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        公路邊坡穩(wěn)定及抗滑樁加固分析

        2021-01-20 23:20:24高興杰
        西部交通科技 2021年11期
        關(guān)鍵詞:變形設(shè)計(jì)

        摘要:常規(guī)的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方法因理論支持力度匱乏,使當(dāng)前邊坡工程設(shè)計(jì)仍有一定缺陷,造成邊坡變形甚至失效或支護(hù)結(jié)構(gòu)“過(guò)剩”。文章以某公路人工堆填邊坡為例,采用PLAXIS3D有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法,研究邊坡支護(hù)形式的合理選型。研究結(jié)果表明:抗滑樁+毛石擋墻聯(lián)合支護(hù)措施,比同幾何設(shè)計(jì)尺寸的抗滑樁措施更能有效控制邊坡變形,保證邊坡穩(wěn)定;當(dāng)僅采用抗滑樁進(jìn)行加固時(shí),樁間距等樁身參數(shù)需嚴(yán)格調(diào)整,使得施工難度大、經(jīng)濟(jì)性差;在公路邊坡附近設(shè)置棄土場(chǎng)時(shí),棄土荷載作用下,邊坡受到的影響有限;在現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下,擬建棄土場(chǎng)的最大堆載量可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的2倍。

        關(guān)鍵詞:邊坡;穩(wěn)定性;抗滑樁;PLAXIS3D有限元軟件;樁-土相互作用

        0 引言

        當(dāng)前,邊坡因其組成成分、坡體形態(tài)、成因條件、環(huán)境變化等因素的差異呈現(xiàn)出工程地質(zhì)條件越來(lái)越差、事故多樣化等特點(diǎn)。在當(dāng)下不同類型的邊坡工程中仍有問(wèn)題亟待解決,諸如邊坡巖土體強(qiáng)度指標(biāo)確定問(wèn)題、邊坡穩(wěn)定性分析問(wèn)題、邊坡合理的支護(hù)設(shè)計(jì)問(wèn)題等?,F(xiàn)有規(guī)范[1]、手冊(cè)[2]等指導(dǎo)性文件規(guī)定了邊坡勘察、設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn),而針對(duì)邊坡工程的支護(hù)措施,盡管設(shè)計(jì)和科研人員在工程實(shí)踐中積累了特別豐富的經(jīng)驗(yàn)和教訓(xùn),但對(duì)如何選擇合理、經(jīng)濟(jì)、有效的支護(hù)措施還需進(jìn)行多方面的研究和探討。目前,各類支護(hù)結(jié)構(gòu)及體系,例如樁、復(fù)合土釘墻、錨桿(索)、混凝土(鋼)內(nèi)支撐及新型或組合支護(hù)形式已在各類邊坡工程中進(jìn)行了應(yīng)用嘗試[3]??够瑯兑蚓哂性O(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)形式靈活多變、組合兼容性強(qiáng)、施工便宜、設(shè)計(jì)理論完備等優(yōu)點(diǎn),在基坑、邊坡等工程中應(yīng)用廣泛。針對(duì)抗滑樁的研究,眾多學(xué)者已經(jīng)從極限平衡法的理論計(jì)算手段的改進(jìn)驗(yàn)算[4]、室內(nèi)相似原理的物理模擬試驗(yàn)[5]、原位樁身變形和內(nèi)力的監(jiān)測(cè)測(cè)試試驗(yàn)[6]、有限元或有限差分方法的全尺寸真三維的數(shù)值模擬試驗(yàn)等[7],得出了抗滑樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化理論,并研究了邊坡變形對(duì)抗滑樁的內(nèi)力及形變的影響。然而,常用的極限平衡法無(wú)法全面反映土體側(cè)移變形對(duì)支護(hù)樁的影響,即無(wú)法考慮樁-土協(xié)同變形而造成設(shè)計(jì)支護(hù)過(guò)于安全或偏不安全。近些年,有學(xué)者逐漸引入抗滑樁加固邊坡的結(jié)構(gòu)-坡體協(xié)同理念,深入探討樁身截面尺寸、樁長(zhǎng)、設(shè)樁位置、樁間距等樁幾何尺寸因素對(duì)支護(hù)效果的影響,以此作為優(yōu)化的依據(jù)[8]。但是,常規(guī)的支護(hù)設(shè)計(jì)方法主要是在克里金土壓力基礎(chǔ)上衍生而來(lái)的,依據(jù)工程勘察提供的土體物理力學(xué)參數(shù)結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行設(shè)計(jì),理論支持力度匱乏,造成當(dāng)前邊坡工程設(shè)計(jì)仍有一定缺陷,引起邊坡變形甚至失效或支護(hù)結(jié)構(gòu)“過(guò)?!薄?/p>

        公路邊坡穩(wěn)定及抗滑樁加固分析/高興杰[=JP2] 為此,本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例,采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法,分析抗滑樁支護(hù)、樁-墻聯(lián)合支護(hù)兩種支護(hù)設(shè)計(jì)方法對(duì)于邊坡變形和穩(wěn)定性的影響,提出優(yōu)化合理的設(shè)計(jì)方法,并進(jìn)一步考慮坡頂后續(xù)堆積荷載對(duì)重新支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性影響,分析在各種工況下樁身變位、坡體變形等特點(diǎn),以期為抗滑樁工程設(shè)計(jì)提供參考。

        1 工程概況

        該公路全線按照一級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè),設(shè)計(jì)時(shí)速采用80 km/h,路基寬度為24.5 m,其中新建特大橋1座、新建大橋1座。該公路在起始段為堆填路堤邊坡,并在邊坡的左側(cè)邊緣距離路堤坡頂24 m處設(shè)置一處臨時(shí)棄土場(chǎng),用于臨時(shí)轉(zhuǎn)運(yùn)(邊坡形態(tài)如圖1所示)。根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)勘察資料顯示,擬建公路穿越的位置原為一淤積池塘,因初期施工速度等問(wèn)題影響使得池塘中的淤泥未能完全清除干凈,留存厚度為10 m。除此之外場(chǎng)地內(nèi)土層由上自下依次為:第四系全新統(tǒng)(Q4ml)人工填土層①、第四系全新統(tǒng)坡積粉質(zhì)黏土(Q4dl)②、侏羅紀(jì)中統(tǒng)沙溪廟組砂巖③(J2s)。巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        2 支擋防護(hù)設(shè)計(jì)方案及模型建立

        根據(jù)工程地質(zhì)勘察報(bào)告,結(jié)合工程現(xiàn)場(chǎng)揭露的地層情況、后續(xù)邊坡卸載處置措施、擬建棄土場(chǎng)的堆土量級(jí)等基本工程情況,支擋防護(hù)措施方法分為兩種:

        (1)抗滑樁支護(hù):樁長(zhǎng)為6 m,間距為5.5 m,樁徑為1 m,設(shè)樁位置位于坡腳;挖除坡體上部土體尺寸為2 m×13 m;樁間距根據(jù)計(jì)算結(jié)果進(jìn)行反復(fù)調(diào)試并最終確定。

        (2)抗滑樁+毛石擋墻支護(hù):樁長(zhǎng)為6 m,間距為5.5 m,樁徑為1 m;毛石擋墻長(zhǎng)33 m、寬1 m、高6 m;挖除坡體上部土體尺寸為2 m×13 m。

        采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法,研究抗滑樁支護(hù)的原邊坡變形破壞特點(diǎn),為設(shè)計(jì)施工方案的有效實(shí)施提供技術(shù)支撐。三維計(jì)算模型如圖2所示,并進(jìn)行網(wǎng)格優(yōu)化與計(jì)算調(diào)試。為了建立的三維計(jì)算模型能合理反映地層分布、地形地貌、抗滑樁、樁間擋墻及棄土場(chǎng)擬建荷載等,建立的模型長(zhǎng)40 m、寬100 m、高50 m。

        巖土體本構(gòu)模型可參見(jiàn)文獻(xiàn)[9]。

        巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。樁、墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算參數(shù)如表2所示。

        3 邊坡穩(wěn)定性模擬結(jié)果分析

        3.1 抗滑樁模擬結(jié)果分析

        如下頁(yè)圖3所示,計(jì)算時(shí)凍結(jié)邊坡外土體,對(duì)抗滑樁賦予相應(yīng)材料進(jìn)行計(jì)算,計(jì)算結(jié)果如圖4、圖5所示。

        由圖3可知,樁距為5.5 m時(shí),抗滑樁加固坡體發(fā)生顯著變形破現(xiàn)象,該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞,在坡頂位置的潛在滑移面產(chǎn)生滑移剪切破壞,說(shuō)明坡體自身相對(duì)來(lái)說(shuō)已發(fā)生失穩(wěn),該加固措施并非適宜。通過(guò)坡體內(nèi)部的塑性點(diǎn)分布圖也可以看出(見(jiàn)圖4),在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著大量的拉伸截?cái)帱c(diǎn),這些很好地反映了坡體中部、坡體后緣發(fā)現(xiàn)的張裂縫。

        同時(shí),根據(jù)圖5的位移云圖可以看出,在坡體及抗滑樁樁頂?shù)奈恢卯a(chǎn)生的位移最大,接近3 cm,接近一般對(duì)邊坡設(shè)計(jì)4 cm水平位移的要求(基坑監(jiān)測(cè)報(bào)警值為4 cm[1])。根據(jù)規(guī)范[1]第5.3.2條規(guī)定,一級(jí)邊坡的安全系數(shù)需>1.35,而該邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.2,處于臨界穩(wěn)定狀態(tài)但安全儲(chǔ)備不足。

        對(duì)此,對(duì)樁距進(jìn)行調(diào)整,分別考慮樁距為4.5 m、3.5 m、2.5 m時(shí),該邊坡的變形和穩(wěn)定性情況。樁距與邊坡變形、樁距與坡體穩(wěn)定性的關(guān)系曲線如圖6所示。

        從圖6可見(jiàn),樁距與邊坡變形成正比關(guān)系,樁距與坡體穩(wěn)定性系數(shù)成反比關(guān)系。即隨著樁距的增加,邊坡和樁頂向坡外的最大水平位移逐漸在減小,從樁間距5.5 m的變形3 cm逐漸減小到樁間距2.5 m的0.6 cm變形;而隨著樁距的增加,坡體穩(wěn)定性系數(shù)逐漸增大,從樁間距5.5 m的1.2逐漸減小到樁間距2.5 m的1.5;三者關(guān)系均表現(xiàn)了近似的線性增大。

        3.2 抗滑樁+毛石擋墻模擬結(jié)果分析

        如圖3(b)所示,在樁基間距為5.5 m工況下,激活毛石擋墻,以開(kāi)展抗滑樁+毛石擋墻邊坡的支擋防護(hù)措施的效果分析。計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

        圖7(a)為抗滑樁+毛石擋墻支護(hù)后坡體內(nèi)部的塑性點(diǎn)云圖,與圖4相關(guān)結(jié)果進(jìn)行比對(duì)可以看出,在采用聯(lián)合支護(hù)之后,邊坡附近的塑性點(diǎn)明顯減少,說(shuō)明聯(lián)合支護(hù)后坡體區(qū)域處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí)對(duì)比坡體變形情況,統(tǒng)計(jì)變形量發(fā)現(xiàn),卸載后變形的變形量?jī)H為8 mm,符合一般對(duì)邊坡設(shè)計(jì)4 cm水平位移的要求,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

        從計(jì)算結(jié)果可以看出,抗滑樁(間距為5.5 m)+毛石擋墻和2.5 m間距抗滑樁支護(hù)后的支護(hù)效果基本一致。

        3.3 堆積荷載對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

        如前所述,在距離坡頂30 m位置處設(shè)計(jì)擬建棄土場(chǎng)的堆載荷載500 kPa(該荷載為一期棄土堆置的總荷載),堆載范圍為半徑14 m的圓形范圍。在抗滑樁+毛石擋墻支護(hù)措施的工況下,激活荷載后,計(jì)算模型如圖8所示,結(jié)果如圖9所示。

        在設(shè)計(jì)荷載作用下棄土場(chǎng)堆載對(duì)邊坡的變形影響很小,水平位移僅為10 mm,小于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》〈GB 50330-2013〉[1]所限定的界限,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)仍為1.5,邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。同時(shí),從邊坡塑性點(diǎn)分布可見(jiàn),在抗滑樁頂部和坡頂后方路面分布著少量的拉伸截?cái)帱c(diǎn),但結(jié)合坡體和樁頂?shù)淖冃慰梢?jiàn)影響不大。

        進(jìn)一步通過(guò)改變堆積荷載來(lái)模擬擬建棄土場(chǎng)所能達(dá)到的最大庫(kù)容,以優(yōu)化相關(guān)設(shè)計(jì)。荷載輸入500 kPa、700 kPa、900 kPa、1 000 kPa。所得計(jì)算結(jié)果如圖10所示。計(jì)算結(jié)果顯示,隨著坡后堆積荷載的增加,邊坡穩(wěn)定性系數(shù)降低,位移增大。在現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下,擬建棄土場(chǎng)的最大堆載量可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的2倍。

        4 結(jié)語(yǔ)

        本文以某公路起始段人工堆填邊坡為例,采用PLAXIS 3D有限元軟件建立三維模型進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,利用考慮樁-土相互作用的強(qiáng)度折減法,研究抗滑樁支護(hù)的原邊坡變形破壞特點(diǎn),并以此為基礎(chǔ)對(duì)變形破壞的邊坡進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)研究,同時(shí)考慮坡頂后續(xù)堆積荷載對(duì)重新支護(hù)后邊坡的穩(wěn)定性影響,研究結(jié)果表明:

        (1)樁距為5.5 m時(shí),抗滑樁加固坡體發(fā)生顯著變形破壞現(xiàn)象,該坡體變形破壞屬于傾覆破壞+樁頭剪除破壞,在坡頂位置的潛在滑移面產(chǎn)生滑移剪切破壞,說(shuō)明坡體自身已發(fā)生失穩(wěn),該加固措施并非適宜。

        (2)采用間距為5.5 m抗滑樁+毛石擋墻聯(lián)合支護(hù)措施,可以有效控制邊坡變形,保證邊坡穩(wěn)定。即支護(hù)后變形的變形量?jī)H為6 mm,符合一般對(duì)邊坡設(shè)計(jì)4 cm水平位移的要求,邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)為1.5,處于穩(wěn)定狀態(tài)。但是當(dāng)僅采用抗滑樁進(jìn)行加固時(shí),樁間距需調(diào)整至2.5 m,施工難度大、經(jīng)濟(jì)性差。

        (3)在后續(xù)興建的棄土場(chǎng)荷載作用下,邊坡受到的影響有限。在現(xiàn)行設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)下,擬建棄土場(chǎng)的最大堆載量可達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)荷載的2倍。

        參考文獻(xiàn):

        [1]GB 50330-2013,建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范[S].

        [2]工程地質(zhì)手冊(cè)編委會(huì).工程地質(zhì)手冊(cè)(第五版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2018.

        [3]劉國(guó)彬,王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)(第二版)[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社,2018.

        [4]張曉詠.抗滑樁現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)及其設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[D].福州:福州大學(xué),2010.

        [5]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(6):81-84.

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        [7]趙坤鵬,姚 造.基于改進(jìn)有限元容重增加法的抗滑樁內(nèi)力計(jì)算[C].全國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)與應(yīng)用學(xué)術(shù)交流會(huì).全國(guó)大壩安全監(jiān)測(cè)技術(shù)信息網(wǎng),2016.

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