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)中對其治理問題一直是研究熱點。當(dāng)前實際工程研究中主要集中在以下方面:①對滑坡-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滑坡體系受力特征與荷載計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地震波有明顯的選擇性,并對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隧道結(jié)構(gòu)的損壞。邵江等[12]對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隧道偏壓比會逐漸減小。同時,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已有隧道情況下再次隧道開挖時隧道變形機(jī)理研究。③針對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)力錨索等主動改變隧道圍巖應(yīng)力為核心的方法,降低滑坡對隧道體系的損傷。部分學(xué)者[19-25]對山區(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,對于其他工程項目缺乏普遍適用性。目前還缺乏對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,本文利用模型試驗結(jié)合數(shù)值模擬方法[24-27]對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際意義。

1 模型試驗設(shè)計

1.1 滑坡隧道工程實例

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,為以后實際工程項目提供相應(yīng)參考。

表1 不同滑帶角度滑坡隧道案例對比

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)模型試驗設(shè)計

1.2.1 模型試驗相似比設(shè)計

由模型試驗相似理論,本文以1∶100設(shè)計滑坡-隧道模型試驗,彈性模量按1∶1設(shè)計,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)實際工程選擇的土質(zhì)情況及工程實況,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,在實際工程確定樁體數(shù)量時,當(dāng)樁體間距過小時雖然能減少坡體滑動趨勢,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,可能會無法滿足坡體抗滑變形要求導(dǎo)致土體滑動同時也容易造成樁頂?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基本假設(shè)。樁距計算公式為

(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時樁間距取10m,對應(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 模型試驗設(shè)計與制作

按照1∶100的縮尺,設(shè)計模型長寬高分別為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,按照工程實際工況滑床壓實度設(shè)計為96%～98%,滑體壓實度設(shè)計為90%～93%。選用與實際工程相同含水率18.2%,通過直剪試驗測得滑體黏聚力c=30 kPa,內(nèi)摩擦角φ=23°。滑床采用礫石、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-隧道模型試驗實物(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?zāi)Ｐ筒壑?樁體布置按照工程實例一致,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)一組試驗完成后,重新調(diào)整模型進(jìn)行下一組試驗。

1.2.4 測點布置

為保證試驗數(shù)據(jù)的可靠性,在隧道截面周圍分別布置內(nèi)外24個應(yīng)變片測點及9個土壓力盒測點。在抗滑樁樁身周側(cè)也布置應(yīng)變片測點,應(yīng)變片第一測點及最后一個測點分別距離樁頂、樁底2 cm,其他各測點之間相距4 cm,在滑面接觸位置加密布置2個測點共12個測點,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個土壓力盒測點,其中兩個為備份參考,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,測量加載過程中三者水平位移。

圖6 測點布置(單位:cm)

1.2.5 加載方案

試驗采用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,這樣可以充分驗證抗滑樁對隧道的支護(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。本次試驗按滑帶滑帶角度0°、10°、20°、30°、40°、50°共分為6組,分級加載模式見表2,每次加載步長5 kN。荷載P由0 kN時加載至5 kN加載時間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,加載時間及維持時間也相應(yīng)增加。最后加載至35 kN時維持荷載直至滑坡模型失效。此時,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 模型試驗加載方案

2 模型試驗結(jié)果與分析

2.1 模型試驗破壞特征

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。預(yù)加荷載時(0～5 kN),滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°時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)。滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°時滑體所產(chǎn)生第一條貫穿橫裂縫,所加荷載分別為15、17、18、21、23、26 kN。滑帶角度為0°、10°、20°、30°時在荷載值為23、27、29、32 kN時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,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,樁體后側(cè)與滑體幾乎不會出現(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,不同滑帶角度對隧道剪出破壞程度不一致,由大至小所對應(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種不同滑帶角度對應(yīng)的樁頂位移及滑坡體位移由大至小所對應(yīng)的滑帶角度為0°、10°、20°、30°、40°、50°。

2)在滑帶角度為0°、10°、20°時,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。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,樁頂位移與滑坡體位移呈現(xiàn)相似趨勢,在滑帶角度為0°時出現(xiàn)最大位移值為11.9 mm,50°時出現(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,滑坡體水平位移及樁頂水平位移隨著加載時間的增加而出現(xiàn)急劇增長趨勢;在加載時間0～100 min(對應(yīng)荷載0～15 kN)時,這3種滑帶角度的位移整體趨勢呈現(xiàn)平緩增加趨勢,在100～250 min(對應(yīng)荷載15～30 kN)時,滑坡位移速率增快,坡體出現(xiàn)較深縱向裂縫。在250～350 min(對應(yīng)荷載30～35 kN),此時坡體變形速率降低已出現(xiàn)破壞現(xiàn)象。對應(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、破壞變形三個階段,此時隧道樁體也呈現(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°時產(chǎn)生5 mm左右位移,當(dāng)滑帶角度為40°、50°時隧道相對于原始位置幾乎未產(chǎn)生位移。可知當(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,樁頂水平位移的變化幅度較大,表明滑坡角度的改變對抗滑樁的受力影響較大,對抗滑樁所保護(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,其對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。這表明在進(jìn)行隧道-滑坡體系治理時應(yīng)當(dāng)依照其實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,當(dāng)滑帶角度大于30°時,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為測點處的截面彎矩;EI為樁的抗彎剛度;ε1、ε2分別為測點樁前樁后應(yīng)變;h為抗滑樁截面高度。

利用最小二乘法對彎矩計算數(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,且在不同等級荷載作用下反彎點均出現(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)所受彎矩絕對值大于滑面下部彎矩絕對值,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,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°時的變化,降幅約為66.5%。這表明,滑帶角度由0°增大至20°時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°時所承受荷載。②滑帶角度為0°、10°、20°、30°時,樁身受荷P≤15 kN時,彎矩值增長呈現(xiàn)出勻速且緩慢的增長趨勢。當(dāng)15 kN≤P≤25 kN時樁身彎矩值呈現(xiàn)出急劇增大趨勢,當(dāng)P≥25 kN時,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,樁體后側(cè)與滑體幾乎不會出現(xiàn)脫空現(xiàn)象”相吻合,在P≥30 kN時樁體彎矩值依舊在緩慢增長。③當(dāng)滑帶角度0°、10°、20°、30°時,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,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,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。滑帶角度增加到40°、50°時,水平滑坡推力對隧道結(jié)構(gòu)的影響將小于滑坡豎向荷載對隧道的作用。此時,抗滑對隧道支護(hù)效果衰減較為顯著。

由模型試驗破壞特征、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,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,滑坡水平推力對隧道襯砌結(jié)構(gòu)受力影響較大,在滑帶角度為40°、50°時滑坡水平推力影響顯著衰減。因此,在隧道-滑坡體系中設(shè)計抗滑樁支護(hù)時,應(yīng)當(dāng)考慮實際工程中滑帶角度值進(jìn)行設(shè)計。當(dāng)滑帶角度大于40°時,可采用小直徑或大樁距的抗滑樁體進(jìn)行支護(hù);同時,對隧道豎向襯砌結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮支護(hù),對拱腳部位加固。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,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,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,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,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。可以看出最大變形位置均發(fā)生在隧道靠山側(cè)與抗滑樁頂端處,同時,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)基本不會產(chǎn)生較大位移變形。

圖16 數(shù)值模擬滑帶角度10°時樁身、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。滑帶角度為0°時樁身與隧道所受彎矩最大分別為44 921、17 597 kN·m。滑帶角度為50°時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,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,樁體受力最大值點也稍有上移。滑帶角度由0°增加至50°時,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,與模型試驗所得結(jié)論“當(dāng)滑帶角度增加到40°、50°時水平滑坡推力對隧道結(jié)構(gòu)的影響將小于滑坡豎向荷載對隧道的作用”吻合。

3.3 數(shù)值模擬與模型試驗樁體隧道彎矩對比

數(shù)值模擬是按照工程斷面實際尺寸進(jìn)行的穩(wěn)定性以及受力模擬,室內(nèi)模型試驗由于條件限制進(jìn)行的是1∶100縮尺試驗,因此在數(shù)值模擬與模型試驗樁體以及隧道彎矩對比時,將實際數(shù)值模擬按照測點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)值模擬與模型試驗彎矩對比

圖20 隧道數(shù)值模擬與模型試驗彎矩對比(單位:N·m)

由圖19、圖20可知,整體樁體與隧道受力趨勢基本保持一致,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方法對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)模型試驗與數(shù)值模擬手段相結(jié)合的方式,對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°時的6 cm降低至50°時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°時的降低約42%,滑帶角度由0°增大至20°時彎矩降低約22%,滑帶角度由30°增大至50°時的降低幅度約為滑帶角度由0°增大至20°時彎矩降低幅度的2倍。

3)通過試驗分析與數(shù)值模擬對比發(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,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°時該比值降低至1.4左右。可看出在滑帶角度小于30°,滑坡水平推力對隧道襯砌結(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)計支護(hù)時,為了實際工程經(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隧道襯砌結(jié)構(gòu)進(jìn)行保護(hù)。當(dāng)滑帶角度大于30°時,應(yīng)當(dāng)主要考慮由滑坡體所產(chǎn)生的豎向荷載對隧道襯砌結(jié)構(gòu)的影響,此時應(yīng)當(dāng)對隧道仰拱及靠近坡體處拱腳位置重點加固,選用抗滑樁時可采用小直徑或大間距以此來提升工程經(jīng)濟(jì)效益。