李桂林，王云飛

(河南理工大學(xué)土木工程學(xué)院，河南 焦作 454000)

在邊坡加固工程中，由于抗滑樁具有剛度大的特性，能夠承受滑移體的較大水平下滑推力，得到很好的加固效果。特別是滑移面明顯且滑移面下覆地層能夠很好的錨固抗滑樁時(shí)，更能體現(xiàn)抗滑樁加固邊坡的優(yōu)越性[1]。

國(guó)內(nèi)外很多學(xué)者對(duì)抗滑樁加固邊坡進(jìn)行了研究獲得了許多有益成果[2-4]。李邵軍等通過土力學(xué)與彈性力學(xué)理論導(dǎo)出了樁后土體應(yīng)力解和土拱力學(xué)模型[5]。魏作安等利用彈性理論導(dǎo)出了樁后土體應(yīng)力場(chǎng)分布函數(shù)[6]。卓楊分析了水平荷載作用下樁土之間的相互作用[7]。文獻(xiàn)[8]研究了微型樁體系加固順層邊坡計(jì)算模式，考慮樁-土-樁相互作用分析了樁間應(yīng)力傳遞機(jī)制。王濤等指出彈性理論解夸大了樁-土作用，過高估計(jì)反力的不均勻性，建議在分析樁土作用時(shí)必須對(duì)彈性理論解進(jìn)行修正，方可得到滿意結(jié)果[9]。從以上分析可見對(duì)抗滑樁加固邊坡的研究主要集中在樁土作用和土拱效應(yīng)方面[10-13]。

綜合分析抗滑樁加固邊坡的研究文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，主要是針對(duì)樁后的土拱效應(yīng)進(jìn)行研究，而對(duì)樁體在坡體受力穩(wěn)定過程中的應(yīng)力變化規(guī)律，樁體不同部位的受力狀況及樁中應(yīng)力峰值出現(xiàn)時(shí)刻還有待進(jìn)一步研究，以上問題對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)與加固效果具有重要的指導(dǎo)意義，本文正是針對(duì)上述問題展開了詳細(xì)研究。

1 接觸面力學(xué)分析

本研究涉及的接觸問題有土體與基巖之間的接觸面，抗滑樁與土體和基巖之間的接觸面。FLAC3D中提供的接觸面單元可以用來(lái)分析上述接觸問題。能夠分析在一定受力狀態(tài)下兩個(gè)接觸面產(chǎn)生的錯(cuò)動(dòng)滑移以及分開閉合現(xiàn)象。接觸面單元是由三節(jié)點(diǎn)的三角形單元構(gòu)成，分配三角形面積到各個(gè)節(jié)點(diǎn)上，每個(gè)接觸面節(jié)點(diǎn)都表示一定的接觸面積。四邊形區(qū)域由兩個(gè)三角形接觸面來(lái)表示，在每個(gè)接觸面頂點(diǎn)上自動(dòng)生成節(jié)點(diǎn)。

接觸面是單面的，接觸面單元可以通過接觸面節(jié)點(diǎn)和實(shí)體單元之間建立聯(lián)系。接觸面法向方向所受到的力是有目標(biāo)面方向決定的。在每個(gè)時(shí)步中，首先得到接觸面節(jié)點(diǎn)和目標(biāo)面之間的絕對(duì)法向刺入量和相對(duì)剪切速度，再利用接觸面本構(gòu)模型來(lái)計(jì)算法向和切向力。處于彈性階段，t+Δt時(shí)刻接觸面的法向和切向應(yīng)力通過下式計(jì)算：

(1)

圖1為接觸面本構(gòu)模型示意圖，對(duì)于Coulomb滑動(dòng)的接觸面單元，存在相對(duì)接觸和相對(duì)滑動(dòng)兩種狀態(tài)，根據(jù)Coulomb抗剪強(qiáng)度準(zhǔn)則可得到滑動(dòng)切向力Fsmax為：

Fsmax=cijA+tanφif(Fn-uA)

(2)

式中，cij為接觸面的凝聚力，φif為接觸面的摩擦角，u為孔壓。

當(dāng)|Fs|

(3)

式中，ψ為接觸面膨脹角，|Fs|o為修正前的剪力大小。

圖1 接觸面本構(gòu)模型示意圖

節(jié)點(diǎn)上的法向力分布在目標(biāo)面上，剪切力分布在與節(jié)點(diǎn)相連的反方向的面上，然后加權(quán)平均各力到每個(gè)面的節(jié)點(diǎn)上。

2 抗滑樁加固邊坡受力機(jī)理

2.1 工程地質(zhì)與計(jì)算模型

高速公路路段的一路塹邊坡，邊坡上部為粉質(zhì)黏土，下部為基巖。粉質(zhì)黏土與基巖接觸面比較平直，且開挖切穿土巖接觸面，巖土分界面傾角15°左右，易造成接觸面上部土體沿接觸面的整體滑移。坡面的設(shè)計(jì)坡角40°，切穿的粉質(zhì)黏土最大垂直厚度達(dá)6m多。為了保證邊坡的穩(wěn)定性采取邊加固邊開挖的措施，采用抗滑樁群加固，抗滑樁截面為1m×1m的鋼筋混凝土樁，樁體采用C30混凝土，樁間距為3m，排距為5m。第一、二和三排錨固段長(zhǎng)度分別為8m、6.5m、5m，懸臂端長(zhǎng)度為6.15m、4.5m、2m。各種材料的物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)如表1所示。

表1 材料物理力學(xué)參數(shù)表

選取研究剖面尺寸為：長(zhǎng)度59m，高度30m，寬度方向18m。在粉質(zhì)黏土與基巖面之間采用Interface單元模擬分界面，抗滑樁表面采用Interface單元模擬樁土接觸面。采用Mohr-coulomb準(zhǔn)則進(jìn)行分析計(jì)算，所建立的模型如圖2所示。

圖2 邊坡加固計(jì)算模型

2.2 加固前穩(wěn)定性分析

圖3和圖4分別為未加固開挖邊坡上部土體中節(jié)點(diǎn)的位移圖和剪切面的破壞形態(tài)。

圖3 未加固上部土體x向位移

圖4 加固前分界面剪切破壞形態(tài)圖

通過地質(zhì)資料分析發(fā)現(xiàn)在路基邊坡的開挖過程中會(huì)切割土巖分界面，容易導(dǎo)致上部土體的失穩(wěn)破壞。圖3為土巖分界面上土體上部和下部?jī)蓚€(gè)節(jié)點(diǎn)的位移圖，從圖3可以看出兩點(diǎn)位移不在收斂且量值區(qū)域一致，說明了上部土體在未加固開挖時(shí)會(huì)沿分界面發(fā)生整體滑移。圖4分界面的整體剪切破壞也表明了上部土體的失穩(wěn)滑移現(xiàn)象。

2.3 抗滑樁受力機(jī)理分析

從前面的分析得知在不采取加固措施進(jìn)行開挖時(shí)，會(huì)發(fā)生坡體的失穩(wěn)破壞。因此必須對(duì)坡體進(jìn)行加固處理。下面分析抗滑樁不同部位在邊坡加固中的受力機(jī)理。

圖5、圖6為各排抗滑樁加固邊坡過程中，樁體不同部位軸向力隨著時(shí)步的變化規(guī)律。圖中樁上部軸向力和下部軸向力分別是指抗滑樁頂部和抗滑樁底部處單元的軸向力，而樁中部軸向力都是指各排樁在巖土分界面處的軸向力。從圖5和圖6看出隨著時(shí)步的增加各排樁的樁中軸向應(yīng)力逐漸增大到最大值而后又下降穩(wěn)定于最終受力狀態(tài)，樁中軸力比樁頂和樁底軸力都大，主要是上部土體下滑力沿樁軸向的分力作用于樁上使得軸向力不斷增加造成巖土分界面處樁軸向力較大。對(duì)比各排樁受力情況發(fā)現(xiàn)第一排所受的力最大，表明了第一排樁在邊坡穩(wěn)定性方面所起的作用較大?？够瑯妒艿降淖畲筝S力并不是穩(wěn)定時(shí)的軸力，而是發(fā)生在邊坡應(yīng)力調(diào)整過程中。分界面處軸力的穩(wěn)定時(shí)間明顯要晚于樁頂和樁底部位，表明分界面處樁體在應(yīng)力調(diào)整過程中受力變化更加復(fù)雜。

圖5 第一排樁軸力

圖6 第二排樁軸力

圖7、圖8為抗滑樁剪應(yīng)力隨時(shí)步的變化規(guī)律，從圖看出在邊坡應(yīng)力調(diào)整過程中，各排樁分界面處剪應(yīng)力變化幅度最大，表明抗滑樁在分界面處所受到的剪切作用較大?？够瑯对诜纸缑嫣幖魬?yīng)力達(dá)到穩(wěn)定值受邊坡應(yīng)力調(diào)整的影響較大明顯滯后于樁頂與樁底部位。主要是由于邊坡開挖導(dǎo)致巖土分界面以上的土體向下滑移，土體滑移力作用于錨固于基巖中的抗滑樁上部造成抗滑樁在分界面處受到較大的剪切作用，從而在剪切面處出現(xiàn)了較大的剪應(yīng)力。在邊坡開挖樁土作用的應(yīng)力調(diào)整過程中，分界面處剪應(yīng)力的變化要比樁頂與樁底部位更加復(fù)雜，表明了抗滑樁在分界面處截面為控制截面，是容易破壞的位置。

圖7 第一排樁剪切力

圖8 第二排樁剪切力

3 結(jié)論

通過未加固前邊坡的穩(wěn)定性分析，發(fā)現(xiàn)上部土體會(huì)沿著巖土分界面發(fā)生整體滑移，結(jié)合實(shí)際地質(zhì)采用抗滑樁對(duì)坡體進(jìn)行了加固處理。

詳細(xì)分析了開挖導(dǎo)致坡體應(yīng)力調(diào)整過程中抗滑樁受力機(jī)理，揭示出了抗滑樁在巖土分界面處受到的軸向力和剪切應(yīng)力都較大，是坡體加固中抗滑樁的重點(diǎn)控制部位。容易在分界面處由于上部巖土體的下滑作用力導(dǎo)致樁體的破壞。

樁體在分界面處應(yīng)力調(diào)整達(dá)到穩(wěn)定值的時(shí)間要滯后于樁頂和樁底部位應(yīng)力調(diào)整的時(shí)間?？够瑯端艿降淖畲筝S向力和剪切應(yīng)力并不是坡體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)的樁體所受應(yīng)力，而是出現(xiàn)在坡體應(yīng)力調(diào)整過程中。

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