陳權(quán)川 蕭詩禮 朱愛軍 李 蘭 陳權(quán)益

(1.貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院股份有限公司,貴陽 550081;2.貴州大學(xué)資源與環(huán)境工程學(xué)院,貴陽 550025;3.貴州大學(xué)土木工程學(xué)院,貴陽 550025;4.貴陽建筑勘察設(shè)計有限公司,貴陽 550009;5.息烽縣農(nóng)業(yè)農(nóng)村局,貴陽 551100;6.貴州師范大學(xué)材料與建筑工程學(xué)院,貴州 550025)

隨著山區(qū)工程建設(shè)的不斷推進,為獲得建設(shè)場地,往往須要對山地進行深挖高填改造,由深挖高填形成的邊坡高度也越來越大。在高填方工程中,重力式擋土墻是最常用的邊坡支擋結(jié)構(gòu)。然而,當填方高度過大時,重力式擋墻的局限性逐漸呈現(xiàn),其體量往往顯得過大,工程經(jīng)濟效益低下,同時,大體量重力式擋墻的承載力是否能達到理論計算值亦值得商榷。此外,在坡地上開挖高大擋土墻基槽時,施工難度大且不安全。抗滑樁是填方工程中最常用的支擋結(jié)構(gòu),隨著填方高度的增大,由單排發(fā)展為雙排門式抗滑樁。為改善結(jié)構(gòu)受力并節(jié)省工程造價,由雙排門式抗滑樁優(yōu)化發(fā)展成階梯式雙排樁[1]。在實際工程中,更出現(xiàn)了填方高度達30 m的三排階梯式抗滑樁。多排階梯式抗滑樁應(yīng)用于坡地填方工程時,不會對山體造成較大的開挖而破壞其穩(wěn)定性。相比于重力式擋墻而言,多排階梯式抗滑樁結(jié)構(gòu)的體量小、質(zhì)量輕、工程造價低,且對原有山體的擾動小,更有利于場地的穩(wěn)定性。

階梯形抗滑樁通過橫梁的連接,使其整體結(jié)構(gòu)側(cè)向剛度更大,抵抗側(cè)向變形的能力更合理,但作為超靜定體系的巖土支擋結(jié)構(gòu),其受力機理更為復(fù)雜。目前,階梯形抗滑樁的研究主要針對h型結(jié)構(gòu),相關(guān)學(xué)者主要采用理論推導(dǎo)[1-6]、室內(nèi)模型試驗[2-3,7-13]、數(shù)值模擬[13-17]等手段進行探討,并開展了相關(guān)工程應(yīng)用[1,4,16,18-19]?，F(xiàn)階段,h型抗滑樁的研究已逐漸完善,工程應(yīng)用日益廣泛。但對于邊坡高度較高的填方邊坡,h型抗滑樁難以滿足安全性要求時,迫切需要h型樁的衍生體,即三排階梯形抗滑樁。目前,對該類樁型的應(yīng)用鮮有報道,相關(guān)研究也很少見。與h型樁相比,三排階梯形樁更為復(fù)雜,其支擋防護效果、受力機理、承載性能尚不清晰。為此,將結(jié)合現(xiàn)有工程建設(shè)的需要,在h型樁研究的基礎(chǔ)上,開展坡體填方邊坡中三排階梯形抗滑樁的數(shù)值模擬研究,系統(tǒng)分析坡地填方邊坡中階梯形抗滑樁的支擋防護效果、受力特性、變形特征以及填土抗剪強度指標對邊坡支護體系的影響規(guī)律。

1 多排階梯形抗滑樁的演化及機理探討

1.1 階梯形多排樁的應(yīng)用現(xiàn)狀

h型樁作為階梯形雙排樁,在工程中最早得到應(yīng)用,系源于對門字形雙排樁的優(yōu)化。[12]與門字形雙排樁相比,h型前后樁的彎矩變得更小,圬工量也更小。[10]在目前工程實踐中,h型樁既用于挖方,也用于填方邊坡,如圖1所示。

某酒廠填方邊坡高30 m,由于工藝需要,邊坡須回填。該場地為土質(zhì)地基,如果采用重力式擋墻,則地基承載力不能滿足要求,需要寬度和埋深均很大的實體基礎(chǔ),再加上擋墻體量龐大,工程造價很高,后采用階梯式三排樁進行支護(圖2)。

圖2 某30 m高填方邊坡階梯形三排樁支護Fig.2 A 30 m high filling slope retained by stepped anti-slide piles

1.2 h型樁前后樁相互作用機理

階梯形多排樁中,矮樁樁頂剛度大,水平位移小,通過橫梁的協(xié)同工作,矮樁可在高樁的適當位置施加反向作用力,進而調(diào)節(jié)樁的彎矩和位移。

對于高樁在后,低樁在前的挖方邊坡情況,橫梁以受到軸向壓力傳遞兩樁間的相互作用。[1,4-5]對于高樁在前,低樁在后的填方邊坡情況,橫梁以受到軸向拉力傳遞兩樁間的相互作用,如圖3所示。

a—挖方邊坡;b—填方邊坡。圖3 h型樁前后樁相互作用Fig.3 Schematic diagrams of interaction of front and rear piles in h-shaped anti-slide pile structures

當前后樁之間的橫梁抗彎剛度很大時,橫梁將約束節(jié)點處樁的轉(zhuǎn)動,進一步起到調(diào)節(jié)樁身彎矩和位移的作用,如圖4所示。

a—挖方邊坡;b—填方邊坡。圖4 橫梁對樁轉(zhuǎn)動約束作用Fig.4 Rotational constraint effect of beams on piles

綜上所述,針對填方工程的支擋,工程應(yīng)用往往先于理論研究,h型樁的應(yīng)用日益廣泛,相關(guān)研究已逐漸完善。然而,對于坡地填方工程中三排階梯形抗滑樁的應(yīng)用和研究卻鮮有報道,其作用機理尚不清晰,因此,將針對階梯形抗滑樁在填方工程中的應(yīng)用,以某填方邊坡為例,基于FLAC3D軟件探討階梯形抗滑樁的變形狀況、承載性能以及受力特征。

2 數(shù)值模型建立

2.1 工程概況

擬建場區(qū)位于貴州省息烽縣,為獲得場地,須對擬建場區(qū)進行切坡及填方平場,形成工程邊坡。場地地形總體東南高、西北低,平場標高為1 107.0～1 108.8 m,在場地西北側(cè)將形成高約22.1 m的填方邊坡,長度約255.0 m,邊坡安全等級為一級(圖5)。

圖5 擬填方邊坡Fig.5 The slope prepared to be filled

a—邊坡剖面;b—冠梁正視圖;c—抗滑樁俯視圖。圖6 邊坡典型地質(zhì)剖面及支擋防護結(jié)構(gòu) mFig.6 A classically geological profile of the slope and retaining structure

場區(qū)位于黔北臺隆遵義斷拱鳳崗北北東向構(gòu)造變形區(qū),無斷層通過,地質(zhì)構(gòu)造簡單,巖層呈單斜產(chǎn)出。地質(zhì)環(huán)境中等復(fù)雜,水文地質(zhì)條件簡單,邊坡巖土類別單一。出露地層分別為：①第四系(Qml)回填土：雜色,主要由黏性土及碎塊石組成,黏性土約占30%,碎塊石約占70%,結(jié)構(gòu)稍密,分布厚度變化較大,均勻性差;②第四系殘坡積層(Qel+dl)紅黏土：黃色、褐色,含少量角礫,呈可塑狀,不均勻分布于素填土層之下,由白云巖風(fēng)化形成,局部含有少量風(fēng)化殘余碎塊,粒徑20～300 mm。土體結(jié)構(gòu)致密,層狀分布,黏性好,含水量較低,土質(zhì)均勻細膩,切面光滑,分布厚度變化較小,厚度在0.0～2.0 m間;③三疊系中統(tǒng)獅子山組(T2sh)白云巖：淺灰色,薄至中厚層狀,細晶結(jié)構(gòu)、層狀構(gòu)造,巖層呈單斜產(chǎn)出,產(chǎn)狀0°∠15°;巖芯呈短柱狀,柱狀,含碎塊狀,巖芯采取率在65%～75%,巖體整體較破碎;巖體節(jié)理、裂隙發(fā)育,巖體錘擊聲清脆,有輕微回彈,稍震手,易擊碎,浸水后,有輕微吸水反應(yīng),巖石飽和單軸抗壓強度為16.8～41.5 MPa,統(tǒng)計標準值為29.1 MPa,為較軟巖,巖體基本質(zhì)量等級分類為Ⅳ級,邊坡巖體類型屬于Ⅳ類。

2.2 模型建立

模型尺寸基于工程地質(zhì)剖面圖,為提高計算效率,方便分析階梯形抗滑樁的受力特征,建模時僅取一榀支護范圍進行研究,即將模型沿縱向拉伸5 m,抗滑樁截面尺寸為2.0 m×2.5 m,見圖7。網(wǎng)格劃分遵循以六面體為主,四面體為輔,尺寸1 ～2 m的漸變混合網(wǎng)格,同時對支護結(jié)構(gòu)及回填區(qū)周圍進行局部加密,單元共計18 639,結(jié)點共計13 047。

圖7 邊坡模型及網(wǎng)格劃分 mFig.7 The slope model and meshing

約束模型X、Y方向邊界及底部邊界的法向位移,上部邊界為自由邊界。

2.3 本構(gòu)模型及計算參數(shù)

巖土材料服從理想彈塑性本構(gòu)模型,屈服準則選取兼顧關(guān)聯(lián)流動拉伸屈服和非關(guān)聯(lián)流動剪切屈服的Mohr-Coulomb強度準則。抗滑樁及連系梁采用線彈性模型,具體參數(shù)見表1。

表1 邊坡巖土參數(shù)Table 1 Geotechnical parameters of slopes

2.4 模擬過程

首先,將回填土和支護體系賦予Null模型,即先將其隱藏,隨后進行坡體地應(yīng)力平衡,然后清除坡體的速度、位移。其次,在坡體上施加支護體系,計算,接著清除坡體和支護體系的速度、位移。最后,分步回填。第一步回填至底部橫梁處,隨后每步回填2 m,直至樁頂,回填一次計算一次,待回填至樁頂后,施加附加荷載30 kPa,并進行計算。

3 模擬結(jié)果和分析

3.1 應(yīng)力分析

邊坡經(jīng)三排階梯形抗滑樁支護后,X方向的應(yīng)力分布如圖8所示,分析可知：邊坡回填完畢后,在階梯形抗滑樁各組成構(gòu)件周圍產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中,說明抗滑樁充分參與了承載。后排樁與連梁連接處上部為壓應(yīng)力集中區(qū),下部為拉應(yīng)力集中區(qū),這是由于填土回填結(jié)束后,橫梁在上部填土作用下向下彎曲變形所致,最大拉應(yīng)力值為5.62 MPa,最大壓應(yīng)力值為4.50 MPa。同時,前樁與連梁上部為拉應(yīng)力集中區(qū),下部為壓應(yīng)力集中區(qū),這是由于抗滑樁在填土所受重力和土壓力作用下各組成構(gòu)件協(xié)調(diào)變形的結(jié)果。此外,中樁與下部橫梁間的連接處也存在一定的應(yīng)力集中。特別地,由于上部連梁承受的填土作用力有限,使得上部連梁與樁的連接處應(yīng)力集中現(xiàn)象弱。因此,在實際工程中,應(yīng)加強下部連梁與抗滑樁的連接處的搭接處理及連梁搭接處的配筋。

圖8 X方向正應(yīng)力分布云 MPaFig.8 Contours of normal stress in the X-direction

Z方向的應(yīng)力分布如圖9所示,觀察可得：同X方向應(yīng)力一樣,在階梯形抗滑樁各組成構(gòu)件周圍產(chǎn)生了顯著的應(yīng)力集中,最大拉應(yīng)力為5.0 MPa,最大壓應(yīng)力為10.1 MPa,抗滑樁與連梁連接處下部靠臨空面?zhèn)瘸霈F(xiàn)了拉應(yīng)力集中區(qū),且后樁集中現(xiàn)象強于中樁中部,中樁頂部連接處與前樁下部連接處集中現(xiàn)象相當。值得注意的是：抗滑樁在填土與原始地表處以下嵌固端產(chǎn)生了強烈的應(yīng)力集中,表現(xiàn)為靠填土側(cè)受拉,且后樁受拉最顯著,中樁次之,前樁最弱;靠臨空面?zhèn)仁軌?且前樁受拉最顯著,中樁次之,后樁最弱,在抗滑樁的后部及抗滑樁與下部連梁連接處易形成拉裂破壞,這是由于回填土向臨空面變形所造成的。因此,在實際工程中,應(yīng)加強抗滑樁受拉鋼筋的配置,同時也要注意抗滑樁與下部連梁的連接處的搭接處理及抗滑樁頂部靠臨空側(cè)的配筋。

圖9 Z方向應(yīng)力分布云 MPaFig.9 Contours of normal stress in the Z-direction

XZ方向的剪應(yīng)力分布如圖10所示,剪應(yīng)力主要集中在樁間連系梁及后排樁區(qū)域,其中剪切應(yīng)力的最大值為2.85 MPa,后排樁受剪強于中樁,前排樁最弱,說明階梯形抗滑樁中的后排樁承擔(dān)主要滑坡推力(土壓力),中樁次之,前樁最弱。鑒于混凝土結(jié)構(gòu)的抗剪能力主要源于截面尺寸及混凝土強度等級,因此,在實際工程中,應(yīng)適當增大后排樁和下部橫梁的截面尺寸和混凝土等級。

圖10 XZ面剪應(yīng)力分布 MPaFig.10 Contours of shear stress in the XZ-plane

3.2 位移分析

邊坡X、Z方向及抗滑樁的位移分布如圖11所示,X方向位移主要分布于填方場坪臨空面處,X方向最大位移為8.05 mm,Z方向位移分布主要分布于填方場坪中部,且向左右兩側(cè)位移逐漸減小。由于填方體的回填,X、Z方向位移相互影響,即上部土體對連梁產(chǎn)生了擠壓,聯(lián)梁向下彎曲變形,主要為Z方向的位移,梁向下變形的同時使得聯(lián)梁兩端的樁協(xié)調(diào)變形,進而促使X方向負方向位移的產(chǎn)生,而由于填土土壓力的存在,使得坡體及抗滑樁向臨空面變形,產(chǎn)生X方向的正方向位移,填土因向臨空面變形的原因致使填土回彈向上隆起,主要產(chǎn)生Z方向的正位移。階梯形抗滑樁在填土重力和土壓力的作用下整體向臨空面變形,以自身的撓曲變形為主,各部件共同作用、協(xié)調(diào)變形,最大變形量僅為8.1 mm,位于前樁樁頂,說明階梯形抗滑樁能嚴格地控制樁頂位移。綜上可知,階梯形抗滑樁具有良好抵抗變形的能力。

3.3 塑性區(qū)及最大剪切應(yīng)變增量分析

塑性區(qū)分布和貫通情況是評判邊坡的穩(wěn)定狀態(tài)重要依據(jù),如果塑性區(qū)的分布總面積越大,表明處于塑性屈服的潛在滑體區(qū)域愈廣,其貫通現(xiàn)象可以初步判斷潛在破壞面的分布情況和變形發(fā)展趨勢。邊坡失穩(wěn)破壞可視為塑性區(qū)逐漸發(fā)展、延伸直至塑性區(qū)貫通或者土體進入完全塑性流動狀態(tài)且無法繼續(xù)承受荷載的過程。由三排階梯式抗滑樁支護的邊坡塑性區(qū)分布見圖12。在填土表面受到剪切屈服,這是由于在填方表面施加荷載的緣故,由于坡體紅黏土層的存在,坡體有向臨空面滑移的趨勢,致使后排樁附近局部土體出現(xiàn)剪切屈服和拉張屈服。但由于三排階梯式抗滑樁支擋,邊坡整體未出現(xiàn)塑性區(qū)貫通現(xiàn)象,邊坡整體處于穩(wěn)定狀態(tài)。

p表示past,即計算迭代過程中曾出現(xiàn)過屈服;n表示now,即表示目前處于屈服狀態(tài)。圖12 邊坡塑性區(qū)分布Fig.12 Distribution of plastic zones in the slope

邊坡的最大剪切應(yīng)變增量如圖13所示,可以看出：填方體在重力作用下,出現(xiàn)了沿地表向下滑移的趨勢,但由于階梯形抗滑樁的存在,阻斷了最大剪切應(yīng)變增量貫通,即阻止了滑動面形成。此外,由于階梯形抗滑樁外形為階梯狀,在填土重力作用下,出現(xiàn)了沿階梯向下的變形趨勢,這是由于階梯形橫梁和樁的存在,產(chǎn)生了不均勻沉降,進而出現(xiàn)了階梯形剪切帶,但尚未完全貫通。因此,考慮坡體想臨空面變形的同時須格外重視填方體的不均勻沉降,施工中可布置土工格柵進行處理,避免不均勻沉降影響上部結(jié)構(gòu)的正常使用。

3.4 抗滑樁內(nèi)力綜合分析

抗滑樁的承載性狀通常以樁身彎矩分布作為評判指標,為了更好地分析階梯形抗滑樁整體受力特征,提取了填方完成時抗滑樁的內(nèi)力(彎矩、剪力)進行分析,并將提取的內(nèi)力數(shù)據(jù)通過excel軟件離散為平面坐標,再根據(jù)階梯形樁的內(nèi)力分布進行坐標偏移,最后通過計算機輔助設(shè)計繪圖軟件描繪,結(jié)果如圖14所示。

由圖14可以看出：從整體上看,三排階梯形滑樁能很好地限制樁頂位移。從局部上看,階梯形抗滑樁中的下部橫梁以下后排樁、中樁以及前樁樁身彎矩分布呈反“S”形,且后樁受彎強于中樁,前樁最弱,其分布規(guī)律與上述應(yīng)力云一致,樁身底部處彎矩為零,同時下部橫梁以下樁身距橫梁1/3樁身處彎矩也為零,下部橫梁以上的中樁與前樁樁身彎矩較小,且中樁強于前樁,對于剪力而言,同樣是后樁最大,中樁次之,前樁最小,下部橫梁以上的中樁受剪強于前樁,這是由于在填土作用下,后排樁承受的土壓力較大所致,特別地,在填土重力及土壓力作用下,橫梁處于復(fù)雜的應(yīng)力狀態(tài),并非簡單的受拉或受壓桿件,因此在設(shè)計時要加強后排樁的抗彎、抗剪承載力,適當削減中樁和前樁的投入,從而節(jié)約工程材料,同時也因注意橫梁的抗滑和抗剪承載力,以滿足安全要求。

4 填土內(nèi)摩擦角對抗滑樁和邊坡變形的影響

內(nèi)摩擦角作為回填土的重要強度指標,是填方工程設(shè)計的重要依據(jù)。為研究填土內(nèi)摩擦角對階梯形三排樁的影響規(guī)律,將填土內(nèi)摩擦角φ由10°等間隔改變至35°,旨在揭示內(nèi)摩擦角對三排階梯形抗滑樁內(nèi)力、變形以及邊坡變形的影響規(guī)律。

4.1 內(nèi)摩擦角對抗滑樁內(nèi)力的影響

樁身的內(nèi)力分布(彎矩、剪力)如圖15所示。可以看出：內(nèi)力分布符合剪力為零時,彎矩達到最大值的規(guī)律。隨著內(nèi)摩擦角的減小,樁身彎矩剪力逐漸增大,且增大幅度越來越大,可見,回填土的力學(xué)性質(zhì)對抗滑樁的受力有著重大影響。因此,當回填土力學(xué)指標較低時,可以采取適當措施提高回填土力學(xué)屬性,以減弱回填土對抗滑樁受力特性的影響,進而確保邊坡回填后更加穩(wěn)定。

a—1號樁彎矩;b—1號樁剪力;c—2號樁彎矩;d—2號樁剪力;e—3號樁彎矩;f—3號樁剪力。圖15 樁身內(nèi)力分布Fig.15 Distribution of internal forces in piles

4.2 內(nèi)摩擦角對邊坡及抗滑樁變形的影響

由圖16可以看出：盡管填土內(nèi)摩擦角發(fā)生了變化,坡體Z方向最大位移卻始終大于X方向位移,可以得出,在重力場的作用下,階梯形抗滑樁支擋后的坡體以豎向變形為主。隨著填土內(nèi)摩擦角的增大,坡體最大位移逐漸減小,且內(nèi)摩擦角10°增大至25°時,Z方向最大位移急劇減小,繼續(xù)增大后,Z方向最大位移逐漸趨于平穩(wěn),說明填土內(nèi)摩擦角小于25°時,坡體Z方向位移易受影響,大于25°時,其影響性很小。相反,X方向位移則隨著內(nèi)摩擦角的增大呈近線性遞減。

圖16 坡體最大位移隨內(nèi)摩擦角的變化曲線Fig.16 Variable curves of the maximum displacements for the slope changed with internal frictional angles

如前所述,階梯形抗滑樁抵抗變形的能力強,即整體剛度大,由圖17可以看出：內(nèi)摩擦角在[10°,35°]時,抗滑樁變形并不顯著,最大變形量為18.14 mm,最小變形量為8.10 mm。且隨著填土內(nèi)摩擦角的不斷增大,抗滑樁變形逐漸減小,且幅度越來越小。

圖17 內(nèi)摩擦角對樁頂位移的影響曲線Fig.17 Relations between internal friction angles and displacements of pile tops

5 結(jié)束語

1)三排階梯形抗滑樁作為一種新型支擋結(jié)構(gòu),屬于h型抗滑樁的升級形式。橫梁將前、中、后三排樁連接成一個整體,增加了整體結(jié)構(gòu)的側(cè)向剛度,提高了抵抗側(cè)向變形的能力,使其綜合受力和變形更為合理。

2)坡地填方邊坡中,階梯形抗滑樁的施工對坡地擾動小,能很好地控制坡體變形,具有良好的支擋防護效果。

3)在填土作用下,橫梁處于復(fù)雜的受力狀態(tài),并非簡單的受拉、受壓桿件,更偏向于一個受彎構(gòu)件。

4)三排階梯形抗滑樁工作時,在樁梁搭接處易產(chǎn)生拉應(yīng)力集中,且后樁樁后的受拉最強,中樁次之,前樁最弱,下部橫梁易產(chǎn)生剪應(yīng)力集中,且下梁受剪強于上梁。

5)回填土的內(nèi)摩擦角對抗滑樁的受力和變形有著重大影響,隨著內(nèi)摩擦角的減小,樁身彎矩剪力逐漸增大,且增加幅度越來越大。隨著填土內(nèi)摩擦角的增大,抗滑樁變形逐漸減小,且幅度越來越小。