高文軍， 屈耀輝， 楊存進(jìn)， 吳紅剛

(中鐵西北科學(xué)研究院有限公司， 甘肅 蘭州 730000)

囊謙至多普瑪段是G214線的重要組成部分，其中特殊困難路段約6.5 m，路面寬度為7.5 m。該路段位于青海東部偏南地區(qū)玉樹藏族自治州囊謙縣境內(nèi)，該地區(qū)自從新生代(KZ)以來地殼新構(gòu)造運(yùn)動頻繁發(fā)生，地質(zhì)構(gòu)造及地形地貌復(fù)雜多變，地層巖性較差，斷裂破碎帶與褶皺不斷增長，受人為因素及降雨等的影響，經(jīng)常出現(xiàn)滑坡、路基下陷及邊坡塌滑情況。常見滑坡治理方式包括坡面防滑與排水等。坡面防護(hù)是向坡面上噴射砼，從根本上防止滑坡的發(fā)生，但其成本較高，只適合小面積滑坡，不適用于滑坡多發(fā)的大面積區(qū)域；通過排水解決滑坡，需大面積布置排水孔和砼片石，工序過于麻煩。使用抗滑樁加固滑坡巖土，將抗滑樁插入滑動面下的穩(wěn)定層中，利用穩(wěn)定地層巖土錨固作用抵抗滑坡推力，從而穩(wěn)定坡體結(jié)構(gòu)。該文研究抗滑樁治理囊謙至多普瑪段公路滑坡的情況，并研究濕化作用對抗滑樁的影響。

1 抗滑樁治理滑坡分析

1.1 結(jié)構(gòu)有限元分析

該路段滑坡抗滑樁橫截面見圖1。

圖1 抗滑樁橫截面

使用有限元法計算抗滑樁，能考慮影響樁基工作性能的所有因素，包括動力效應(yīng)、固結(jié)效應(yīng)及非線性性質(zhì)等，能充分考慮三維效應(yīng)計算樁周及樁中的變形和應(yīng)力。數(shù)值模擬抗滑樁時會遇到很多影響因素，包括抗滑樁和土體之間的相互作用、砼中鋼筋用量、土體物理力學(xué)指標(biāo)和變形指標(biāo)。模擬抗滑樁和周圍土體相互作用時使用非線性彈性單元。為加強(qiáng)有限元模型的非線性求解收斂性，采取如下措施： 1) 使用增量求解技術(shù)，結(jié)合線性搜索技術(shù)，實現(xiàn)變形歷程跟蹤。2) 合理劃分荷載子步數(shù)，降低非線性程度。

計算非線性時最常用的收斂方式為力收斂準(zhǔn)則和位移收斂準(zhǔn)則。采用位移收斂準(zhǔn)則時總位移精確值t+ΔtwT與第i次迭代生成的位移增量Δw(i)的比值需保持在一定精度內(nèi)，公式如下：

(1)

式中：lw、‖‖2分別為給定的位移精度與矢量的二范數(shù)。

一般情況下按下式判斷：

(2)

與位移收斂準(zhǔn)則相對的力收斂準(zhǔn)則為：

(3)

式中：e為力的增量。

抗滑樁結(jié)構(gòu)計算時，力收斂準(zhǔn)則精度控制在2%～5%，位移收斂初始容差低于1%。為實現(xiàn)收斂，降低收斂容差，反復(fù)計算后，獲得逐漸平穩(wěn)的相鄰誤差求解結(jié)果，使用二范數(shù)收斂準(zhǔn)則調(diào)整收斂精度。解決非線性求解收斂性問題后，構(gòu)建抗滑樁有限元模型。

1.2 濕化有限元分析

(1) 劃分網(wǎng)格與模型計算。邊坡發(fā)生干濕循環(huán)，導(dǎo)致滑坡。該項目所在地區(qū)年降水量較高，降水時間較長，需進(jìn)行濕化有限元分析。邊坡計算網(wǎng)格見圖2，抗滑樁長度與樁徑分別為10、1 m。抗滑樁有限元計算分為兩級，一級是在巖層和土層中的原始應(yīng)力狀態(tài)；另一級是由于降雨導(dǎo)致的入滲濕化。該項目因降雨入滲導(dǎo)致土體膨脹，水分不能正常向下入滲，通常情況下入滲深度為2～4 m，數(shù)值模擬時設(shè)定濕化深度為3 m。采用等應(yīng)力法分析濕化作用對抗滑樁受力和變形特性、邊坡安全的影響。

圖2 邊坡濕化模型

(2) 本構(gòu)模型與計算參數(shù)。土體變形受到加荷應(yīng)力路徑與荷載大小的影響，應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系呈現(xiàn)非線性。土體的變形性狀采用鄧肯非線性彈性模型模擬，采用鄧肯E-v模型：

(4)

(5)

假設(shè)土體為一種均質(zhì)各向同性材料，通過濕化變形試驗獲取計算參數(shù)，表1為鄧肯E-v模型的計算參數(shù)，表2為抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計算參數(shù)。

表1 鄧肯E-v模型的計算參數(shù)

表2 抗滑樁-接觸面耦合彈簧的計算參數(shù)

模型左右兩側(cè)施加X向約束，前后兩側(cè)及底側(cè)分別施加Y、Z向約束，模擬路堤荷載作用下邊坡軟弱地基面的沉降。獲取天然地基初始單元，不考慮抗滑樁和路堤單元，對路堤的水平分層分布進(jìn)行模擬，得到整個土體的側(cè)移與沉降。

2 模擬結(jié)果與分析

使用Surfer軟件繪制土工離心模型與FLAC3D模型，針對使用抗滑樁和未使用抗滑樁2種工況進(jìn)行分析，得到邊坡軟弱地基區(qū)域在路堤荷載作用下位移等值線圖(見圖3)。從圖3可看出：未使用抗滑樁時邊坡坡腳出現(xiàn)較明顯的地層隆起，而使用抗滑樁后未出現(xiàn)明顯隆起，抗滑樁對地基的水平位移發(fā)揮了限制作用，說明抗滑樁能有效治理囊謙至多普瑪段公路滑坡。

圖3 位移等值線圖(單位：mm)

設(shè)置2.5、4.5、6.5、8.5 m 4種抗滑樁樁距，其他參數(shù)不變，分析抗滑樁樁距敏感性。4種工況下沿抗滑樁深度方向(X方向)的水平位移與彎矩分布見圖4。從圖4可看出：樁距越大，抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大，總體增長趨勢較緩和，表明邊坡內(nèi)的側(cè)向荷載向抗滑樁轉(zhuǎn)移，需提高抗滑樁的剛度才能有效治理滑坡災(zāi)害。綜合考慮成本和可行性，確定抗滑樁樁距為4.5 m。

圖4 樁距對抗滑樁水平位移與彎矩的影響

濕化作用會對抗滑樁造成影響，圖5、圖6為濕化前后抗滑樁受力和變形的變化情況。從圖5、圖6可以看出：受濕化作用影響，抗滑樁的大主應(yīng)力在抗滑樁深度為5 m時出現(xiàn)較大增幅，主要是由于邊坡和抗滑樁之間協(xié)調(diào)變形，上部土體產(chǎn)生的下滑力由抗滑樁承擔(dān)，阻止土體下滑，有效治理滑坡災(zāi)害；抗滑樁深度對小主應(yīng)力的影響較小，且出現(xiàn)反復(fù)變化；隨著抗滑樁深度的增加，濕化作用對抗滑樁位移的影響越來越小，主要原因是濕化只在土體表層發(fā)生，抗滑樁埋放較深時，土體濕化不會對抗滑樁產(chǎn)生影響；濕化作用對抗滑樁沉降的影響較小，在5 mm內(nèi)，但沉降增幅約80%，濕化作用對抗滑樁沉降的影響較大。

圖5 濕化作用對抗滑樁應(yīng)力的影響

圖6 濕化作用對抗滑樁位移沉降的影響

3 結(jié)論

采用抗滑樁治理G214線囊謙至多普瑪段公路滑坡，解決非線性求解收斂性問題后，構(gòu)建有限元模型對抗滑樁加固進(jìn)行計算，模擬路堤的水平分層分布，獲取整個土體的側(cè)移與沉降。結(jié)果顯示：樁距會對抗滑樁治理滑坡造成影響，樁距越大，抗滑樁承受的水平位移與彎矩越大；巖土的濕化作用也會對抗滑樁治理滑坡造成影響，濕化會提升抗滑樁的大小主應(yīng)力，增加邊坡穩(wěn)定性。