李友云,謝繼登,劉德取,張軍,廖浩成

(1.長沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長沙 410114；2.浙江金麗溫高速公路有限公司,浙江 杭州 325027；3.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開發(fā)有限公司,湖南 株洲 412000)

以往膨脹土地區(qū)修筑渠坡時,即使坡率降至1∶5～1∶6的緩坡仍會產(chǎn)生滑坡?？够瑯妒羌庸膛蛎浲燎碌挠行Т胧?它穿透滑體直至持力層進(jìn)行錨固,是一種借助與樁周圍土體相互作用,把滑坡體推力傳遞到持力層擴(kuò)散的抗滑結(jié)構(gòu)。李小雷等針對西南地區(qū)膨脹土滑坡,分析了全埋H形樁對加固邊坡的可行性及與膨脹土邊坡相互作用時受力特性。王東海通過有限元模擬,對不同樁間距的樁梁組合抗滑支護(hù)措施進(jìn)行了對比分析,但未考慮膨脹渠坡存在大小不一隨機(jī)分布的裂隙面。盧再華等對原狀膨脹土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),得出軟弱夾層及原生裂隙面是決定其剪切強(qiáng)度的主要因素。該文針對南水北調(diào)中線深挖方膨脹渠坡,考慮受裂隙面、軟弱夾層控制的滑動破壞及受氣候影響的淺表層蠕動,建立樁梁組合支護(hù)下膨脹渠坡數(shù)值計(jì)算模型,分析樁梁組合支護(hù)對深挖方帶裂隙膨脹渠坡的可行性。

1 有限元模型建立

1.1 基本模型

根據(jù)該工程實(shí)際設(shè)計(jì)樁梁組合支護(hù)方案,其中抗滑樁體直徑1.2 m、樁長13.8 m、樁間距4 m,坡面梁截面尺寸為50 cm×50 cm(見圖1)。

圖1 樁梁組合支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

膨脹渠坡模型尺寸為長69 m,高21 m,坡頂長20 m,厚12 m。根據(jù)土體特性,渠坡上層為弱膨脹土,中層為中膨脹土,下層為強(qiáng)膨脹土,在中、下層之間存在地下水影響下強(qiáng)度極差的軟弱夾層。渠坡穩(wěn)定性分析中考慮土層存在裂隙情況,利用多尺度分析思想均勻化6 m尺度裂隙面的強(qiáng)度參數(shù)。在4 m長度范圍內(nèi)的裂隙面與同一尺度的土體構(gòu)成均質(zhì)體；對于4 m長度以上的裂隙面,由裂隙面統(tǒng)計(jì)規(guī)律隨機(jī)生成4 m長度以上長大裂隙面(見圖2、圖3)。模型中土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)流動法則,樁及梁結(jié)構(gòu)視為剛體。

圖2 渠坡尺寸示意圖(單位：m)

圖3 渠坡有限元模型

1.2 裂隙面膨脹土渠坡土體及樁梁組合參數(shù)

樁梁組合支護(hù)由抗滑樁及坡面梁組成,其參數(shù)見表1。

表1 樁梁組合參數(shù)

膨脹渠坡淺表層易在氣候影響下發(fā)生蠕動,進(jìn)而失穩(wěn)滑坡,故分析中考慮干濕反復(fù)變化下渠坡存在潛在不利狀態(tài)。參考當(dāng)?shù)亟涤昙肮庹盏荣Y料,利用Geostudio模擬膨脹渠坡表層在干濕循環(huán)下隨渠坡深度增加產(chǎn)生的強(qiáng)度參數(shù)變化,結(jié)果表明：干濕作用3個月,渠坡影響深度為0.5 m；干濕作用6個月,渠坡影響深度增加到1 m；干濕作用12個月,渠坡影響深度達(dá)到2 m。以受干濕作用1年的最不利工況下強(qiáng)度指標(biāo)作為膨脹渠坡深度2 m范圍內(nèi)的計(jì)算強(qiáng)度參數(shù)(見表2)。

表2 干濕循環(huán)影響區(qū)域參數(shù)

膨脹渠坡深層土體主要受地下水位變化的影響,土體參數(shù)見表3。

表3 深層膨脹渠坡土體參數(shù)

1.3 受地下水位變化影響的深層膨脹土含水率及膨脹系數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場分析報告,該膨脹渠坡最深層強(qiáng)膨脹土層含水率基本保持穩(wěn)定(26.6%),為飽和狀態(tài)；中膨脹土層受地下水位影響的含水率變化主要反生在高度z為7～9 m處,含水率W變化沿深度方向呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,函數(shù)表達(dá)式見式(1)。各含水率變化區(qū)位x的體膨脹系數(shù)α見式(2),體膨脹量為αW(x,y,z)。

2 樁梁組合下帶裂隙深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性

2.1 樁梁組合對帶裂隙深挖方膨脹渠坡支護(hù)的可行性分析

對樁長13.8 m、樁徑1.2 m、樁間距4 m下樁梁組合支護(hù)渠坡進(jìn)行模擬計(jì)算,以計(jì)算是否收斂作為判定標(biāo)準(zhǔn)獲取安全系數(shù)。渠坡等效應(yīng)變和安全系數(shù)見圖4、圖5。

圖4 樁梁組合支護(hù)下渠坡等效塑性應(yīng)變云圖(單位：cm)

圖5 樁梁組合支護(hù)下渠坡安全系數(shù)

由圖4可知：在樁梁組合支護(hù)下,帶裂隙膨脹渠坡的滑動面呈現(xiàn)受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動,在裂隙面和軟弱夾層共同影響下渠坡偏向強(qiáng)度較弱的土體(沿著裂隙面和軟弱夾層)滑動,最大位移出現(xiàn)在坡腳附近。

由圖5可知：樁梁組合支護(hù)下膨脹渠坡的安全系數(shù)達(dá)1.460,滿足相關(guān)規(guī)范的要求,說明樁梁組合設(shè)計(jì)方案可行。

2.2 裂隙面與軟弱夾層對深挖方膨脹渠坡支護(hù)穩(wěn)定性的影響

受裂隙面和軟弱夾層等內(nèi)部土體因素影響,膨脹渠坡的滑動面逐漸貫通而導(dǎo)致失穩(wěn)破壞?？紤]隨機(jī)分布帶來的偶然誤差,建立5種具有不同分布規(guī)律裂隙面和無裂隙面膨脹渠坡模型,模型尺寸相同(見圖6、圖7),分析有無裂隙面和軟弱夾層時樁梁組合支護(hù)下渠坡的穩(wěn)定性。各工況下渠坡安全系數(shù)見表4。

圖6 帶裂隙面渠坡模型

圖7 無裂隙渠坡模型

表4 各工況下采用樁梁組合支護(hù)時渠坡的安全系數(shù)

由表4可知：樁梁組合支護(hù)下,沒有裂隙面和軟弱夾層時渠坡的安全儲備極大,渠坡穩(wěn)定。存在軟弱夾層而無裂隙面時,渠坡安全系數(shù)大幅減小,軟弱夾層直接影響渠坡的穩(wěn)定性,渠坡處于臨界滑動狀態(tài)。存在裂隙面而無軟弱夾層時,渠坡安全系數(shù)在1.479上下浮動,裂隙面較大幅度降低了渠坡的穩(wěn)定性。裂隙面和軟弱夾層的存在會減小渠坡的安全系數(shù),控制土體滑坡,影響渠坡的穩(wěn)定性。但在單一因素影響下,相對于裂隙面,軟弱夾層對渠坡安全系數(shù)的減小幅度更大。這是由于長大裂隙面經(jīng)過后天改造常形成強(qiáng)度更低、填充著灰綠色黏土的光滑的軟弱夾層,軟弱夾層是膨脹渠坡失穩(wěn)過程中破壞性、活躍度最大的因素。在裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡穩(wěn)定性急劇下降,渠坡安全系數(shù)在0.814左右,渠坡將產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。從存在隨機(jī)分布裂隙面的5個渠坡來看,裂隙面的產(chǎn)狀、組合特征、裂隙傾角都會影響渠坡的安全系數(shù)。

2.3 抗滑樁對含裂隙面深挖方膨脹渠坡支護(hù)的穩(wěn)定性分析

考慮軟弱夾層的存在,分析僅采用抗滑樁支護(hù)時存在裂隙面深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性。各工況下渠坡安全系數(shù)見表5。

表5 各工況下采用抗滑樁支護(hù)時渠坡的安全系數(shù)

由表5可知：僅存在軟弱夾層的不利條件下,抗滑樁的支護(hù)效果較差,安全系數(shù)為0.981,達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求；同時存在裂隙面和軟弱夾層的情況下,使用抗滑樁支護(hù)渠坡的效果更差,安全系數(shù)在0.946上下波動,不利于渠坡的穩(wěn)定。在裂隙面和軟弱夾層共同影響下膨脹渠坡的穩(wěn)定性更差,單采用抗滑樁不足以使渠坡保持穩(wěn)定,采用樁梁組合支護(hù)體系才能保障膨脹渠坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

利用ABAQUS軟件建立有無裂隙面和軟弱夾層、有無樁等條件下深挖方膨脹土渠坡模型,計(jì)算各條件下渠坡的安全系數(shù),分析其對帶裂隙深挖方膨脹渠坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)論如下：

(1)樁梁組合支護(hù)下帶裂隙膨脹渠坡滑動面呈受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動(沿裂隙面和軟弱夾層),最大位移出現(xiàn)在坡腳附近。

(2)裂隙面與軟弱夾層都會降低渠坡的穩(wěn)定性,單一因素下軟弱夾層對渠坡安全系數(shù)的減小幅度比裂隙面大；裂隙面的產(chǎn)狀、組合特征、裂隙傾角都會對渠坡安全系數(shù)產(chǎn)生一定影響。

(3)裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡安全系數(shù)在0.814左右,渠坡將產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。

(4)考慮軟弱夾層的存在,抗滑樁支護(hù)下,深挖方膨脹渠坡的安全系數(shù)為0.92～0.98,不足以使渠坡保持穩(wěn)定；樁梁組合支護(hù)下,渠坡安全系數(shù)達(dá)到1.460,能保障深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性。