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(1.長沙理工大學(xué), 湖南 長沙 410076; 2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司, 江蘇 南京 210014;3.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司, 湖南 長沙 410014)
基于強度折減法的樁板墻加固邊坡穩(wěn)定性影響研究
倪號葉1,2,郭昕1,李鏢飛1,3
(1.長沙理工大學(xué), 湖南 長沙 410076; 2.中設(shè)設(shè)計集團股份有限公司, 江蘇 南京 210014;3.湖南理大交通科技發(fā)展有限公司, 湖南 長沙 410014)
為驗證海南某邊坡加固方案設(shè)計的合理性,基于強度折減法,利用ABAQUS軟件對經(jīng)樁板墻加固后的邊坡進行數(shù)值模擬分析,分析加固方案設(shè)計樁間距情況下的邊坡穩(wěn)定性和變形特性。結(jié)果表明:當(dāng)樁間距為5 m時,樁頂位移為6 cm,安全系數(shù)為1.87,這一樁間距時的樁板墻加固邊坡依然有著良好的穩(wěn)定性,且經(jīng)濟、合理,可為最終設(shè)計方案的最終確定提供計算參考。
邊坡加固; 樁板墻; 數(shù)值模擬; 方案設(shè)計
邊坡設(shè)計中常會通過各種手段對設(shè)計方案進行驗算以確保方案的合理性。較傳統(tǒng)計算方法而言,目前常采用的有限元計算方法可以既快捷地計算出邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)及位移等傳統(tǒng)方法所得的結(jié)果,也能更直觀地了解整體和局部的應(yīng)力、應(yīng)變分布規(guī)律;同時也能便捷地通過變換某一參數(shù)條件來假設(shè)更多的最不利情況,為更全面地評估設(shè)計方案服務(wù)。如程展林[1]等基于有限元并結(jié)合膨脹模型和折減分析法對膨脹土邊坡進行了分析,認(rèn)為水分入滲引起的不均勻膨脹變形從而導(dǎo)致應(yīng)力場重新分布和強度折減是其破壞的主要原因。宋焱勛[2]等人基于可視化思路和有限元模型,研發(fā)了可視化邊坡穩(wěn)定性分析程序,能夠提高實際工程中復(fù)雜邊坡穩(wěn)定性的判別水平。
海南省萬寧市石梅灣至大花角旅游公路K6+402~K6+502左側(cè)邊坡位于南燕灣丘陵區(qū),由原道路開挖路塹修筑后形成高陡邊坡,該處邊坡在雨季已發(fā)生過多次大規(guī)模坍塌,局部小規(guī)?;卢F(xiàn)象也時有發(fā)生。為防止邊坡再次垮塌并保障旅游公路修建的安全,擬采用樁板墻對邊坡進行加固處治。通常情況下,樁間距越小則加固效果越好,考慮到該邊坡的實際情況和經(jīng)濟效益并參考了海南省同類型加固方案,初步確定樁間距為5 m,并擬采用數(shù)值模擬軟件對加固后的邊坡穩(wěn)定性系數(shù)進行計算和應(yīng)力應(yīng)變分布情況分析以驗證設(shè)計方案的科學(xué)性。加固設(shè)計初步方案如下:
坡體中部采用樁板墻加固,加固位置以下土體采用1∶4的削坡處理。樁板墻以上土體邊坡坡度為1∶3.5,樁位置距離坡腳26.5 m,樁長17 m,其中嵌固深度10 m,樁身截面為2 m×3 m的矩形截面,樁間距5 m(2.5D),樁端距離土體底部10 m,抗滑樁間采用厚度0.4 m的擋土板剛性連接。
本構(gòu)模型采用Mohr-Coulomb理想彈塑性模型,采用的破壞準(zhǔn)則為摩爾庫倫準(zhǔn)則和最大拉應(yīng)力準(zhǔn)則,3個主應(yīng)力為σ1≤σ2≤σ3。屈服準(zhǔn)則為Mohr-Coulomb準(zhǔn)則:
ccosφ=0
(1)
式中:φ為內(nèi)摩擦角;c為內(nèi)聚力;I1、J2為應(yīng)力張量參數(shù);ω0為應(yīng)力羅德角。
巖體材料采用線彈性本構(gòu)模型,其應(yīng)力應(yīng)變表達式為:
(2)
式中:E和v分別為彈性模量和泊松比。
樁板墻加固邊坡的模擬計算中,在進行邊坡模型簡化時將巖土體看作各向同性的問題來考慮,由于常規(guī)的極限平衡法不能提前確定潛在滑動面位置和形狀,因此在模型建立時對材料接觸、邊界等問題進行了假設(shè)和簡化,主要建模過程如下。
對樁土表面、板土表面、樁板表面等不同材料間的接觸問題進行單獨設(shè)置:土體與混凝土結(jié)構(gòu)間的切相接觸行為采用罰函數(shù)進行計算,法相接觸采用“硬”接觸并且允許接觸后分離;由于抗滑樁的存在,樁板墻結(jié)構(gòu)模型不能簡化為平面應(yīng)變問題,依托工程實際,按照貼近邊坡真實尺寸建模,模型的寬度采用單樁取半方案,利用對稱性,選取典型邊坡斷面,加固后的平面示意圖如圖1所示,模型示意圖取陰影部分進行分析。
圖1 模型簡化示意圖(單位: m)
按前文所述的初步樁板墻加固方案對模型進行三維有限元數(shù)值模擬,模型尺寸為: 坡高25 m(考慮地應(yīng)力的影響,模型高設(shè)為39 m),坡腳距土體底部14 m,樁板墻等尺寸與加固方案一致,模型網(wǎng)格圖如圖2所示。模型計算相關(guān)參數(shù)見表1。
圖2 樁板墻加固邊坡網(wǎng)格劃分圖
表1 模型計算相關(guān)參數(shù)及信息表材料名稱密度/(kg·m-3)彈性(壓縮)模量/107Pa樁24003000擋土板24003000土19005巖石2300300泊松比粘聚力/Pa內(nèi)摩擦角/(°)材料界面尺寸/m本構(gòu)模型02矩形2×3Elastic02厚04Elastic0251000013M-C0255000056M-C
邊坡土體的抗剪強度參數(shù)由室內(nèi)試驗得到,具體如表2所示。
表2 土體的抗剪強度參數(shù)值土體容重R/(kN·m-3)天然飽和抗剪強度參數(shù)天然飽和c/kPaφ/(°)c/kPaφ/(°)19201013810
整個過程包含2個分析步,第1分析步是施加重力荷載后獲得初始應(yīng)力狀態(tài),第2分析步是進行強度折減計算。在實際施工中是先澆筑樁板結(jié)構(gòu)再回填墻后土體,鑒于回填土的方量小且高度不大,在模擬計算時可視為與地基土的沉降與變形同一時間完成。即當(dāng)墻后土體與樁板結(jié)構(gòu)同高時,開始計算地基土的自重應(yīng)力,此時為初始應(yīng)力平衡;然后將此計算結(jié)果的位移值清零,但保留計算所得的應(yīng)力值作為下一步計算的初始條件。
邊界條件在第1個分析步中設(shè)置,針對三維模型需固定3個方向上的移動,以圖2所示為方向標(biāo)準(zhǔn),限定左右兩個面x方向位移,限定前后兩面y方向上的位移以及限定模型底部x、y、z三個方向位移。
強度折減法中當(dāng)材料的強度參數(shù)с和φ逐漸降低會導(dǎo)致某單元的應(yīng)力與強度不能對應(yīng),超過應(yīng)力允許的殘余應(yīng)力轉(zhuǎn)移至周圍土體單元中,當(dāng)出現(xiàn)連續(xù)滑動面(也稱為塑性貫通面)之后,土體就將失穩(wěn)。通過模擬軟件對邊坡進行計算分析,并獲取其應(yīng)力、應(yīng)變、位移等模擬計算數(shù)值并進行處理,所得有限元模擬計算結(jié)果及相關(guān)規(guī)律分析如下。
采用強度折減法判斷邊坡失穩(wěn)的依據(jù)之一就是滑動面是否發(fā)生了塑性貫通。圖3所示為加固后狀態(tài)下計算終止時的增量位移等值線云圖,對比圖4邊坡未進行樁板墻加固時的云圖可知,經(jīng)樁板墻加固后的邊坡?lián)鯄ξ闯霈F(xiàn)如圖4中所示的坡腳附近的塑性滑動帶,且位移值明顯變小(約為未加固時的1/2),可見經(jīng)加固后的邊坡下部土體穩(wěn)定性明顯增強;但結(jié)合圖5及圖6可知,樁前土體仍然產(chǎn)生了向下的失穩(wěn)滑動現(xiàn)象,該部分土體和樁之間已發(fā)生了部分分離,該現(xiàn)象在樁頂位置處尤為明顯。
圖3 加固后增量位移等值線云圖
圖4 未加固邊坡增量位移等值線云圖
圖5 樁身總體位移云圖
圖6 樁板與土接觸面位移云圖
抵抗坡體下滑產(chǎn)生的作用力主要由抗滑樁承擔(dān),圖5所示,坡體發(fā)生塑性貫通時的樁身位移云圖中樁體位移由上至下呈逐漸減小趨勢,最上段向外位移最大,而下部由于嵌固在巖土中,依然顯示出了較好的錨固狀態(tài),位移量小。圖7所示的樁身位移隨深度變化規(guī)律表明:隨樁深度的增大,位移逐漸減小。
圖7 不同樁身深度下的位移變化曲線
由圖8、圖9可知: 抗滑樁的樁后主動土壓力比樁前的主動土壓力分布情況更為復(fù)雜,樁前頂部至樁體錨固端之間土壓力較小,而在錨固端以下,樁前土壓力主要集中在錨固端下方且要大于樁后的數(shù)值。沿樁身中線方向選取不同深度的點進行土壓力分析,得到樁身前后土壓力大小隨深度的變化情況如圖10所示,該圖顯示,樁前與樁后主動土壓力發(fā)生明顯變化的位置一致,均為嵌入巖體處。本模型中的樁體被認(rèn)為是剛性樁,剛性樁的變形跟樁周同樣為剛性巖體的剛度有密切聯(lián)系,計算發(fā)現(xiàn)巖體的剛度和抗滑樁的剛度對樁體位移的影響量綱基本一致。
圖8 樁身應(yīng)力分布云圖
圖9 樁身最大應(yīng)力矢量分布位移云圖
圖10 樁身前后土壓力大小隨深度的變化趨勢圖
通過ABAQUS軟件對巖土體材料的с和φ值進行逐步折減,場變量個數(shù)為1個(穩(wěn)定性系數(shù)Fr),為防止迭代計算中由于連續(xù)的計算收斂導(dǎo)致過早的計算終止,將折減系數(shù)的變化范圍從1遞增至5,遞增間隔為0.25。除了с和φ值按照折減系數(shù)變化外,其余參數(shù)嚴(yán)格按照表2中的取值。繪制穩(wěn)定性系數(shù)Fr與樁頂附近處水平位移U1的關(guān)系曲線圖,以圖11中所示的關(guān)系曲線位移拐點值作為加固后的安全系數(shù)。計算結(jié)果顯示:安全系數(shù)由加固前的1.12提高到加固后的1.87,加固效果顯著。
圖11 穩(wěn)定性系數(shù)Fr與位移U1的關(guān)系曲線圖
在對邊坡進行了加固處治的初步設(shè)計后,通過對計算模型進行簡化并采用ABAQUS軟件對加固后的邊坡的應(yīng)力、應(yīng)變、位移情況及穩(wěn)定性系數(shù)進行了計算分析可知:
1) 使用了前文中具體所述設(shè)計參數(shù)的樁板墻加固處治措施后,坡腳處位移有明顯減?。粨跬涟宓氖芰皯?yīng)力分布情況顯示錨固作用較好,工作性能符合預(yù)期;邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)也由1.12提升至1.87,穩(wěn)定性良好。
2) 采用強度折減法對邊坡進行了處治后計算分析,各項指標(biāo)顯示設(shè)計方案符合加固預(yù)期且兼顧了工程可靠性和經(jīng)濟性,為施工圖后續(xù)設(shè)計提供了參考依據(jù)。
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1008-844X(2017)03-0018-04
U 417.1+1
A
2017-07-04
海南省交通運輸廳(hn2016010)
倪號葉(1975-),男,高級工程師,主要從事路基路面施工。