)分析。如圖 1所示。

圖1 K5+170橫斷面(單位:m)

地勘資料顯示,該工段的地層條件復(fù)雜,在K5+170斷面的地層主要為4層,分別為填土(厚約4.6m)、粉質(zhì)黏土(厚約8m)、全風(fēng)化玄武巖(厚約9.6m)、強(qiáng)風(fēng)化玄武巖(厚約12m)。規(guī)范中采用靜力法規(guī)定,高速公路路塹邊坡在坡高大于20m時(shí),邊坡的抗震穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.15。因此,在邊坡的加固設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)邊坡抗震穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)。擬定邊坡加固方案采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的形式,抗滑樁距離坡腳8m,樁身長(zhǎng)23m,采用矩形截面,截面尺寸為1.2m×1.5m,自樁頂向上進(jìn)行坡面放坡處理,坡率均為1:1.5,每級(jí)邊坡均為6m,一、二級(jí)邊坡之間設(shè)置2m寬的平臺(tái),坡面采用骨架草籽護(hù)坡。錨索錨固與全風(fēng)化玄武巖中,采用壓力分散型錨索,其預(yù)應(yīng)力為150kN。如圖 1所示。

3 數(shù)值模擬研究

3.1 模型的建立

采用有限元軟件對(duì)依托工程建立有限元模型,模型尺寸100m×60m。各個(gè)土層的模擬采用摩爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型,錨索和抗滑樁采用彈性本構(gòu)模型,抗滑樁截面尺寸為1.2m×1.5m,長(zhǎng)度為23m,采用1D梁?jiǎn)卧M(jìn)行模擬,錨索劃分為固定段和自由段兩種網(wǎng)格,在自由段施加預(yù)應(yīng)力。網(wǎng)格劃分以控制模型計(jì)算精度和效率為原則,在精度要求高的區(qū)域網(wǎng)格密度為1m。其余部分的網(wǎng)格密度均為2m。土層、抗滑樁、錨索的模型材料參數(shù)根據(jù)地勘等資料進(jìn)行選取,計(jì)算模型如圖 2所示,模型的具體參數(shù)如表 1所示。

表1 模型參數(shù)表

圖2 有限元模型

3.2 地震荷載

模型建立后對(duì)邊坡的穩(wěn)定性和變形進(jìn)行分析,地震荷載的施加選擇EL-Centro波,峰值加速度為0.214g,持續(xù)時(shí)長(zhǎng)為53.46s,地震時(shí)程如圖 3所示。在動(dòng)荷載分析時(shí),選擇非線性時(shí)程+SRM,具體模擬步驟如下:

(1)原始邊坡模擬,位移歸零;

(2)對(duì)邊坡進(jìn)行1∶1.5削坡處理;

(3)施加錨索抗滑樁加固措施;

(4)挖除樁前土體;

(5)施加地震荷載;

(6)計(jì)算結(jié)果數(shù)據(jù)提取。

圖3 EL-Centro地震波時(shí)程圖

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

提取有限元計(jì)算結(jié)果的塑性區(qū)分布云圖如圖4所示。

圖4 邊坡有效塑性區(qū)云圖

塑性區(qū)云圖反映了土體的破壞程度。在塑性變化大的區(qū)域,土體破壞的可能性越大。從圖中可以看出,坡體在坡腳處的塑性破壞區(qū)最嚴(yán)重,并向坡頂延伸,說(shuō)明邊坡的潛在滑動(dòng)面就在這個(gè)塑性區(qū)內(nèi),主要位于巖層分界線上。

對(duì)邊坡在各個(gè)模擬階段的穩(wěn)定系數(shù)進(jìn)行分析,可有效指導(dǎo)施工時(shí)各階段邊坡的穩(wěn)定情況,如圖 5所示。

圖 5 各模擬階段邊坡穩(wěn)定系數(shù)

在模擬自然邊坡時(shí),邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.05,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)較小,穩(wěn)定性未達(dá)到規(guī)范要求,然后進(jìn)行放坡1:1.5后削坡狀態(tài)的模擬,此時(shí)邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.15,同比增長(zhǎng)9.5%,邊坡的穩(wěn)定性增長(zhǎng)有限,邊坡的穩(wěn)定性還有待提高。在施加支護(hù)結(jié)構(gòu)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁后,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)提升到1.81,增幅較大,最后開挖樁前土體,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)降低到1.65。這種現(xiàn)象說(shuō)明,在邊坡穩(wěn)定性的提高方面,削坡措施只降低了部分土體的下滑力,并沒有明顯改善整個(gè)坡體的整個(gè)受力狀態(tài),因此對(duì)邊坡的穩(wěn)定系系數(shù)提高并不明顯。抗滑樁支護(hù)結(jié)構(gòu)改了坡體的受力狀態(tài),限制了潛在滑動(dòng)土體的位移趨勢(shì),改善了整個(gè)滑體的受力體系,從而極大地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性系數(shù)。而樁前土的開挖,將樁前部的被動(dòng)土壓力去除,使得抗滑樁的懸臂段長(zhǎng)度增加、嵌固段減小,側(cè)向土壓力增大,導(dǎo)致邊坡的穩(wěn)定性下降,因此在有條件的情況下應(yīng)盡量減小樁前土的開挖,保留樁前土有利于邊坡的穩(wěn)定。

對(duì)地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的變化進(jìn)行分析,對(duì)地震荷載取其前4s進(jìn)行數(shù)據(jù)提取。在前4s內(nèi),地震已經(jīng)經(jīng)過峰值加速度的變化,邊坡已經(jīng)經(jīng)歷了地震荷載的峰值變化,每0.5s進(jìn)行數(shù)據(jù)提取,得到圖 6所示的邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)變化圖。

圖 6 地震荷載下邊坡安全穩(wěn)定系數(shù)

從圖 6中可以看出,邊坡在整個(gè)地震荷載作用下的穩(wěn)定系數(shù)變化呈下降趨勢(shì),結(jié)合邊坡地震荷載的時(shí)程圖分析,邊坡在前0.5s的穩(wěn)定系數(shù)下降較少,在1.5～2s之間下降速率增加,在2.5s后區(qū)域穩(wěn)定在1.16左右。對(duì)照地震波時(shí)程圖來(lái)看,在1s以前,地震波的峰值有小幅度變化,并未達(dá)到峰值,在1.5～2s時(shí),地震波達(dá)到峰值加速度,在4s左右峰值加速度最小,因此得到的邊坡穩(wěn)定系數(shù)下降也呈現(xiàn)出類似階梯狀的變化情況。這也說(shuō)明,預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在邊坡的抗震過程中起到了良好的效果,邊坡的穩(wěn)定系數(shù)未在短時(shí)間內(nèi)呈斷崖式下降。這是因?yàn)轭A(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁既有抗滑樁的剛性,也有錨索的柔性作用,在地震荷載傳遞到土體時(shí),抗滑樁與土層相互擠嵌,錨索提供了相對(duì)的彈性變形,形成類似緩沖的效應(yīng),能在一定程度內(nèi)吸收地震荷載的能量,保證邊坡的穩(wěn)定。

如圖7所示為樁身地震前后的位移變化圖。

圖7 樁身水平位移變化圖

從圖 7可以看出,在震前樁身上部的水平位移向臨空面移動(dòng),下部水平位移向坡背移動(dòng),整個(gè)樁身的水平位移呈弧形變化,這說(shuō)明預(yù)應(yīng)力錨索在限制樁身的位移上有較好的作用。地震荷載后,樁身整體向著臨空面進(jìn)行可移動(dòng),樁頂水平位移最大為17cm,樁底為5.8cm,樁頂?shù)乃轿灰谱兓却笥跇兜?這是由于地震作用的效應(yīng),上部結(jié)構(gòu)主要為懸臂式受力體系,受地震作用時(shí)樁體受到的阻尼較小,因此其位移變化較為明顯。而樁體下部嵌固于土體中,在水平地震力作用下,樁體受到土體的阻滯作用,因此其位移相對(duì)較小。

進(jìn)一步提取抗滑樁的彎矩如圖8所示。

圖8 樁身彎矩圖

從圖 8可知,抗滑樁在兩種工況下彎矩的最大值均位于樁身中部,兩端較小,地震荷載的作用下,抗滑樁樁身彎矩的形態(tài)未變,大小發(fā)生改變,地震荷載的最大樁身彎矩值為3480kN·m,在設(shè)計(jì)中應(yīng)加強(qiáng)對(duì)抗滑樁中部的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)論

文章采用有限元軟件模擬分析了錨索抗滑樁靜力和動(dòng)力荷載下的位移及穩(wěn)定性變化規(guī)律,得到如下結(jié)論:

(1)邊坡在靜力作用下的潛在滑動(dòng)面位于巖層分界面,穩(wěn)定系數(shù)在各個(gè)工況呈先增大后減小的變化情況。

(2)地震荷載作用下邊坡穩(wěn)定系數(shù)的降低呈階梯狀下降,最后穩(wěn)定于1.16。

(3)地震荷載前,邊坡的水平位移值樁頂向邊坡臨空面移動(dòng),樁底向坡背移動(dòng);地震荷載后,樁頂和樁底的水平位移均向臨空面移動(dòng),最大值為17cm。

(4)樁身的彎矩值在地震前后的變化形態(tài)一致,呈中間大兩端小的變化形態(tài),地震后樁身的彎矩值大于地震前。