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        高陡邊坡抗滑樁-土相互作用離散元模擬及加固分析

        2022-08-01 03:07:50鄧祥明
        西部交通科技 2022年5期
        關(guān)鍵詞:抗滑樁滑動(dòng)巖土

        梁 策,鄧祥明

        (廣西南天高速公路有限公司,廣西 河池 547200)

        0 引言

        山區(qū)高速公路路塹高陡邊坡易受到外部各種不穩(wěn)定因素如雨水、地震或者人工等的影響,而發(fā)生滑坡、崩塌等沿著軟弱面或軟弱帶整體或局部向下滑動(dòng)的地質(zhì)災(zāi)害[1-2]。針對(duì)這一情況,現(xiàn)有的規(guī)范、手冊(cè)等給出了重要的參考性方法及措施,但是在實(shí)際工程中,如何通過采用合理的工程手段使得工程在滿足安全的前提下實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性、養(yǎng)護(hù)便捷和合理性,仍需多方面的研究與探討。目前在邊坡工程中普遍采用的支護(hù)方案主要有:抗滑樁、復(fù)合土釘墻、錨桿(索)、混凝土(鋼)內(nèi)支撐等或多種組合支護(hù)形式。其中抗滑樁以其設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、結(jié)構(gòu)組合多樣、成本低、與其他支護(hù)手段兼容性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn),廣泛應(yīng)用于各類基坑與邊坡工程當(dāng)中。其中抗滑樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化主要以極限平衡法、塑性理論[3]等理論計(jì)算手段的改進(jìn)、室內(nèi)相似模型試驗(yàn)[4]、原位樁身變形和內(nèi)力的監(jiān)測(cè)測(cè)試試驗(yàn)[5]等方法達(dá)到抗滑樁的設(shè)計(jì)優(yōu)化。

        而對(duì)于發(fā)生下滑的邊坡,其產(chǎn)生滑動(dòng)的過程中存在大變形、大位移的特點(diǎn),有限元方法難以應(yīng)用。而離散元方法因其顆粒間能夠在運(yùn)動(dòng)中相互分離、重新接觸鏈接,對(duì)于這種大變形問題擁有較好的適用性[6]。國內(nèi)外學(xué)者對(duì)采用離散元法模擬滑坡已開展了廣泛的研究。

        本文以某山區(qū)高速公路樁號(hào)為K40+440段高陡邊坡為具體研究對(duì)象,利用PFC顆粒流軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性及抗滑樁加固效果開展離散元模擬分析,為相關(guān)工程實(shí)踐提供參考。

        1 工程地質(zhì)概況

        該高速公路邊坡為高陡型邊坡,地形陡峭。其中,上覆土層為粉質(zhì)黏土,厚2~4 m。下伏基巖為三疊系中統(tǒng)(T2)泥巖。該邊坡巖層產(chǎn)狀較為多變,取最不利的巖層產(chǎn)狀:40°∠230,為順向邊坡。強(qiáng)風(fēng)化層厚約15 m,邊坡最大高度為60.4 m。強(qiáng)風(fēng)化巖體較為破碎,碎塊間結(jié)合很差,物理力學(xué)參數(shù)較低,邊坡開挖后穩(wěn)定性差,易發(fā)生崩塌、弧形滑動(dòng)。根據(jù)工程地質(zhì)勘察現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)和室內(nèi)試驗(yàn),邊坡的巖土體力學(xué)參數(shù)如表1所示。

        表1 巖土體的物理力學(xué)參數(shù)表

        2 PFC離散元模型的建立

        2.1 細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定與驗(yàn)證

        PFC顆粒流離散元是模擬離散巖土體的一種有效方法,其中離散元模擬中所需參數(shù)是一系列細(xì)觀參數(shù),包括顆粒接觸模量、粘結(jié)強(qiáng)度、摩擦系數(shù)與顆粒重度等關(guān)鍵變量及相應(yīng)微觀倍率。這些參數(shù)與實(shí)際的材料物理力學(xué)參數(shù)尚沒有直接可以準(zhǔn)確應(yīng)用的對(duì)應(yīng)關(guān)系,因此不能將實(shí)驗(yàn)得到的參數(shù)通過特定轉(zhuǎn)換公式不加矯正地直接應(yīng)用于PFC顆粒流離散元模擬。細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定通常是通過數(shù)值模擬試驗(yàn)(如單軸壓縮試驗(yàn)、雙軸壓縮試驗(yàn)或巴西劈裂試驗(yàn)等)來建立彼此之間的聯(lián)系,從而達(dá)到參數(shù)標(biāo)定的作用,其本質(zhì)上是一種等效代換標(biāo)定。該邊坡的巖土體材料細(xì)觀參數(shù)標(biāo)定結(jié)果見下頁表2。

        因本邊坡高為60.4 m,長約80 m,根據(jù)材料性質(zhì)的不同,可分為上下兩個(gè)區(qū)域。為了更加準(zhǔn)確地確定最危險(xiǎn)滑面,對(duì)邊坡表面根據(jù)其屬性不同進(jìn)行分區(qū)與建立模型。

        表2 離散元材料細(xì)觀參數(shù)表

        2.2 離散元模型的建立

        通過采用PFC 2D軟件,利用上述所得細(xì)觀參數(shù),建立了標(biāo)準(zhǔn)的2D邊坡模型。其簡(jiǎn)要建模過程如下:CAD建立模型→PFC軟件導(dǎo)入單層dxf文件→每單層通過顆粒半徑、孔隙比控制填充→循環(huán)完成全部層面建立→膠結(jié)固定→定義材料及屬性→模型應(yīng)力平衡→控制約束邊界→計(jì)算邊坡穩(wěn)定性→進(jìn)行數(shù)據(jù)后處理與分析。

        在CAD中繪制滑坡各層邊界與邊坡最外層輪廓邊界,按照重力堆積順序分別生成dxf文件。通過各dxf文件形成“wall”單元生成各層面坡面地形與組合成分界面。考慮到因離散元中的尺寸效應(yīng)與顆粒數(shù)量會(huì)對(duì)計(jì)算精度與計(jì)算速度產(chǎn)生不利影響,根據(jù)相關(guān)研究成果[7]采用“ball”命令生成顆粒,并使顆粒直徑小于最短模型邊界1/30時(shí),即可取得較好的計(jì)算精度與速度的平衡。通過模擬重力作用,使邊坡范圍內(nèi)的顆粒在重力作用下平衡后,刪除堆積體外的顆粒,并根據(jù)所對(duì)應(yīng)的巖土體微觀參數(shù)屬性對(duì)由dxf文件所確定顆粒集合進(jìn)行分組,分別賦予其屬性數(shù)值。最終生成的模型如圖1所示。

        本研究通過分別建立原始邊坡模型、多級(jí)邊坡模型與多級(jí)邊坡組合抗滑樁加固模型等不同模型,對(duì)高陡邊坡抗滑樁-土相互作用及加固效果進(jìn)行研究對(duì)比。為實(shí)時(shí)獲得邊坡在計(jì)算滑動(dòng)過程中巖土體所處的應(yīng)力狀態(tài)及孔隙率等關(guān)鍵參數(shù)的變化情況,在潛在滑動(dòng)面、樁身周圍以及樁端范圍內(nèi)布設(shè)了一系列測(cè)量圓(見圖2)。

        圖1 原始邊坡離散元模型圖

        圖2 樁周測(cè)量圓布設(shè)位置示意圖

        3 荷載傳遞規(guī)律及滑坡穩(wěn)定性分析

        3.1 滑坡穩(wěn)定性分析

        待顆粒平衡到位后,通過刪除每個(gè)層面之間的分界墻,并對(duì)滑坡模型施加重力作用,讓完成平衡過程的顆粒速度以及位移清零,并使其在重力作用下發(fā)生自然下滑過程。

        (1)對(duì)于路基邊坡在未采取防護(hù)措施的工況下,邊坡坡體出現(xiàn)了與預(yù)測(cè)相一致的貫通連續(xù)滑動(dòng)面(如圖3所示),即該邊坡存在著坡體沿軟弱結(jié)構(gòu)面向下滑移的可能性。在該工況下滑坡中顆粒的最大水平滑動(dòng)距離約為21 m。

        圖3 原始邊坡位移云圖

        (2)由于原始邊坡穩(wěn)定性不滿足相關(guān)安全要求,故通過對(duì)原始邊坡采用多級(jí)邊坡的防護(hù)方法進(jìn)行加固防護(hù)。通過同樣的步驟與穩(wěn)定時(shí)間后的位移情況如圖4所示。對(duì)比圖3可以看出,該邊坡未能出現(xiàn)完全貫通面,但是受到上覆物整體重量較大的影響,在最下一級(jí)邊坡特別是坡腳處出現(xiàn)了較大的水平向位移,這對(duì)邊坡的整體安全存在一定的不利影響,其最大水平位移為3~4 m。相較于原始邊坡的21 m雖有所減小,但是仍不滿足邊坡足夠的安全需求,需要針對(duì)這一問題進(jìn)一步增強(qiáng)支護(hù)效果。

        (3)針對(duì)如圖4所示上面層部分區(qū)域位移較大這一不利情況,通過在最低一級(jí)邊坡坡頂采用抗滑樁進(jìn)行加固的方法,解決了最低一級(jí)邊坡穩(wěn)定性不足的問題,其采用的抗滑樁長度為20 m、直徑為220 cm。在該工況下穩(wěn)定后,本邊坡最大水平位移出現(xiàn)在樁外側(cè)未進(jìn)行加固的土體顆粒中,其水平位移可達(dá)2.6~3 m,未能實(shí)現(xiàn)完全的穩(wěn)定;而經(jīng)過抗滑樁加固的上部巖土體位移顯著減小(如圖5所示),平均最大位移約為0.8 m左右。而本模型中顆粒直徑同樣在0.8 m左右水平,可以認(rèn)為其移動(dòng)程度很低,邊坡整體穩(wěn)定性較好,滿足邊坡安全所需。

        圖4 采用多級(jí)邊坡處理的位移云圖

        但是,在這一工況下應(yīng)注意到存在著第一級(jí)邊坡出現(xiàn)部分顆粒發(fā)生較大位移以及樁上部多級(jí)邊坡仍存在一定程度變形等問題。對(duì)此需要對(duì)坡面進(jìn)行加固處理。

        圖5 多級(jí)邊坡結(jié)合抗滑樁加固后位移云圖

        3.2 荷載傳遞規(guī)律

        在抗滑樁加固這一方法中抗滑樁樁側(cè)的水平向阻力的傳遞規(guī)律也是影響邊坡穩(wěn)定與整體安全的重要因素。通過前面布置的測(cè)量圓獲得水平向的力學(xué)表現(xiàn)。由圖6可知,水平向側(cè)阻力隨著深度的增加逐步提高,在巖土交界面由于性質(zhì)變化出現(xiàn)了下降,交界面兩側(cè)的力增長速度也存在明顯不同。深度在80 m附近,作為原潛在滑動(dòng)面,顆粒間孔隙度出現(xiàn)了顯著減小,水平向力出現(xiàn)了明顯的變化,這一力學(xué)變化規(guī)律對(duì)于樁的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)具有重要的指導(dǎo)價(jià)值。

        樁與巖土體力鏈關(guān)系如圖7所示。根據(jù)該圖可以看出,邊坡的力鏈分布服從上小向下大逐漸發(fā)展的過程規(guī)律。在樁抗滑側(cè)的力鏈顯著大于背滑側(cè)且廣泛地與樁相結(jié)合,從樁側(cè)延伸至邊坡內(nèi)部較深位置,證明樁起到了很好的止滑作用。在樁的另一側(cè),力鏈分布稀疏且長度較短,該側(cè)總體受力明顯較弱。

        圖6 水平向側(cè)阻力與深度關(guān)系曲線圖

        圖7 樁與巖土體力鏈云圖

        4 結(jié)語

        本文以某高速公路的高陡邊坡為例,采用PFC 2D軟件建立了邊坡二維模型并對(duì)其各工況下的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析;在考慮樁-土相互作用的基礎(chǔ)上,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。研究結(jié)果表明:

        (1)離散元法可以通過定期對(duì)顆粒的觀測(cè)實(shí)現(xiàn)對(duì)滑坡破壞的全過程分析,并能夠直觀地展現(xiàn)出滑坡破壞的過程,可以很好地揭示滑坡的形成過程與破壞機(jī)理,為整體支護(hù)設(shè)計(jì)提供參考。

        (2)通過采用多級(jí)邊坡對(duì)邊坡進(jìn)行支護(hù)處理,基本可以實(shí)現(xiàn)邊坡主體穩(wěn)定。在多級(jí)邊坡這一基礎(chǔ)上配合采用抗滑樁進(jìn)行支護(hù),效果顯著提高,達(dá)到了安全防護(hù)的目的。

        (3)抗滑樁的側(cè)阻力隨著深度的增加而增大。在潛在滑動(dòng)面由于顆??紫抖鹊南陆担w粒間作用力有所下降,致使力出現(xiàn)了波動(dòng)。這一潛在的剪切作用為抗滑樁設(shè)計(jì)提供了重要的參考。

        (4)結(jié)合第一級(jí)邊坡出現(xiàn)部分顆粒發(fā)生較大位移以及樁上部仍存在一定程度的變形等問題,建議對(duì)各級(jí)邊坡進(jìn)行錨索框架支護(hù),而且第一級(jí)、第二級(jí)邊坡是重點(diǎn)需要關(guān)注的對(duì)象。

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