陳光平

(廣西新發(fā)展交通集團(tuán)有限公司，廣西 南寧 530029)

0 引言

根據(jù)中國地震網(wǎng)統(tǒng)計(jì)中國內(nèi)陸2007年至2019年6月的地震頻發(fā)次數(shù)可知，震級(jí)在5.8級(jí)以上的就高達(dá)47次，而這些較大的地震大多分布在我國的四川、云南、西藏、新疆等省份和自治區(qū)，其造成的財(cái)產(chǎn)損失巨大，同時(shí)也引發(fā)大量的次生自然災(zāi)害，例如滑坡、崩塌、泥石流等，如何防治因地震作用而引發(fā)的滑坡災(zāi)害就顯得尤為重要。目前較為成熟的滑坡災(zāi)害防治技術(shù)主要有抗滑樁、微型樁、錨桿等，但面對(duì)大型滑坡災(zāi)害，抗滑樁等技術(shù)施工難度大、成本較高，而微型樁適用場(chǎng)地范圍廣、工藝簡(jiǎn)單且造價(jià)成本經(jīng)濟(jì)，具有較好的防治效果，因此微型樁更適用于大型滑坡災(zāi)害防治。

微型樁作為這幾年新型的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)之一，具有很好的延展性與一定的抗彎性，將其應(yīng)用在邊坡抗震工程中能有效地減少滑坡滑移量。目前在微型樁靜力特性研究方面取得了較多成果[1-6]。在微型樁動(dòng)力特性研究方面，牛文慶[7]對(duì)“人”字形、平行體系微型樁組合進(jìn)行了模型試驗(yàn)研究，研究了兩者的土壓力及樁身內(nèi)力情況，得出了“人”字形體系微型樁組合整體性能優(yōu)于平行體系微型樁組合的結(jié)論；李楠等[8]基于振動(dòng)臺(tái)模型試驗(yàn)，用無樁滑坡與梅花型布置的微型樁群樁支護(hù)滑坡作比較，分析了動(dòng)荷載下微型樁的破壞機(jī)制等問題；楊靜[9]用FLAC數(shù)值模擬了不同樁排數(shù)的微型樁群的動(dòng)力響應(yīng)特征；王棟[10]用有限元軟件Plaxis對(duì)微型樁進(jìn)行了研究，系統(tǒng)闡述了微型樁樁頂連接方式不同及樁底不同束縛條件的樁身內(nèi)力變化情況。

基于前人工作的研究基礎(chǔ)，針對(duì)微型樁動(dòng)力特性研究相對(duì)較少，特別是動(dòng)力下微型樁治理巖質(zhì)邊坡的研究更少，本文利用數(shù)值模擬軟件FLAC3D，分析了地震作用下微型樁防治均質(zhì)土和土巖二元結(jié)構(gòu)兩類滑坡災(zāi)害的動(dòng)力特征，計(jì)算了樁身彎矩、分析了樁身受力特征，以期為微型樁應(yīng)用于震區(qū)邊坡的治理提供相應(yīng)的參考依據(jù)。

1 數(shù)值模擬模型建立

1.1 地質(zhì)模型

此次采用擬三維模型來模擬實(shí)際中的邊坡，其尺寸、滑面位置、坡度等都與現(xiàn)實(shí)邊坡情況較為靠近，邊坡的長×寬×高為19.2 m×11.2 m×12.8 m，滑面取圓弧狀，其傾角為50°。具體平面模型如圖1所示。微型樁布置在平臺(tái)上，采用FLAC3D中的pile結(jié)構(gòu)單元模擬，其布樁方式采用梅花型布樁，總共分為前、中、后三排，微型樁樁長為8.96 m，樁徑為0.288 m，每一排的樁間距為1.92 m(約為6.7倍樁徑)，樁排間距為1.12 m(約3.8倍樁徑)[11]。微型樁樁頂采用板塊作為連接與固定方式，在FLAC3D中用shell結(jié)構(gòu)單元來模擬，其尺寸為8.8 m×2.8 m(長×寬)，厚度為16 cm，其結(jié)構(gòu)模型如圖2所示。

圖1 模型平面圖(m)

圖2 微型樁及板塊結(jié)構(gòu)圖(m)

利用ANSYS建立邊坡模型，模型建完后劃分單元網(wǎng)格，單元網(wǎng)格主要為四面體，共有82 038個(gè)實(shí)體單元，節(jié)點(diǎn)數(shù)為15 642個(gè)，最后通過鄭文棠等[12]研發(fā)的“ANSYS-FLAC3D”軟件導(dǎo)入FLAC3D中，完成基本的建模工作。樁體采用FLAC3D內(nèi)置的pile結(jié)構(gòu)單元，三排樁共由88個(gè)構(gòu)件、102個(gè)節(jié)點(diǎn)組成。整體模型如圖3所示。

圖3 坡體及微型樁模型云圖

1.2 參數(shù)選取

數(shù)值模擬模型選擇彈性法初始地應(yīng)力平衡，然后選用Mohr_Coulomb本構(gòu)模型計(jì)算收斂。依據(jù)《公路路基手冊(cè)》將滑體、滑面及滑床的容重、彈性模量、泊松比、內(nèi)摩擦角、粘聚力取一般的巖土通用參數(shù)值。為了簡(jiǎn)化計(jì)算模型，滑面只考慮其摩擦角，其余假定為零，坡體的材料參數(shù)如表1所示。微型樁的密度、彈性模量、泊松比可依據(jù)鋼筋與混凝土復(fù)合材料來選取(混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范)，其具體參數(shù)如表2所示。

表1 坡體材料參數(shù)表

表2 微型樁參數(shù)表

1.3 邊界條件及加載方式

由于地震波傳播方向不定，所以模擬時(shí)主要考慮X向(與滑體滑動(dòng)向一致)地震波對(duì)邊坡的影響，在模型的底部及四周設(shè)置靜態(tài)邊界與自由場(chǎng)邊界，該邊界引入阻尼器來吸收入射波，其提供的法向和切向黏性力分別為：

tn=-ρcpυn

(1)

ts=-ρcsυs

(2)

式中：υn、υs——模型邊界方向與切向速度分量；

ρ——介質(zhì)密度；

cp、cs——P波和S波的波速。

FLAC3D中加載方式多種，可施加加速度、速度、應(yīng)力等加載方式，本次動(dòng)力數(shù)值模擬采用的是加速度加載方式，選取的地震波為EL-Centro波，利用Seismosignal軟件對(duì)EL-Centro波進(jìn)行濾波與基準(zhǔn)校正處理，考慮到地震波前期和后期的加速度峰值比較小及模擬計(jì)算時(shí)長太大的原因，將完整的地震波去掉一部分，只保留加速度峰值由“零值-最大-相對(duì)穩(wěn)定值”的一個(gè)周期，計(jì)算時(shí)長為10 s，地震波模擬加速度加載工況有0.05 g、0.1 g、0.2 g、0.3 g、0.4 g、0.5 g六種，詳細(xì)地震波加速度時(shí)程如圖4所示。

圖4 EL-Centro波加速度時(shí)程曲線圖(10 s)

2 數(shù)值計(jì)算結(jié)果

本文模擬是兩組三排微型樁群在地震波作用下的變形特征，每組有14根微型樁，鑒于模擬所得結(jié)果數(shù)據(jù)量較大，需要選取每排代表性樁，為此選取前排4#、中排3#和后排4#樁作為分析對(duì)象。連系板作為整個(gè)微型樁群樁的一部分，起著將微型樁群連接為整體的作用，對(duì)微型樁群樁頂?shù)墓餐冃纹鸬揭欢ǖ募s束作用。

2.1 樁身彎矩特征

彎矩作為表征微型樁變形大小的重要力學(xué)指標(biāo)之一，通過數(shù)值模擬施加X向地震波時(shí)，得到不同工況下的微型樁彎矩圖，繪制的彎矩圖如圖5、圖6所示。

由圖5、圖6可知，在滑體、滑床均為土與滑體為土、滑床為基巖的滑坡中，地震波峰值加速度為0.05 g、0.1 g時(shí)，兩者的后排4#樁最大彎矩分別為14.4 kN·m、21.9 kN·m與14.2 kN·m、23.1 kN·m，中排3#樁最大彎矩為12.8 kN·m、20.1 kN·m與8.5 kN·m、15.4 kN·m，前排4#樁最大彎矩為8.7 kN·m、13.3 kN·m與7.7 kN·m、13.0 kN·m，增量趨勢(shì)不明顯；但當(dāng)峰值加速度在0.2～0.5 g區(qū)間時(shí)，兩者的后排4#樁最大彎矩值范圍為39.8～82.4 kN·m與41.0～87.2 kN·m，中排3#樁最大彎矩值范圍為36.9～76.3 kN·m與25.1～51.5 kN·m，前排4#樁最大彎矩值范圍為23.8～52.1 kN·m與21.5～51.8 kN·m，其彎矩變化顯著。這是由于隨著加速度值的增大，滑移變形突然增大，因此樁身受到的彎矩急增；兩者前、中、后排樁的最大彎矩主要呈類似的“S”狀，土質(zhì)滑坡中微型樁的最大彎矩出現(xiàn)在滑面上下約0.6 m、0.55 m、0.72 m處，而土巖二元結(jié)構(gòu)滑坡微型樁的最大彎矩出現(xiàn)在0.12 m、0.20 m、0.14 m附近。

圖5 滑體、滑床均為土體的微型樁彎矩曲線圖

圖6 滑體為土體、滑床為基巖的微型樁彎矩曲線圖

不同峰值加速度工況下，土質(zhì)滑坡滑床中的前、中、后排微型樁從樁頂向下6 m范圍內(nèi)，均產(chǎn)生彎矩，其值范圍在0.23～6.74 kN·m，其原因是土體在微型樁的作用下可以發(fā)生一定程度的變形，所以樁能隨著滑坡推力的變化相應(yīng)地發(fā)生彎曲變形；而對(duì)于后者滑床中的前、中、后排微型樁從樁底至樁頂以下6 m范圍內(nèi)，則出現(xiàn)彎矩接近于零的現(xiàn)象，其值范圍在4.187～1 725 N·m，這與前一組出現(xiàn)完全不同的現(xiàn)象，分析其原因是嵌入滑床(基巖)中的那一段樁受到基巖的約束力較大，導(dǎo)致嵌入基巖部分的樁身變形很小，只在滑體中的部分發(fā)生彎曲變形。

從以上分析可知，微型樁在治理土質(zhì)滑坡或土巖二元結(jié)構(gòu)滑坡時(shí)，其發(fā)揮的作用及變形破壞各有不同，在滑體、滑床均為土的邊坡中，微型樁與土的相互作用較小，在滑坡推力作用下滑體段受拉變形，滑床段受壓變形，因此整體以彎曲變形為主，這也顯示了微型樁具有良好的延展特性。但對(duì)于滑體為土、滑床為基巖的邊坡來說，就形成了滑體段的變形為彎曲變形，滑床段則以在接近滑面處發(fā)生剪切變形為主，在剪切破壞位置以下的樁身基本不發(fā)生變形的現(xiàn)象，這是因?yàn)榛捕蔚奈⑿蜆稑秱?cè)受基巖的約束力大，滑床以下發(fā)生變形范圍很小，從而造成滑面附近的剪應(yīng)力集中，微型樁發(fā)生剪切破壞。由此可見，微型樁用于震區(qū)滑坡災(zāi)害治理時(shí)，對(duì)于土質(zhì)滑坡和土巖二元結(jié)構(gòu)滑坡應(yīng)分別采用不同的設(shè)計(jì)計(jì)算方法。

2.2 微型樁前、樁后水平應(yīng)力分析

通過分析微型樁前、樁后(迎滑側(cè)為樁后、背滑側(cè)為樁前)所受到的水平應(yīng)力差值，可以反推滑坡推力的分布情況，以便更加具體地了解微型樁樁身受力形式。圖7、圖8分別為土質(zhì)滑坡和土巖二元結(jié)構(gòu)滑坡中3排微型樁的各排樁身前后水平應(yīng)力差值曲線圖。

由圖7、圖8可知，兩者整體的微型樁樁后、樁前應(yīng)力差(推力)分布形式為滑體段呈現(xiàn)為似正三角形狀()、滑床段為似倒三角狀()。后、前排4#樁與中排3#樁在加速度峰值為0.05～0.2 g區(qū)間時(shí)，滑面以上、下附近受力微型樁段的樁后、樁前的水平應(yīng)力差最值增量較小，其值范圍為17.0～170 kPa與12.7～121 kPa；當(dāng)?shù)卣鸺铀俣确逯翟?.3～0.5 g區(qū)間時(shí)，各排樁的樁后、樁前水平應(yīng)力差最值增量陡增，值范圍為46.7～236.5 kPa與57.4～245.9 kPa。

圖7 滑體、滑床均為土體的微型樁水平應(yīng)力差曲線圖

圖8 滑體為土體、滑床為基巖的微型樁樁后、樁前水平應(yīng)力差曲線圖

當(dāng)加速度峰值在0.3～0.5 g區(qū)間時(shí)，在滑體、滑床為土的邊坡中，前、后排4#樁和中排3#樁滑面以上、下附近微型樁受荷段的水平應(yīng)力差最值陡增，其最值的范圍為46.7～236.5 kPa，后排4#樁在滑面以下附近應(yīng)力差最值呈增大趨勢(shì)。原因是隨著加速度峰值增大，滑體中的微型樁段受到的主動(dòng)土壓力越大，嵌固在滑床(土)中的另一段微型樁也受到相應(yīng)的被動(dòng)土壓力作用，致使水平應(yīng)力差大，而后排樁為最先受到推力作用的樁，其次到中排，最后到前排，所以后排4#樁應(yīng)力差最值最為顯著；在滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，前、后排4#樁和中排3#樁對(duì)應(yīng)的滑面上下附近受力段微型樁應(yīng)力差最值范圍為57.3～245.9 kPa，隨著加速度峰值的變大，后排4#樁滑面以下附近受力段微型樁應(yīng)力差值呈先增加后減小趨勢(shì)，與前者現(xiàn)象不同。分析原因是當(dāng)加速度較小時(shí)引發(fā)滑坡推力作用在滑面以上的受力微型樁上，此時(shí)樁發(fā)揮抗剪作用，變形量小，將受到的推力反作用于嵌固在滑床(基巖)中的微型樁段，所以造成滑面以下附近微型樁段的水平應(yīng)力差值變大，隨著加速度峰值增加，滑體中的微型樁樁段受到的推力作用顯著，微型樁抗剪能力減弱，變形量也逐漸變大或發(fā)生破裂，導(dǎo)致傳遞給滑面以下附近微型樁段的反作用力減小，相應(yīng)的水平應(yīng)力差值也變小。

在滑體、滑床為土與滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，經(jīng)數(shù)值模擬結(jié)果計(jì)算獲得兩者在加速度峰值為0.3～0.5 g區(qū)間時(shí)對(duì)應(yīng)工況下滑體段后、前排4#樁與中排3#樁的應(yīng)力差分擔(dān)比例，兩者的比值具體為：加速度峰值為0.3 g時(shí)對(duì)應(yīng)的后排∶中排∶前排比值為0.64∶0.22∶0.14與0.58∶0.27∶0.16，加速度峰值為0.4 g時(shí)對(duì)應(yīng)的比值為0.55∶0.32∶0.13與0.50∶0.27∶0.23，加速度峰值為0.5 g對(duì)應(yīng)的比值為0.49∶0.35∶0.16和0.45∶0.31∶0.24，將這三種工況下的比值做平均處理后分別得到的比值為0.56∶0.30∶0.14和0.51∶0.28∶0.21，將其作為滑體、滑床都為土的后排、中排、前排微型樁的推力分擔(dān)系數(shù)，由此可知滑體為土、滑床為基巖的邊坡中微型樁更容易提前發(fā)生剪切破壞。

3 結(jié)語

本文基于FLAC3D軟件，研究了地震作用下兩種滑坡中的微型樁力學(xué)響應(yīng)特征，分析了不同加速度峰值工況下的動(dòng)力特性，得到以下結(jié)論：

(1)在不同加速度峰值工況下，土質(zhì)滑破和土巖二元結(jié)構(gòu)滑坡中微型樁的兩組數(shù)值模擬所得到的樁身彎矩呈類“S”狀，當(dāng)加速度值在0.2～0.5 g區(qū)間時(shí)，前者微型樁最大彎矩值范圍為23.8～82.4 kN·m，后者為21.5～87.2 kN·m，樁承受的彎矩大小為后排樁>中排樁>前排樁。

(2)在滑體、滑床均為土質(zhì)滑坡中，微型樁隨土壓力變化而發(fā)生彎曲變形，而在滑體為土、滑床為基巖的邊坡中，微型樁在滑面附近易發(fā)生彎曲剪切破壞，兩組模擬結(jié)果對(duì)比可知，微型樁在不同結(jié)構(gòu)滑坡中的動(dòng)力響應(yīng)特征不同。

(3)滑體、滑床為土與滑體為土、滑床為基巖的二元結(jié)構(gòu)滑坡中，滑體段微型樁應(yīng)力差呈梯形狀，滑床段呈現(xiàn)為三角形狀，后者滑面以上附近各排微型樁受力段承受的推力較大，滑面以下附近受到的反作用力較小，不能充分發(fā)揮微型樁的彎延性。

(4)模擬不同峰值加速度(0.3～0.5 g)工況下，得到兩種邊坡微型樁的推力分擔(dān)比例，對(duì)比分析后發(fā)現(xiàn)滑體為土、滑床為基巖的邊坡中微型樁更容易提前發(fā)生剪切破壞，建議微型樁設(shè)計(jì)時(shí)重點(diǎn)考慮其抗剪強(qiáng)度值。