含地裂縫巖質(zhì)邊坡采用微型鋼管樁加固效果分析

余 麗，扶名福，2，張 田，涂 斌

(1.南昌大學(xué)建筑工程學(xué)院，江西南昌 330031;2.南昌工程學(xué)院，江西 南昌 330029;3.華東交通大學(xué) 理工學(xué)院土建分院，江西南昌 330100)

在實際工程中由于建設(shè)需要，不可避免地要對巖土體進(jìn)行開挖，出現(xiàn)了大量邊坡穩(wěn)定性問題，對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析及評價，并采取有效的加固整治措施，是巖土工程研究的主要內(nèi)容之一［1-6］。

影響邊坡穩(wěn)定的因素眾多，諸如降雨、地震、新建建筑基礎(chǔ)的開挖等。巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性評價方法主要有三種:傳遞系數(shù)法、數(shù)值分析法、強度折減法。

傳遞系數(shù)法［7-8］假定條塊間的力與上一土條的底面平行，然后根據(jù)力的平衡條件逐條向下推求至最后一條塊的推力為零。該方法沒有考慮力矩的平衡，計算出的結(jié)果不夠準(zhǔn)確，但因計算簡便仍被廣泛采用。隨著計算機技術(shù)的發(fā)展，離散化的數(shù)值計算方法得到廣泛應(yīng)用，諸如:有限元法、離散元法、邊界元法、拉格朗日差分法等。強度折減法可以通過有限元分析直接得到安全系數(shù)，改變了之前有限元分析時無法直接評價邊坡的穩(wěn)定性，而要通過邊坡的塑性區(qū)、應(yīng)力場和位移場等來間接地評價，或利用有限元計算出的應(yīng)力分布使用極限平衡分析法計算得出安全系數(shù)。強度折減法不僅保持了有限元在模擬復(fù)雜問題上的優(yōu)點，而且概念明確、結(jié)果直觀，在工程中得到了越來越多的應(yīng)用。強度折減法計算分析軟件ABAQUS，可以采用精確的本構(gòu)關(guān)系，具有一定優(yōu)越性，故適用范圍很廣。

為了考查這些因素對邊坡穩(wěn)定性的影響，本文以井岡山某邊坡為例，對微型鋼管樁加固后的邊坡采用ABAQUS軟件進(jìn)行了穩(wěn)定性計算，并就邊坡穩(wěn)定的影響因素進(jìn)行了分析。

1 工程概況

根據(jù)擬建建筑物的建設(shè)需要，對部分山體進(jìn)行開挖。場地位于丘陵區(qū)，開挖后將形成陡立邊坡?？紤]到擬建建筑物距離坡腳很近，如邊坡出現(xiàn)失穩(wěn)，將威脅到擬建建筑物的安全，因此，本邊坡工程的安全等級劃分為一級，需要對邊坡進(jìn)行加固。

本工程場地上部主要為泥盆系變質(zhì)巖，巖性主要為千枚巖，局部夾泥，強度較低，巖層產(chǎn)狀125°∠15°，巖石風(fēng)化強烈，呈碎塊狀，結(jié)構(gòu)松散，多為泥質(zhì)充填。上覆殘坡積粉質(zhì)黏土，呈可塑狀。場區(qū)內(nèi)巖性自上而下分別為第四系人工填土(Qml4)及第四系上更新統(tǒng)殘坡積層(Qdel3)，下伏基巖為泥盆系變質(zhì)巖。地層參數(shù)如表1所示。

2 巖質(zhì)邊坡加固

在開挖施工過程中，在擬建建筑物的東北側(cè)發(fā)現(xiàn)3條地裂縫。為確保工程施工安全，考慮到東側(cè)及東北側(cè)為自然邊坡，東側(cè)及東北側(cè)邊坡坡腳均有住宅樓存在，且東側(cè)邊坡多處坡體曾發(fā)生崩塌，基坑距離建筑物很近，且施工場地受到限制，故選用施工方法簡單并且占地較小的微型鋼管樁對該地裂縫進(jìn)行了加固。

表1 地層參數(shù)

3 加固效果分析

利用 ABAQUS軟件建立計算模型［9-10］。根據(jù)施工現(xiàn)場情況，模型的計算參數(shù)如表2所示。

表2 計算模型參數(shù)

3.1 工程場地初始狀態(tài)與加固后計算結(jié)果

整個計算過程分兩步進(jìn)行。首先施加重力獲得邊坡的初始應(yīng)力場，然后對邊坡不斷進(jìn)行強度折減，直至計算不收斂。工程場地初始情況下，在天然狀態(tài)時，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.30時計算不收斂。天然狀態(tài)下坡角水平位移隨折減系數(shù)的變化曲線見圖1(a)。從圖上可以看出，當(dāng)折減系數(shù)等于1.26時，水平位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，因此，如果以位移出現(xiàn)轉(zhuǎn)折作為判據(jù)，天然狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.26。

為了增強邊坡的整體穩(wěn)定性，在修建建筑物之前對地裂縫進(jìn)行了加固處理，首先對地裂縫進(jìn)行灌漿，使地基保持整體性，然后在地裂縫的周圍進(jìn)行微型鋼管樁加固。加固后，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.323時計算不收斂。圖1(b)給出了加固后坡角水平位移隨折減系數(shù)變化曲線，可以看出，當(dāng)折減系數(shù)等于1.308時，水平位移曲線出現(xiàn)轉(zhuǎn)折，因此，初始狀態(tài)下邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.308。

在修建建筑物之前，對地裂縫進(jìn)行加固，加固后坡角水平位移減小，穩(wěn)定系數(shù)增大。

圖2給出了相應(yīng)的塑性區(qū)分布圖。可以看出，加固后層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)。

3.2 降雨后場地初始狀態(tài)與加固后計算結(jié)果

圖1 水平位移隨穩(wěn)定系數(shù)變化曲線

圖2 塑性應(yīng)變示意

在天然狀態(tài)下，當(dāng)場地降雨后，巖體和巖體間層理面的強度會降低，從而引起邊坡的穩(wěn)定性降低。工程場地初始情況下，在發(fā)生降雨后，強度折減系數(shù)為1.039時計算不收斂，降雨后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.028。

對地裂縫加固處理，在發(fā)生降雨后，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.132時計算不收斂，降雨后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.123。

在降雨工況下，對地裂縫進(jìn)行加固后坡角水平位移減小，穩(wěn)定系數(shù)增大。層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)，且塑性區(qū)的范圍較天然狀態(tài)下要大。

3.3 建筑物修建后計算結(jié)果

修建建筑物時，工程場地已經(jīng)加固，在天然狀態(tài)下，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.119時計算不收斂。圖3給出了天然狀態(tài)下坡角水平位移隨折減系數(shù)的變化曲線，可以看出，水平位移曲線轉(zhuǎn)折點不是很明顯，因此，以計算不收斂時的折減系數(shù)1.119作為邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，此時層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)。

圖3 建筑物修建后水平位移隨折減系數(shù)變化曲線

建筑物修建之后，在發(fā)生降雨時，強度折減系數(shù)為1.03時計算不收斂。當(dāng)折減系數(shù)等于1.011時，水平位移曲線出現(xiàn)明顯轉(zhuǎn)折，即降雨后邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.011。此時層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)。

3.4 地震影響分析

工程所在地區(qū)的地震設(shè)防烈度為6度，為安全起見，本次評價考慮了地震對場地穩(wěn)定性的影響。參考相關(guān)邊坡設(shè)計規(guī)范，計算中水平地震加速度取0.1g?？紤]地震影響后，當(dāng)強度折減系數(shù)為1.108時計算不收斂。圖4給出了考慮地震影響后，場地坡角水平位移隨強度折減系數(shù)變化曲線，可以看出，修建建筑物之前邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.089。此時層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)。

當(dāng)?shù)卣鸢l(fā)生在建筑物修建之后時，強度折減系數(shù)為1.014時計算不收斂，邊坡的穩(wěn)定系數(shù)為1.010。此時層理間巖體形成了連續(xù)塑性區(qū)。

圖4 考慮地震影響場地水平位移隨折減系數(shù)變化曲線(建筑物修建前)

4 結(jié)論

運用ABAQUS軟件進(jìn)行數(shù)值模擬分析，計算結(jié)果表明工程場地在各種工況下的穩(wěn)定系數(shù)都＞1，說明場地整體穩(wěn)定。在天然狀態(tài)下，特別是在降雨后，場地的穩(wěn)定系數(shù)較低，當(dāng)采用微型鋼管樁加固處理后，場地的穩(wěn)定系數(shù)增大，說明加固方案對增強場地邊坡的穩(wěn)定性具有一定效果。建筑物修建后，場地邊坡的穩(wěn)定性降低，但總體上仍保持穩(wěn)定?？紤]地震作用后，場地邊坡的穩(wěn)定性降低，但總體保持穩(wěn)定。

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