施 穎,王 浩,朱益軍,王金昌,張振宇
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)分公司,浙江 杭州 310051;3.浙江大學(xué) 交通工程研究所,浙江 杭州 310027)
微型樁設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)土坡穩(wěn)定影響的三維數(shù)值分析
施 穎1,王 浩1,朱益軍2,王金昌3,張振宇1
(1.浙江工業(yè)大學(xué) 建筑工程學(xué)院,浙江 杭州 310014;2.浙江交工集團(tuán)股份有限公司 設(shè)計(jì)分公司,浙江 杭州 310051;3.浙江大學(xué) 交通工程研究所,浙江 杭州 310027)
微型樁是加固土質(zhì)邊坡的一種常用工程措施.大多數(shù)關(guān)于微型樁加固邊坡的二維數(shù)值分析方法存在一定局限性.結(jié)合典型邊坡算例,利用巖土工程專業(yè)有限元軟件Plaxis建立三維數(shù)值模型,研究微型樁-土坡體系中設(shè)樁位置、樁傾角和樁長(zhǎng)等微型樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.研究結(jié)果表明:微型樁設(shè)樁位置對(duì)邊坡加固效果影響顯著,其中設(shè)樁在坡中靠下位置時(shí),加固效果最好,設(shè)樁在坡頂或坡腳位置,加固效果都不明顯;對(duì)于土質(zhì)邊坡,微型樁加固邊坡存在最優(yōu)設(shè)樁傾角;邊坡的安全系數(shù)隨微型樁樁長(zhǎng)L增大而增大,當(dāng)L達(dá)到最佳錨固長(zhǎng)度時(shí),樁長(zhǎng)變化不再對(duì)安全系數(shù)產(chǎn)生.
微型樁;土坡;三維數(shù)值模型;臨界滑動(dòng)面
由于微型樁及其組合結(jié)構(gòu)具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便、造價(jià)較低以及適用范圍廣等特點(diǎn),近年來(lái)廣泛應(yīng)用于邊坡加固等防護(hù)工程中并取得了良好的加固效果和經(jīng)濟(jì)效益[1].如何將微型樁更安全有效地用于邊坡加固,多年來(lái)專家和學(xué)者傾注了大量心血同時(shí)取得了豐富的研究成果.通過(guò)文獻(xiàn)檢索發(fā)現(xiàn),有關(guān)微型樁的研究?jī)?nèi)容大體可以分為3類:1) 理論分析.基于傳統(tǒng)力學(xué)理論建立數(shù)學(xué)模型,研究樁土間荷載傳遞機(jī)制或相互作用機(jī)理[1-3];2) 數(shù)值模擬.利用數(shù)值計(jì)算軟件建立二維或三維模型,分析樁-土相互作用下樁身的受力和變形,以及樁間土的應(yīng)力和變形情況[4-8];3) 模型試驗(yàn).通過(guò)室內(nèi)離心實(shí)驗(yàn)或模型試驗(yàn)等,直觀研究樁-土作用機(jī)理及樁的工作性能[9-11].
上述幾類研究工作中,得益于計(jì)算機(jī)技術(shù)的快速發(fā)展,數(shù)值模擬分析方法在微型樁加固邊坡的研究中扮演了越來(lái)越重要的角色,諸多研究成果有效提升了微型樁加固邊坡的合理性.然而,綜合相關(guān)資料,筆者注意到微型樁數(shù)值分析大多采用二維模型,而邊坡實(shí)際破壞一般呈現(xiàn)三維特征,二維數(shù)值模型往往不能真實(shí)反映邊坡的真實(shí)狀態(tài)和失穩(wěn)過(guò)程[4].因此,結(jié)合典型算例邊坡,利用巖土專用有限元軟件Plaxis建立三維數(shù)值模型,分析微型樁設(shè)樁位置、樁傾角和樁長(zhǎng)等微型樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性及臨界滑動(dòng)面的影響,以期為微型樁加固邊坡工程提供指導(dǎo)和借鑒.
利用有限元法分析復(fù)雜邊坡的穩(wěn)定性,考慮了巖土材料的非線性彈塑性本構(gòu)關(guān)系和邊界條件的復(fù)雜性,能夠有效模擬巖土材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系,分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過(guò)程,具有傳統(tǒng)的極限平衡法所達(dá)不到的優(yōu)點(diǎn),目前在工程中得到廣泛應(yīng)用.
1.1 強(qiáng)度折減法
Duncan[12](1996)指出,邊坡的安全系數(shù)F可以定義為使邊坡剛好達(dá)到臨界狀態(tài)時(shí),巖土材料抗剪強(qiáng)度的折減程度,即巖土實(shí)際抗剪強(qiáng)度與臨界破壞時(shí)抗剪強(qiáng)度的比值,具有強(qiáng)度儲(chǔ)備的性質(zhì).因此,當(dāng)坡體處于臨界狀態(tài)時(shí),巖土體的臨界抗剪強(qiáng)度參數(shù)c′,φ′可以表示為
(1)
式中:c,φ分別為巖土所能實(shí)際發(fā)揮的抗剪強(qiáng)度.
巖土抗剪強(qiáng)度折減的變化過(guò)程可以用Morh應(yīng)力圓來(lái)說(shuō)明,如圖1所示.抗剪強(qiáng)度折減的過(guò)程就是抗剪強(qiáng)度包絡(luò)線與Mohr應(yīng)力圓相切的過(guò)程,當(dāng)兩者相切時(shí)對(duì)應(yīng)的折減系數(shù)F即為邊坡的安全系數(shù).
圖1 抗剪強(qiáng)度折減原理Fig.1 Shear strength reduction principle
1.2 邊坡失穩(wěn)判據(jù)
如何判別邊坡是否處于整體失穩(wěn)狀態(tài)是邊坡有限元穩(wěn)定分析的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題.目前,邊坡失穩(wěn)破壞的判據(jù)主要有以下幾種[13]:
1) 坡體內(nèi)塑性區(qū)貫通.
2) 坡體滑移面上應(yīng)變和位移發(fā)生突變且無(wú)限發(fā)展.
3) 有限元計(jì)算不收斂.
按照巖土力學(xué)中的破壞準(zhǔn)則,邊坡失穩(wěn)破壞時(shí),滑面上每點(diǎn)的應(yīng)力應(yīng)變都達(dá)到極限平衡狀態(tài),材料進(jìn)入破壞狀態(tài)同時(shí)模型計(jì)算不能收斂,此時(shí)巖土體抗剪強(qiáng)度得到充分發(fā)揮,由此可依據(jù)強(qiáng)度折減法得到邊坡的安全系數(shù).因此,有限元分析時(shí)采用力或位移計(jì)算不收斂作為邊坡失穩(wěn)的判據(jù)是比較合理的.
參考典型邊坡算例,結(jié)合研究目的,建立邊坡-樁模型側(cè)面、平面圖見圖2.其中模型底面長(zhǎng)40m,左側(cè)高22.5m,右側(cè)高10m,邊坡坡高為12.5m,坡面水平長(zhǎng)度15m,坡度40°.微型樁樁長(zhǎng)L=7.0 m,樁徑D=0.6 m,樁間距S=3.0 m.為更直觀顯示邊坡在強(qiáng)度折減后的變形破壞情況,根據(jù)圖1建立Plaxis雙樁三維有限元模型,劃分單元網(wǎng)格后如圖3所示.對(duì)計(jì)算模型x軸方向左右兩側(cè)邊界位移約束,y軸方向前后兩側(cè)邊界位移約束,底部三向邊界位移約束.土體采用服從Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則與非相關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則的理想彈塑性本構(gòu)模型.樁-土間設(shè)置相互接觸作用,摩擦因數(shù)為0.4.采用軟件自帶的強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù),微型樁、土體的材料參數(shù)見表1.
圖2 邊坡-微型樁模型平面圖Fig.2 Plan of slope-micropile model
圖3 微型樁加固邊坡三維有限元模型Fig.3 3D numerical model of slope
材料黏聚力C/kPa摩擦角Φ/(°)變形模量/MPa泊松比μ重度γ/(kN·m-3)土825320.2518微型樁300000.2024
3.1 設(shè)樁位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響
針對(duì)微型樁加固邊坡設(shè)樁位置問(wèn)題,取微型樁傾角r=0°,r=40°(即豎直放置、垂直于坡面)兩種形式分別建立計(jì)算模型.變化微型樁位置計(jì)算得到h/H與邊坡安全系數(shù)F的變化曲線如圖4所示.分析這三條曲線,隨著h/H的增大即設(shè)樁位置往下移時(shí),安全系數(shù)F先增大后減??;當(dāng)h/H=0.6時(shí),F(xiàn)達(dá)到最大值,即設(shè)樁在坡中靠下位置時(shí),微型樁對(duì)邊坡的加固效果最好;設(shè)樁于坡頂時(shí),加固效果不明顯;設(shè)樁于坡腳時(shí),微型樁幾乎起不到加固效果.對(duì)比樁加固的兩條曲線,可以發(fā)現(xiàn)斜樁-邊坡體系的穩(wěn)定性要高于直樁-邊坡體系的穩(wěn)定性,且在微型樁位于坡中靠下位置時(shí),兩者差距更加明顯,說(shuō)明設(shè)樁傾角對(duì)加固邊坡的安全系數(shù)有較大影響.
圖4 邊坡安全系數(shù)與設(shè)樁位置關(guān)系圖Fig.4 Relationship between FOS and micorpile locations
圖5顯示為設(shè)樁位置不同時(shí)(r=40°),邊坡經(jīng)強(qiáng)度折減后臨界滑動(dòng)面的分布情況.從圖5可以看出:當(dāng)微型樁位于坡頂或坡腳時(shí),邊坡臨界滑動(dòng)面靠近坡表,說(shuō)明此時(shí)微型樁阻滑作用不大,邊坡穩(wěn)定性較低;隨著設(shè)樁位置往下移動(dòng),微型樁阻滑作用加強(qiáng),滑動(dòng)面由淺層向深層轉(zhuǎn)變,表明邊坡的穩(wěn)定性逐漸提高;當(dāng)設(shè)樁在h/H=0.6時(shí),微型樁承受最大的樁后土推力,同時(shí)臨界滑動(dòng)面處于坡體最深處,表明此時(shí)邊坡最穩(wěn)定,微型樁加固效果最好.此外,設(shè)樁在坡腳時(shí),塑形應(yīng)變區(qū)顯示為完整的貫通弧面,說(shuō)明此時(shí)的微型樁幾乎沒(méi)有起到阻滑作用.以上分析可以發(fā)現(xiàn)臨界滑動(dòng)面的變化規(guī)律與安全系數(shù)隨設(shè)樁位置的變化規(guī)律相一致.
圖5 不同設(shè)樁位置時(shí)邊坡臨界滑動(dòng)面Fig.5 Critical slip surface at the different micropile locations
3.2 設(shè)樁傾角對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響
由前述分析,對(duì)于坡體強(qiáng)度較低的土坡,傳統(tǒng)的豎直設(shè)樁并非最佳方式,微型樁傾角對(duì)加固邊坡的安全系數(shù)有明顯影響.因此基于圖3模型,設(shè)樁于h/H=0.6處,變化樁傾角r研究其對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響規(guī)律.圖6為樁傾角r與邊坡安全系數(shù)F的關(guān)系曲線圖.從圖6中可以看出:當(dāng)r在0~60°區(qū)間內(nèi),F(xiàn)先增大后減小.對(duì)于該坡度為40°的土質(zhì)邊坡,要使微型樁發(fā)揮最大的阻滑作用,最優(yōu)設(shè)樁傾角約為30°.
圖6 邊坡安全系數(shù)隨微型樁傾角變化曲線圖Fig.6 Effects of micorpile inclination on FOS
圖7顯示為設(shè)樁在h/H=0.6處時(shí)邊坡的臨界滑動(dòng)面分布圖.可以發(fā)現(xiàn)設(shè)樁在此位置時(shí),微型樁都將滑動(dòng)面分成了前后兩個(gè)部分,說(shuō)明微型樁起到了有效的阻滑作用.對(duì)比各圖7可知:當(dāng)樁傾角r=30°,滑動(dòng)面深度明顯最深,說(shuō)明此時(shí)邊坡最為穩(wěn)定.
圖7 不同設(shè)樁傾角時(shí)邊坡臨界滑動(dòng)面Fig.7 Effects of micropile inclination on critical slip surface
3.3 微型樁樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響
采用前述算例參數(shù),取樁傾角r=20°,變化微型樁長(zhǎng)度L計(jì)算得到其與安全系數(shù)F的關(guān)系曲線見圖8.從圖8可以看出:當(dāng)L≤5 m時(shí),安全系數(shù)變化不明顯;當(dāng)5 圖9顯示為臨界滑動(dòng)面分析樁長(zhǎng)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.從圖9可以看出:樁長(zhǎng)L=4 m和L=5 m時(shí)邊坡的臨界滑動(dòng)面深度沒(méi)有變化,塑形應(yīng)變區(qū)顯示為貫通的弧面,說(shuō)明樁長(zhǎng)過(guò)小時(shí)加固效果不理想;當(dāng)L≥6 m時(shí),一方面臨界滑動(dòng)面不斷向坡體內(nèi)部深入,另一方面微型樁對(duì)塑形應(yīng)變區(qū)的阻隔作用逐漸加強(qiáng),說(shuō)明微型樁逐步提高邊坡的穩(wěn)定性;這與圖8顯示的樁長(zhǎng)與安全系數(shù)的變化規(guī)律一致;當(dāng)L≥10 m時(shí),微型樁完全阻隔了塑形應(yīng)變區(qū)的發(fā)展,此時(shí)增大樁長(zhǎng)不再影響邊坡穩(wěn)定性. 圖8 邊坡安全系數(shù)與樁長(zhǎng)關(guān)系圖Fig.8 Relationship between FOS and micorpile length 圖9 不同樁長(zhǎng)時(shí)邊坡臨界滑動(dòng)面Fig.9 Effects of micropile length on critical slip surface 利用巖土工程專業(yè)有限元軟件Plaxis,建立三維微型樁-土坡數(shù)值模型,研究微型樁主要設(shè)計(jì)參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響.結(jié)果表明:將樁設(shè)在h/H=0.6處即坡中靠下位置時(shí),微型樁對(duì)邊坡的加固效果最好;設(shè)樁于坡頂時(shí),加固效果不明顯;設(shè)樁于坡腳時(shí),微型樁幾乎起不到加固效果;邊坡臨界滑動(dòng)面的變化規(guī)律與安全系數(shù)隨設(shè)樁位置的變化規(guī)律相一致;對(duì)于土質(zhì)邊坡,傳統(tǒng)的豎直設(shè)樁并非最佳方式,微型樁加固邊坡時(shí)存在最優(yōu)設(shè)樁傾角;微型樁樁長(zhǎng)L過(guò)小時(shí),對(duì)加固邊坡穩(wěn)定性的影響很??;當(dāng)L在一定區(qū)間時(shí),安全系數(shù)快速增長(zhǎng)同時(shí)關(guān)系曲線斜率緩慢減小;當(dāng)L達(dá)到最佳錨固長(zhǎng)度時(shí),樁長(zhǎng)變化不再對(duì)邊坡安全系數(shù)產(chǎn)生影響. [1] 陳立新,王士川.抗滑樁的彈塑性理論分析[J].工業(yè)建筑,1997,27(7):28-33. [2] 高永濤,張友葩,吳順川.土質(zhì)邊坡抗滑樁機(jī)理分析[J].北京科技大學(xué)學(xué)報(bào),2003,25(2):117-123. [3] 楊雪強(qiáng),吉小明,張新濤.抗滑樁樁間土拱效應(yīng)及其土拱模式分析[J].中國(guó)公路學(xué)報(bào),2014,27(1):30-37. [4] 張克利.基于強(qiáng)度折減有限元法的三維邊坡穩(wěn)定性與破壞模式分析[D].大連:大連理工大學(xué),2011. [5] 年廷凱,徐海洋,劉紅帥.抗滑樁加固邊坡三維數(shù)值分析中的幾個(gè)問(wèn)題[J].巖土力學(xué),2012,33(8):2521-2526. [6] 張友良,馮夏庭,范建海,等.抗滑樁與滑坡體相互作用的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(6):839-842. [7] 楊偉,丁伯陽(yáng),潘曉東,等.基于GIS的邊坡三維穩(wěn)定性計(jì)算[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2012,40(1):92-95. [8] 丁伯陽(yáng),陶海冰,周樂(lè)堯.富陽(yáng)長(zhǎng)綠鎮(zhèn)青龍山滑坡治理[J].浙江工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào),2004,32(2):52-57. [9] 葉海林,鄭穎人,李安洪,等.地震作用下邊坡抗滑樁振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(2):251-257. [10] 歐孝奪,唐迎春,崔偉,等.h型抗滑樁模型試驗(yàn)及數(shù)值模擬[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2012,31(9):1936-1943. [11] 戴自航.抗滑樁滑坡推力和樁前滑體抗力分布規(guī)律的研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào),2002,21(4):517-521. [12] 陳祖煜.巖質(zhì)邊坡穩(wěn)定分析[M].北京:中國(guó)水利水電出版社,2003. [13] 鄭穎人,趙尚毅,宋雅坤.有限元強(qiáng)度折減法研究進(jìn)展[J].后勤工程學(xué)院學(xué)報(bào),2005,3(3):1-6. (責(zé)任編輯:劉 巖) Three-dimensional numerical analysis for the effect of micropile parameters on the stability of slopes SHI Ying1, WANG Hao1, ZHU Yijun2, WANG Jinchang3, ZHANG Zhenyu1 (1.College of Civil Engineering and Architecture, Zhejiang University of Technology, Hangzhou 310014, China; 2.Design Branch of Zhejiang Communications Construction Group Co., Ltd., Hangzhou 310051, China; 3.Institute of Traffic Engineering, Zhejiang University, Hangzhou 310027, China) Micropiles are commonly used to reinforce soil slopes. Due to the limitation of two-dimensional numerical analysis, a typical slope example is selected and the Plaxis is adopted to establish a 3D model of the micropile-soil slope system to analyse the position, inclination, length of micropiles on the stability of slopes. The results show that, when the micropile is placed a place which is slightly lower than the middle of the slope, the reinforcing effect is the best. However, when the micropile is placed at the top or foot of the slope, the reinforcing effect is not obvious. For soil slopes, the micropile has an optimum inclination. The factor of safety of slopes increases with the increase of the micropile lengthL. When the length is too large, the micropile has no effect on the stability of slopes. micropile; soil slope; three-dimensional numerical model; critical slip plane 2016-11-03 浙江省科技計(jì)劃項(xiàng)目(2015C31006);浙江省交通運(yùn)輸廳科技計(jì)劃項(xiàng)目(2016H06,2014H27) 施 穎(1963—),男,浙江蘭溪人,教授級(jí)高級(jí)工程師,博士,研究方向?yàn)闃蛄航Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和理論研究,E-mail:zj_sy2003@163.com. U416.14 A 1006-4303(2017)03-0249-044 結(jié) 論