姜淑偉， 薛新華, 黃 浩

(四川大學(xué)水利水電學(xué)院， 四川成都 610065)

昔格達地層是一套廣泛分布在攀西地區(qū)的半成巖地層，其主要成分為砂泥巖和頁巖，具有巖性軟、強度低、水穩(wěn)性差等特點[1]。由于含有伊利石為主的黏土顆粒而具有強烈的親水性、吸水膨脹、脫水干裂的特征，提供給了地表水滲入的條件，并由于易滑結(jié)構(gòu)面的存在，為滑坡面提供了內(nèi)在條件。

吳煥恒[2]針對攀西地區(qū)某工程場地的臨時邊坡以及未來使用的永久邊坡，進行了昔格達地層流變特性的研究。姚裕春[3]采用離心模型試驗研究了昔格達邊坡開挖過程遷移式破壞。邵江[4]在針對西攀高速公路某邊坡的滑坡原因進行分析，提出對昔格達層路堤邊坡開挖進行信息化設(shè)計和施工的必要性。

綜上，在昔格達層邊坡穩(wěn)定的研究中，主要以分析既有滑坡原因為主尚缺少針對抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性加固的研究。

在抗滑樁加固邊坡的設(shè)計當中，影響邊坡穩(wěn)定性的重要因素是樁的位置以及樁間距[5-6]。因此，抗滑樁的樁位選擇以及樁間距確定在加固邊坡設(shè)計中就顯得尤為重要。本文以成昆新線攀枝花南站路基試驗段工程某一典型斷面為例，考慮了樁-土間的接觸以及面-面接觸模擬樁-土間作用效應(yīng)，采用修正的Mohr-Coulomb模型求解樁-土的非線性應(yīng)力-應(yīng)變特性，并以有限元計算不收斂結(jié)合特征點位移發(fā)生突變作為抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性分析的失穩(wěn)判據(jù)，分析抗滑樁加固邊坡的穩(wěn)定性，根據(jù)不同樁位及樁間距得出相應(yīng)的安全系數(shù)，建立抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的評價方法，可以為類似工程提供參考和借鑒。

1 ABAQUS有限元簡介

ABAQUS是由美國達索SIMULIA公司開發(fā)出來的有限元分析軟件，該軟件是目前國際上最先進的大型通用有限元軟件之一，其擁有很強的非線性分析功能。ABAQUS軟件在歐洲、北美和亞洲許多國家得到了廣泛運用，其用戶輻射到機械、化工、冶金、水利、材料、土木、航空航天、汽車、船舶等許多科研領(lǐng)域以及工程領(lǐng)域。

昔格達層因其復(fù)雜的物理力學(xué)性質(zhì)，傳統(tǒng)沉降計算中選用的線彈性模型對其并不適用，在實際計算中會產(chǎn)生較大的誤差。Mohr-Coulomb模型在應(yīng)力空間中存在彈性區(qū)、塑性區(qū)及其分界面, 塑性流動勢為光滑曲面, 且是非關(guān)聯(lián)的，可較好的反映實際土體的非線性特征，在巖土工程實踐中得到了廣泛的應(yīng)用[7]。同時，M-C模型中需要參數(shù)較少，可結(jié)合現(xiàn)場勘察及室內(nèi)試驗確定參數(shù)值。為便于獲取材料參數(shù)及計算的精確性，本次選取M-C本構(gòu)模型進行計算。

2 有限元模型建立及參數(shù)選取

2.1 參數(shù)的求取

典型斷面DK592+120處地基各土層均成緩傾狀，自上而下分別為： 昔格達地層，該地層巖質(zhì)軟且成巖作用較差，浸水后強度降低較多，易軟化崩解。<41-W3>花崗巖地層，呈中粗粒不等?；◢彔罱Y(jié)構(gòu)，巖質(zhì)硬且強度高。結(jié)合現(xiàn)場勘察資料，通過對路堤填料進行大量的物理力學(xué)試驗，采用的材料強度參數(shù)如表 1所示。

表1 有限元計算參數(shù)

2.2 幾何模型的建立

本文研究的路堤工程位于溝谷復(fù)雜地形上，通過對多個路堤橫斷面圖進行分析，選擇其中一典型斷面DK592+120進行計算，在保證計算精度的情況下對斷面進行適當簡化，路堤頂?shù)接覀?cè)邊界取2倍坡高，路堤坡腳到左側(cè)邊界取1倍坡高，地基影響深度取2倍坡高。簡化后的斷面如圖1所示，抗滑樁加固間距取為6m，利用對稱性，取圖中的陰影部分進行分析。

圖1 路堤模型截面

通過圖1所示的截面圖以及拉伸距離建立三維模型如圖2所示，限制模型底部邊界的所有位移，左右邊界以及前后邊界的水平位移，其他邊界面不做限制。

(a)未經(jīng)抗滑樁加固

(b)抗滑樁加固圖2 路堤三維模型示意

3 結(jié)果討論

3.1 抗滑樁對模型的加固分析計算

在計算模擬過程中，提取路堤的水平位移、沉降量以及安全系數(shù)，分析路堤水平位移和路堤變形圖以及沉降量圖，得出與路堤的邊坡穩(wěn)定性相關(guān)結(jié)論。最后將未采用抗滑樁加固的路堤模型與抗滑樁加固的路堤模型進行對比，從路堤水平位移、沉降量以及安全系數(shù)對比結(jié)果判斷抗滑樁的加固效果。

3.1.1 抗滑樁對模型位移的影響

圖3、圖4分別為模型采用抗滑樁前后水平位移，沉降量的變形云圖。

(a)未采用抗滑樁加固水平位移

(b)采用抗滑樁加固水平位移圖3 路堤水平位移變形云圖

(a)未采用抗滑樁加固的沉降量

(b)采用抗滑樁加固的沉降量圖4 路堤豎向位移變形云圖

由圖3及圖4可知，在沒有加固前，未采用抗滑樁加固的路堤的最大水平位移和最大沉降量分別是4.529m和4.493m；通過抗滑樁加固以后，路堤的最大水平位移和最大沉降量分別是0.155m和0.379m。由此得出，在不加固的情況下，未采用抗滑樁加固的路堤會在自重壓力下失穩(wěn)破壞，在加抗滑樁以后，抗滑樁起到了明顯的加固作用，不會發(fā)生失穩(wěn)現(xiàn)象。

3.1.2 模型安全系數(shù)的計算

目前判斷土坡達到臨界破壞的評價標準主要有三種，一是以數(shù)值計算收斂與否作為評價標準；二是以特征部位的位移拐點作為評價標準；三是以是否形成連續(xù)的貫通區(qū)作為評價標準。

本文基于有限元強度折減法，通過ABAQUS軟件提取采用抗滑樁加固模型前后的折減系數(shù)FV1與水平位移U1的數(shù)據(jù)，繪制FV1與U1曲線(圖5)。

(a)抗滑樁加固前

(b)抗滑樁加固后圖5 FV1與U1關(guān)系

由圖5可知，若以數(shù)值計算不收斂作為土坡穩(wěn)定的標準，抗滑樁加固前后對應(yīng)的安全系數(shù)為1.179和1.256。同時注意到頂部節(jié)點水平位移有一個明顯的拐點，若以位移拐點作為評價標準，則安全系數(shù)為1.175和1.245。

模型塑性應(yīng)變出現(xiàn)貫通時的云圖如圖6所示。由圖6可以清楚的判斷滑動面的位置，呈大致的圓弧狀，并且通過坡腳點，此時對應(yīng)的安全系數(shù)為1.174和1.237，與前兩種判斷標準得到的安全系數(shù)差不多。

(a)抗滑樁加固前

(b)抗滑樁加固后圖6 路堤塑性應(yīng)變云圖

3.2 抗滑樁樁位與樁間距對安全系數(shù)的影響

在其他參數(shù)不變的情況下，通過改變樁的橫向位置和抗滑樁樁間距，對比分析路堤模型的邊坡安全系數(shù)，對樁位進行優(yōu)化設(shè)計，從而為實際工程中高填方昔格達層路堤加固設(shè)計提供一定的理論依據(jù)(圖7、圖8、表4、表5)。

圖7 路堤不同樁位截面(單位:m)

由表4、表5和圖8可以看出，當樁間距一定時，從樁位1到樁位5，安全系數(shù)呈現(xiàn)出先增大后減小的趨勢，并在樁位2出現(xiàn)最大值，以計算不收斂及位移拐點作為判別標準得出的安全系數(shù)分別為1.271和1.260。由此得出樁橫向位移宜設(shè)置在路堤邊坡的中部偏下。

圖8 不同樁位安全系數(shù)

樁位12345安全系數(shù)1.179971.270611.256651.239111.2308

表5 位移出現(xiàn)拐點時不同樁位安全系數(shù)

在上述五種樁位的條件下，改變樁間距，使樁間距分別為6m、7m、8m、9m、10m。利用ABAQUS對上述25種工況進行模擬，得出的安全系數(shù)如表6、表7所示。

表6 計算不收斂時各工況安全系數(shù)

表7 位移出現(xiàn)拐點時各工況安全系數(shù)

通過表6、表7可以看出，對任意樁位，隨著樁間距的加大，安全系數(shù)減小，其中，樁間距為6m時，安全系數(shù)最大，抗滑樁加固作用最明顯；通過兩種判別方法得出的安全系數(shù)存在差異，這是因為塑性區(qū)貫通之后位移自然快速增加，而計算并不一定不收斂，因此在實際工程中，建議在以有限元計算不收斂的基礎(chǔ)上參考特征點位移突變作為補充的失穩(wěn)判據(jù)。

4 結(jié)論

以攀枝花南站昔格達層某斷面為研究對象，基于對路堤 邊坡模型進行不同樁位以及樁間距的抗滑樁加固模擬分析，求解出各種工況下路堤邊坡的水平位移、沉降量以及安全系數(shù)，通過對這些計算數(shù)據(jù)的分析表明：

(1)采用抗滑樁加固后，路堤邊坡的水平位移與沉降量得到明顯降低，而安全系數(shù)得到增大，整個邊坡的穩(wěn)定性得到加強。

(2)在抗滑樁間距一定的情況下，安全系數(shù)隨樁位的變化而變化，其中，當樁位處于邊坡中下部時，安全系數(shù)最大，抗滑樁加固效果最好。

(3)樁位一定的情況下，安全系數(shù)隨樁間距的增大而減小。

(4)通過幾種判斷邊坡達到臨界破壞的評價標準得出的安全系數(shù)存在差異，建議在實際工程中，綜合考慮多種判別標準。