摘 要：滑坡是目前發(fā)生頻率最高、危害很嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害之一?？够瑯妒腔轮卫碜畛Ｒ姷墓こ檀胧┲?，它能夠起到很好的阻滑作用。凍融多出現(xiàn)在北方寒冷地區(qū)，往往會(huì)對(duì)許多工程結(jié)構(gòu)帶來一定的破壞。處于寒冷地區(qū)的抗滑樁結(jié)構(gòu)常因發(fā)生凍融循環(huán)作用而使結(jié)構(gòu)性能退化，嚴(yán)重影響結(jié)構(gòu)的長期使用和安全運(yùn)行。針對(duì)凍融對(duì)抗滑樁結(jié)構(gòu)破壞問題，以大前石嶺隧道進(jìn)口滑坡工程為例，重點(diǎn)探討了不同凍融循環(huán)次數(shù)下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況，得出抗滑樁的樁身強(qiáng)度和位移均受凍融循環(huán)次數(shù)的影響較大的結(jié)論，為凍融環(huán)循環(huán)條件下抗滑樁的設(shè)計(jì)提供理論支持。

關(guān)鍵詞：凍融循環(huán);滑坡治理;抗滑樁;數(shù)值模擬;有限差分

中圖分類號(hào)：TB 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.109

凍融是一種頻發(fā)的自然現(xiàn)象，其發(fā)生條件包括正負(fù)溫差與吸水飽和，會(huì)對(duì)許多混凝土工程結(jié)構(gòu)帶來不可逆轉(zhuǎn)的破壞。目前，大多數(shù)研究是通過混凝土的快速凍融實(shí)驗(yàn)和暴露實(shí)驗(yàn)，研究混凝土抵抗凍融循環(huán)破壞的能力和凍融對(duì)混凝土材料的微觀破壞影響。2013年，張澤等研究了凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其工程性質(zhì)改變機(jī)理。同年，Wu Q L等探討了水分含量對(duì)高寒地區(qū)路基凍融性能的影響。2014年，Omran H Y和El-Hacha R研究了凍融循環(huán)暴露對(duì)彎曲加固鋼筋混凝土梁彎曲行為的影響。同年，Wang Z D等研究了凍融循環(huán)負(fù)荷下混凝土內(nèi)部相對(duì)濕度及其變質(zhì)的演變過程。2015年，葛文杰等對(duì)混凝土梁試件進(jìn)行了不同次數(shù)的凍融循環(huán)，研究了預(yù)應(yīng)力鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的耐久性。同年，Xu H N等采用了X射線斷層掃描技術(shù)對(duì)三種瀝青混合料進(jìn)行掃描，以確定凍融周期內(nèi)瀝青混合料的內(nèi)部結(jié)構(gòu)演化。2016年，Cheng Y C等研究了裂縫、凍融循環(huán)和碳酸化對(duì)鋼筋混凝土的力學(xué)性能和耐久性的影響。同年，Jamshidi J R等以塑料和壓實(shí)土-水泥混合物為樣本，研究了在凍融環(huán)境對(duì)水泥砂漿性能和結(jié)構(gòu)的影響。2017年，Ma Z M等進(jìn)行了凍融循環(huán)、抗壓強(qiáng)度和斷裂性能試驗(yàn)，研究?jī)鋈趽p傷對(duì)混凝土斷裂行為的影響。同年，Rosa M G等比較了不同地質(zhì)材料的抗凍融性能，研究了粉煤灰的類型及含量對(duì)穩(wěn)定土工材料的抗凍融性能的影響。

目前，針對(duì)凍融對(duì)抗滑樁結(jié)構(gòu)破壞的研究少之又少，且絕大多數(shù)模擬軟件缺乏直接對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)在凍融條件下進(jìn)行數(shù)值模擬的能力?；诖?，本文依托大前石嶺隧道進(jìn)口滑坡工程，重點(diǎn)探討不同凍融循環(huán)次數(shù)下的懸臂式抗滑樁的變形和受力情況。

1 數(shù)值模擬模型設(shè)計(jì)

1.1 模型參數(shù)選擇

為了便于計(jì)算，本文采用Ottosen屈服準(zhǔn)則的彈塑性本構(gòu)模型，探討凍融循環(huán)次數(shù)對(duì)抗滑樁力學(xué)性能的影響。由施士升的實(shí)驗(yàn)理論可知，當(dāng)混凝土凍融循環(huán)的次數(shù)發(fā)生改變時(shí)，混凝土的彈性模量和泊松比會(huì)發(fā)生改變，并可通過公式1和公式2分別對(duì)其進(jìn)行折減。其中參數(shù)a、b、p、q可通過表1擬合得出。

根據(jù)已得到的參數(shù)a、b、p、q，可反算得出凍融循環(huán)30次、60次、90次后的混凝土彈性模量及泊松比。本文旨在分析凍融循環(huán)30次、60次、90次的應(yīng)力與位移變化，所需滑坡體與穩(wěn)定基巖的物理力學(xué)參數(shù)如表2、表3和表4所示。

1.2 計(jì)算模型

由于實(shí)體滑坡體積過大，本文采用FLAC3D軟件對(duì)模型進(jìn)行處理，截取滑坡前緣部分進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)實(shí)體模型進(jìn)行網(wǎng)格劃分。因此，必須先確定滑坡整體模型的尺寸范圍、邊界條件以及網(wǎng)格劃分類型。

1.2.1 模型尺寸

綜合考慮邊界對(duì)計(jì)算結(jié)果的影響，本文的計(jì)算模型選取范圍為樁前20m，樁后37.5m，地面以下延伸至地下30m。模型的總體尺寸為：長×寬×高=60.0m×21.6m×54.0m，對(duì)稱布置。模型整體分為以下三個(gè)部分：第一，穩(wěn)定基巖模型：由六面體單元和四面體單元構(gòu)成，單元最小尺寸為0.5m。第二，滑坡模型：由六面體單元構(gòu)成，單元最小尺寸為1m。第三，抗滑樁模型：由六面體單元構(gòu)成，最小尺寸為0.5m，最大尺寸為1m，如圖1所示。整個(gè)模型的邊界三維坐標(biāo)區(qū)間為X=（0，60），Y=（-10.8，10.8），Z=（0，54）。其中，抗滑樁的邊界三維坐標(biāo)區(qū)間為：X=（20，22.5），Y=（-10.8，10.8），Z=（22，40）。

1.2.2 網(wǎng)格及邊界條件

模型采用添加外荷載的形式改變其靜力平衡，所以抗滑樁采用靜力計(jì)算。因?yàn)楸疚闹饕芯靠够瑯对趦鋈跅l件下的變形情況，因此固定Z=0的平面，同時(shí)限制X軸與Y軸的位移。在確定計(jì)算范圍的基礎(chǔ)上，為使模型更接近于真實(shí)狀態(tài)，我們指定采用位移條件來約束模型的變形，假定邊界條件如下：約束滑坡整體模型底面Z方向的位移;兩側(cè)面施加X方向位移約束;前后面施加Y方向的位移約束，其他邊界采用自由邊界。

1.2.3 網(wǎng)格劃分及接觸面

為了體現(xiàn)建模真實(shí)性而對(duì)模型細(xì)部構(gòu)造細(xì)化，加上模型本身尺寸較大，直接導(dǎo)致滑坡整體網(wǎng)格劃分量加大。經(jīng)過不斷調(diào)整劃分精度、最小網(wǎng)格尺寸和接觸面形式，最終對(duì)滑坡整體模型實(shí)體單元網(wǎng)格劃分后，得到單元體27360個(gè)，節(jié)點(diǎn)31002個(gè)。同時(shí)抗滑樁與巖土體之間設(shè)置無厚度的接觸面單元，對(duì)邊界條件進(jìn)行約束。本文設(shè)置的接觸面共28個(gè)，接觸面示意圖如圖2所示。

1.3 凍融循環(huán)次數(shù)確定

由抗滑樁的設(shè)計(jì)規(guī)范可知，其設(shè)計(jì)使用年限一般為50年。根據(jù)施氏實(shí)驗(yàn)，取12h為一個(gè)凍融周期，試件的凍融幅度為+10℃至-30℃。但在自然狀態(tài)下，很難在幾天的時(shí)間內(nèi)出現(xiàn)如此劇烈的溫度變化。綜合考慮混凝土的抗凍等級(jí)、抗滑樁的設(shè)計(jì)使用年限及當(dāng)?shù)販囟茸兓?，恒仁市一年中凍融循環(huán)次數(shù)為6次。

由此可知，恒仁市5年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)約為30次，10年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)為60次，15年內(nèi)的凍融循環(huán)次數(shù)為90次。本文所取凍融循環(huán)30次、60次和90次三種情況，分別模擬5年、10年和15年后抗滑樁的形變及位移情況。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

2.1 應(yīng)力的比較與分析

為了研究混凝土抗滑樁在凍融條件與常溫下的受力與位移特性，分別考慮抗滑樁經(jīng)歷30次、60次和90次凍融循環(huán)下的模型受力與變形。

由圖3可知，當(dāng)凍融循環(huán)為30次時(shí)，最大主應(yīng)力大都集中在抗滑樁樁身中部與地面交界的位置。60次時(shí)，最大主應(yīng)力分布與30次下大致相同，但在樁身中部出現(xiàn)最大主應(yīng)力增加的情況。在凍融循環(huán)90次作用下，最大主應(yīng)力分布與前兩種情況大致相同，同時(shí)在樁身相同位置出現(xiàn)了最大主應(yīng)力增加的情況。

2.2 變形的比較與分析

由圖4可知，滑坡整體在凍融循環(huán)30次和60次時(shí)會(huì)出現(xiàn)沉降。當(dāng)凍融循環(huán)為30次時(shí)，滑坡沉降主要出現(xiàn)在樁間土的位置。60次時(shí)，主要沉降狀態(tài)與30次時(shí)保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時(shí)，主要沉降狀態(tài)與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大沉降量相對(duì)于60次時(shí)有所增長。

由圖5可知，滑坡整體在凍融循環(huán)30次和60次時(shí)會(huì)出現(xiàn)水平位移。當(dāng)凍融循環(huán)為30次時(shí)，滑坡水平位移主要出現(xiàn)在樁間土位置。60次時(shí)，主要水平位移狀態(tài)與30次時(shí)保持一致，但樁間土的最大沉降量有所增長。90次時(shí)，主要水平位移狀態(tài)與前兩種情況保持一致，但樁間土的最大水平位移相對(duì)于60次時(shí)有所增長。

3 結(jié)論

（1）凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)集中在抗滑樁樁身中部位置的最大主應(yīng)力有增強(qiáng)的效果，且凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)抗滑樁樁底位置Z向應(yīng)力有增加的趨勢(shì)。即：抗滑樁的樁身強(qiáng)度隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而減小。

（2）凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)滑坡整體豎向位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會(huì)隨凍融次數(shù)增加沉降越大;凍融循環(huán)次數(shù)的增加對(duì)滑坡整體水平位移有較大影響，特別是在樁間土位置，會(huì)隨凍融次數(shù)增加水平位移越大。即：抗滑樁的樁身位移隨凍融循環(huán)次數(shù)的增加而逐漸增大。

參考文獻(xiàn)

[1]張澤，馬巍，齊吉琳.凍融循環(huán)作用下土體結(jié)構(gòu)演化規(guī)律及其工程性質(zhì)改變機(jī)理[J].吉林大學(xué)學(xué)報(bào)（地球科學(xué)版），2013，43（6）：1904-1914.

[2]Wu Q L，Sheng Y，Xie F.Influence of moisture content to the freeze-thaw performance of roadbed in high-cold areas[C].Kunming： 3rd International Conference on Civil Engineering and Transportation，2013.

[3]Omran H Y，El-Hacha R.Effects of sustained load and freeze-thaw exposure on RC beams strengthened with prestressed NSM-CFRP strips[J].Advances in Structural Engineering，2014，17（12）：1801-1816.

[4]Wang D Z，Zeng Q，Wu Y K，et al.Relative humidity and deterioration of concrete under freeze-thaw load[J].Construction and Building Materials，2014，（62）：18-27.

[5]葛文杰，曹大富，徐榮.凍融循環(huán)與氯離子侵蝕后預(yù)應(yīng)力混凝土的彎曲性能研究[J].南京理工大學(xué)學(xué)報(bào).自然科學(xué)版，2015，39（6）：744-749.

[6]Xu H N，Guo W，Tan Y Q.Internal structure evolution of asphalt mixtures during freeze-thaw cycles[J].Materials amp; Design，2015，（86）：436-446.

[7]Cheng Y C，Zhang Y W，Jiao Y B，et al.Quantitative analysis of concrete property under effects of crack，freeze-thaw and carbonation[J].Construction and Building Materials，2016，（129）：106-115.

[8]Jamshidi R J，Lake C B，Gunning P，et al.Effect of freeze-thaw cycles on the performance and microstructure of cement-treated soils[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2016，28（12）.

[9]Ma Z M，Zhao T J，Yang J.Fracture behavior of concrete exposed to the freeze-thaw environment[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（8）.

[10]Rosa M G，Cetin B，Edil T B，et al.Freeze-thaw performance of fly ash-stabilized materials and recycled pavement materials[J].Journal of Materials in Civil Engineering，2017，29（6）.

[11]施士升.凍融循環(huán)對(duì)混凝土力學(xué)性能的影響[J].土木工程學(xué)報(bào)，1997，30（4）：35-42.

[12]劉雪鋒，李軍林.遼寧省近50年氣溫變化特征及突變分析[J].沈陽農(nóng)業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，2009，40（5）：522-527.