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貴陽紅黏土邊坡數(shù)值模擬分析及防護技術(shù)研究*

2021-06-06 09:51:52王磊陳開圣張穎蔣洪蔣浩
采礦技術(shù) 2021年3期
關(guān)鍵詞:剪應(yīng)力抗滑樁擋土墻

王磊,陳開圣,張穎,蔣洪,蔣浩

(1.貴州大學(xué) 土木工程學(xué)院, 貴州 貴陽 550025;2.中國建筑第四工程局有限公司 工程技術(shù)研究院(技術(shù)中心), 廣東 廣州 510665)

0 引言

我國紅黏土主要分布于南方,如廣西、貴州、云南、廣東及湖南等省份,由于紅黏土具有高含水率、高塑性、高孔隙比等特殊的工程性質(zhì),而且南方地區(qū)雨水多,降雨誘發(fā)、干濕循環(huán)等復(fù)雜氣候環(huán)境導(dǎo)致紅黏土邊坡產(chǎn)生病害[1]。一些紅黏土邊坡按照規(guī)范設(shè)計卻在早期運營階段甚至是施工階段出現(xiàn)了破壞,工程技術(shù)人員對此尚不能給出很好的解釋[2]。紅黏土邊坡的破壞與一般的土質(zhì)邊坡有很大差別,表現(xiàn)在其破壞多從坡腳開始,呈“一窩一窩”的坍塌,其滑動面類似于“兒”字的左撇,不是典型的圓弧滑動,滑動剪切出口很少進入路基,導(dǎo)致路基拱起或推移等;而且通過調(diào)查,發(fā)現(xiàn)紅黏土邊坡破壞主要為沖溝、風化剝落、坍塌、溜塌及整體失穩(wěn)破壞,但大部分屬淺層滑動[3?5]。其破壞模式與特征復(fù)雜,采用圓弧條分法計算邊坡穩(wěn)定性系數(shù)與實際不符。

邁達斯GTS NX是一套針對巖土和橋隧專業(yè)的巖土數(shù)值模擬軟件[6],可以采用3D/2D模式,能夠分析多種問題,適應(yīng)不同用戶的需求,用戶能便捷建立復(fù)雜的網(wǎng)格模型,模擬不同工況下邊坡的穩(wěn)定情況,得出不同工況下的安全系數(shù)[7]。邊坡穩(wěn)定分析就是通過計算分析邊坡內(nèi)部的剪切應(yīng)力和剪切強度,計算邊坡的穩(wěn)定性[8]。Midas GTS NX中邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法,其原理是將邊坡巖土體的強度參數(shù)不斷折減,直致邊坡達到破壞,此時計算出邊坡的滑動面和安全系數(shù)[9?10]。強度折減法在有限元數(shù)值模擬分析中不需要事先判別滑動面,方便快捷,因此被廣泛應(yīng)用在邊坡計算分析中[11]。

在紅黏土邊坡的防護措施方面,公路、鐵路等部門通過大量的工程實踐,提出了擋土墻、抗滑樁等多種防護措施,針對同一個邊坡不同的設(shè)計人員常會有多種方案,且技術(shù)、經(jīng)濟、環(huán)境效果差別較大。但對不同的防護方案的適用范圍、效果分析、經(jīng)濟環(huán)境比較等方面的研究較少,而這又是工程技術(shù)人員的需要。因此,本文通過數(shù)值模擬不同防護措施下紅黏土邊坡安全系數(shù),對比分析不同防護方案的優(yōu)劣,推選出紅黏土邊坡適宜的防護措施。

1 紅黏土與支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

根據(jù)室內(nèi)土工試驗和閱讀文獻資料,確定的紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)見表1。根據(jù)資料顯示,錨桿一般采用HRB335和HRB-400型號的鋼筋,混凝土采用C30混凝土,本文擋土墻、抗滑樁和框架梁均采用C30混凝土材料,根據(jù)《鋼結(jié)構(gòu)設(shè)計標準》和《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》,確定支護結(jié)構(gòu)參數(shù)見表2。

表1 紅黏土基本物理力學(xué)參數(shù)

表2 各種支護結(jié)構(gòu)物理力學(xué)參數(shù)

2 紅黏土邊坡模擬分析

根據(jù)氣象資料,貴陽市6月份日降雨量最大為54.3mm,最長降雨時間為12 h,即模擬邊坡采用降雨量和降雨時間分別為54.3mm(暴雨級別)和12 h。在降雨狀況下模擬不同防護形式的防護效果,對比分析各種支護方式的優(yōu)劣。

擬定1級、2級紅黏土邊坡坡率分別為1:1.5,1:1,坡總高20m。根據(jù)鄭穎人等關(guān)于有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應(yīng)用研究可知,當坡腳右端邊界的距離為坡高的1.5倍,坡頂?shù)阶蠖诉吔绲木嚯x為坡高的2.5倍,且上下邊界總高不低于2倍坡高時,計算精度最為理想準確[12]。將模型按理論在CAD中畫出,利用Midas GTS NX導(dǎo)入DXF文件功能,自動生成邊坡外圍輪廓線,通過室內(nèi)土工試驗和查詢規(guī)范選取合適的材料參數(shù),設(shè)置邊坡土體和各防護結(jié)構(gòu)的材料和屬性,對土層和各支護結(jié)構(gòu)賦予設(shè)置好的材料屬性并采用三角形+四邊形單元劃分網(wǎng)格;巖土體采用摩爾-庫倫本構(gòu)模型計算,支護結(jié)構(gòu)采用彈性模型,邊界條件固定前后左右和底部,并施加重力場和降雨邊界,建立如圖1所示的幾何模型。

圖1 2級邊坡幾何模型

2.1 無支護

《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》規(guī)定永久性邊坡一般工況下邊坡安全系數(shù)須不小于1.35。模型模擬邊坡為2級紅黏土邊坡,1級坡坡率1:1.5,2級坡坡率1:1,坡高20m,邊坡設(shè)計參數(shù)見表1和表2。強度折減法模擬計算結(jié)果表明:無防護邊坡安全系數(shù)為0.9,邊坡不穩(wěn)定。從圖2可以看出,無防護邊坡土體應(yīng)力從上至下逐漸增加,符合地應(yīng)力賦存規(guī)律;2級邊坡剪應(yīng)力等值線從坡體深處向臨空面呈弧形延伸,容易發(fā)生剪切破壞,1級邊坡在放坡到1:1.5坡率下,剪應(yīng)力等值線曲線呈均勻?qū)訝睿⑽聪蚺R空面延伸,剪應(yīng)力在坡腳未出現(xiàn)局部匯聚現(xiàn)象,說明放坡能有效減緩剪應(yīng)力分布。從圖2~圖4可以看出,邊坡在進行放坡后雖改變剪應(yīng)力分布,但無防護條件下,邊坡自身自重及雨水沖刷條件下使坡體產(chǎn)生較大位移變形,邊坡最大位移為97mm,形成一個潛在滑動面,塑性貫通區(qū)從坡腳延伸至坡頂(見圖4),邊坡發(fā)生破壞。綜上所述,放坡能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性,改善土體內(nèi)部剪應(yīng)力分布,減緩坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象,但放坡局限性較大,對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高,大多數(shù)工程中很難滿足放坡要求。

圖2 無防護剪應(yīng)力云圖

圖3 無防護位移云圖

2.2 擋土墻支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》,本次模擬擋土墻設(shè)置高度為6.5m,墻體用C30混凝土筑成,墻寬度為2m,埋深為1.5m,采用實體單元模型,參數(shù)見表2。

圖4 無防護塑性區(qū)云圖

擋土墻模擬計算后安全系數(shù)為1.2,邊坡基本穩(wěn)定,根據(jù)模擬結(jié)果顯示,擋土墻的布設(shè)有效地抑制了坡腳處的位移,使坡體趨向穩(wěn)定,模擬計算后安全系數(shù)為1.2,相對無防護下的安全系數(shù)0.9提高了33個百分點。從圖5~圖7可以看出,擋土墻有效地抵抗了邊坡土壓力,剪應(yīng)力分布集中在擋土墻墻身處,對邊坡向外滑出起到阻擋作用。且剪應(yīng)力等值線在擋土墻處出現(xiàn)折斷,沒有形成向坡外剪出的圓弧狀剪應(yīng)力線。從圖7塑性區(qū)可以看出,加設(shè)擋土墻后,邊坡滑動面位置發(fā)生改變,呈弧形從坡中部延伸至擋土墻墻頂,與未防護下滑動面從坡頂延伸至坡腳相比,邊坡穩(wěn)定性提高,說明擋土墻對邊坡整體穩(wěn)定起到了一定效果。

圖5 擋土墻位移云圖

圖6 擋土墻剪應(yīng)力云圖

圖7 擋土墻塑性區(qū)云圖

2.3 抗滑樁支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》,本次模擬采用高為8m,截面為1m×1m的抗滑樁防護,抗滑樁材料為C30混凝土,采用實體單元建模,其結(jié)構(gòu)物理參數(shù)見表2,鋼筋布置見圖8。

圖8 抗滑樁鋼筋布置

抗滑樁支護模擬計算后安全系數(shù)為1.22,比無支護時增加0.32,邊坡穩(wěn)定性提高,邊坡基本穩(wěn)定。從圖9和圖10可以看出,抗滑樁的布設(shè)對邊坡滑動起到很好的抑制作用,邊坡位移大幅度減小,最大位移由無防護的97mm減小到61mm左右,剪應(yīng)力集中在樁體中部,剪應(yīng)力等值曲線在樁體處折斷,說明樁體阻礙邊坡土體下滑,且剪應(yīng)力等值線在樁底部向坡里轉(zhuǎn)折隨后再向坡外轉(zhuǎn)折,形成一個“泡狀”凹槽,表明抗滑樁底部周圍坡體剪應(yīng)力增大,滑坡體的推力通過樁傳遞到滑動面以下的穩(wěn)定巖層,整體上提高了邊坡的穩(wěn)定性,從圖11亦可看出,邊坡塑性貫通區(qū)面積明顯減少,說明樁體抑制住了土體變形,有效防止邊坡向下滑動。但防治效果是有限的,塑性貫通區(qū)隨時間推移可能延伸至坡頂,依然存在滑塌隱患。

圖9 抗滑樁位移云圖

圖10 抗滑樁剪應(yīng)力云圖

圖11 抗滑樁塑性區(qū)

2.4 錨桿支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》,錨桿設(shè)直徑為0.025m,施加200 kN預(yù)應(yīng)力,錨桿間距為3m,植入深度1級坡為15m,2級坡為13m,自由段1級坡為9m,2級坡為8m,錨固段1級坡為6m,2級坡為5m,植入角度為15°,參數(shù)見表2。

錨桿支護模擬計算的邊坡安全系數(shù)為1.13,邊坡基本穩(wěn)定,但相比于規(guī)范1.35的要求,尚不能滿足,從圖12~圖14可看出,邊坡最大位移明顯減小,錨桿提高了土體抗剪能力,剪應(yīng)力等值線在加固區(qū)無法形成連續(xù)曲線,且在錨桿頂端形成圓圈狀,錨桿對土體起到一定加固作用,但效果并未達最佳,從圖14可知,邊坡塑性區(qū)相比無支護時有明顯減少,且塑性區(qū)向坡體深處錨桿錨固段后偏移,說明錨桿加固使表層土與深層土黏合在一起,錨桿將下滑力傳遞至深層穩(wěn)定土層中,增強抗剪抗下滑能力,但塑性區(qū)范圍較大,有滑塌可能。而在錨桿端頭出現(xiàn)塑性區(qū)集中現(xiàn)象,是因為錨桿預(yù)應(yīng)力加固土體使周邊土體出現(xiàn)變形,這種變形在坡面未防護下土體表層可能向臨空面方向變形,對邊坡穩(wěn)定性而言存在安全隱患。

圖12 錨桿位移云圖

圖13 錨桿剪應(yīng)力云圖

圖14 錨桿塑性區(qū)云圖

2.5 框架梁支護

根據(jù)《公路路基設(shè)計規(guī)范》,框架梁單元尺寸不小于3m×3m,框架梁采用植入式梁單元進行析取,框架梁截面為3m×3m,材料為C30混凝土,物理參數(shù)見表2。

從模型計算得出框架梁防護安全系數(shù)為1.15,邊坡基本穩(wěn)定,從圖15可以看出,邊坡最大位移從未防護時的97mm減小至63mm,框架梁抑制了邊坡位移,從圖16可以看出,剪應(yīng)力等值曲線在坡體內(nèi)并未形成連續(xù)弧線,且在坡腳出現(xiàn)折回,說明框架梁有效抵抗了坡內(nèi)土體產(chǎn)生的剪應(yīng)力,但因坡腳無支檔結(jié)構(gòu),應(yīng)力集中現(xiàn)象較明顯,容易發(fā)生剪切破壞;由圖17可知,在框架梁防護下,邊坡塑性貫通區(qū)明顯減少,且并未與坡頂貫通,塑性區(qū)沿框架梁向上擴展,框架梁下土體與框架梁脫離,框架梁變形,說明框架梁抑制土體變形,有效防止邊坡向下滑動。由此可見,框架梁支護對坡體穩(wěn)定性提高有一定的效果,但還不能滿足規(guī)范要求。

圖15 框架梁位移云圖

圖16 框架梁剪應(yīng)力云圖

圖17 框架梁塑性區(qū)云圖

3 結(jié)論

(1)強度折減法模擬計算結(jié)果表明,無防護邊坡安全系數(shù)為0.9,最大位移為97mm,邊坡不穩(wěn)定;放坡雖能夠有效增強邊坡穩(wěn)定性,改善土體內(nèi)部剪應(yīng)力分布,減緩坡腳應(yīng)力集中現(xiàn)象,但放坡局限性較大,對周邊環(huán)境及邊坡高度要求高,大多數(shù)工程很難滿足放坡要求。

(2)擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁支護下模擬計算的安全系數(shù)分別為1.2、1.22、1.13、1.15,最大位移分別為61.8mm、61.3mm、61.9mm和63mm,即單一支護方式抗滑樁支護最優(yōu),其次是擋土墻和框架梁支護,最差是錨桿支護,但安全系數(shù)均不滿足規(guī)范要求。

(3)對于2級紅黏土防護僅僅采用單一支檔結(jié)構(gòu)并不能達到良好的效果,擋土墻、抗滑樁、錨桿和框架梁雖能加固邊坡,提升邊坡穩(wěn)定性,增強邊坡土體抗下滑能力,但單一的支護在邊坡中很難全面保證邊坡的安全性以及美觀性。

(4)各防護條件下邊坡最大位移較無防護時平均減小32mm。單一支護雖可以提高紅黏土邊坡穩(wěn)定性,但安全系數(shù)均達不到規(guī)范要求,今后應(yīng)考慮模擬研究復(fù)合支護方式下能否滿足規(guī)范要求。

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