樁梁組合支護(hù)下帶裂隙深挖方膨脹渠坡穩(wěn)定性分析*

李友云,謝繼登,劉德取,張軍,廖浩成

(1.長(zhǎng)沙理工大學(xué) 交通運(yùn)輸工程學(xué)院,湖南 長(zhǎng)沙 410114；2.浙江金麗溫高速公路有限公司,浙江 杭州 325027；3.湖南省蓮株高速公路建設(shè)開(kāi)發(fā)有限公司,湖南 株洲 412000)

以往膨脹土地區(qū)修筑渠坡時(shí),即使坡率降至1∶5～1∶6的緩坡仍會(huì)產(chǎn)生滑坡。抗滑樁是加固膨脹土渠坡的有效措施,它穿透滑體直至持力層進(jìn)行錨固,是一種借助與樁周圍土體相互作用,把滑坡體推力傳遞到持力層擴(kuò)散的抗滑結(jié)構(gòu)。李小雷等針對(duì)西南地區(qū)膨脹土滑坡,分析了全埋H形樁對(duì)加固邊坡的可行性及與膨脹土邊坡相互作用時(shí)受力特性。王東海通過(guò)有限元模擬,對(duì)不同樁間距的樁梁組合抗滑支護(hù)措施進(jìn)行了對(duì)比分析,但未考慮膨脹渠坡存在大小不一隨機(jī)分布的裂隙面。盧再華等對(duì)原狀膨脹土進(jìn)行三軸剪切試驗(yàn),得出軟弱夾層及原生裂隙面是決定其剪切強(qiáng)度的主要因素。該文針對(duì)南水北調(diào)中線深挖方膨脹渠坡,考慮受裂隙面、軟弱夾層控制的滑動(dòng)破壞及受氣候影響的淺表層蠕動(dòng),建立樁梁組合支護(hù)下膨脹渠坡數(shù)值計(jì)算模型,分析樁梁組合支護(hù)對(duì)深挖方帶裂隙膨脹渠坡的可行性。

1 有限元模型建立

1.1 基本模型

根據(jù)該工程實(shí)際設(shè)計(jì)樁梁組合支護(hù)方案,其中抗滑樁體直徑1.2 m、樁長(zhǎng)13.8 m、樁間距4 m,坡面梁截面尺寸為50 cm×50 cm(見(jiàn)圖1)。

圖1 樁梁組合支護(hù)設(shè)計(jì)示意圖(單位：cm)

膨脹渠坡模型尺寸為長(zhǎng)69 m,高21 m,坡頂長(zhǎng)20 m,厚12 m。根據(jù)土體特性,渠坡上層為弱膨脹土,中層為中膨脹土,下層為強(qiáng)膨脹土,在中、下層之間存在地下水影響下強(qiáng)度極差的軟弱夾層。渠坡穩(wěn)定性分析中考慮土層存在裂隙情況,利用多尺度分析思想均勻化6 m尺度裂隙面的強(qiáng)度參數(shù)。在4 m長(zhǎng)度范圍內(nèi)的裂隙面與同一尺度的土體構(gòu)成均質(zhì)體；對(duì)于4 m長(zhǎng)度以上的裂隙面,由裂隙面統(tǒng)計(jì)規(guī)律隨機(jī)生成4 m長(zhǎng)度以上長(zhǎng)大裂隙面(見(jiàn)圖2、圖3)。模型中土體采用Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則、非關(guān)聯(lián)流動(dòng)法則,樁及梁結(jié)構(gòu)視為剛體。

圖2 渠坡尺寸示意圖(單位：m)

圖3 渠坡有限元模型

1.2 裂隙面膨脹土渠坡土體及樁梁組合參數(shù)

樁梁組合支護(hù)由抗滑樁及坡面梁組成,其參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 樁梁組合參數(shù)

膨脹渠坡淺表層易在氣候影響下發(fā)生蠕動(dòng),進(jìn)而失穩(wěn)滑坡,故分析中考慮干濕反復(fù)變化下渠坡存在潛在不利狀態(tài)。參考當(dāng)?shù)亟涤昙肮庹盏荣Y料,利用Geostudio模擬膨脹渠坡表層在干濕循環(huán)下隨渠坡深度增加產(chǎn)生的強(qiáng)度參數(shù)變化,結(jié)果表明：干濕作用3個(gè)月,渠坡影響深度為0.5 m；干濕作用6個(gè)月,渠坡影響深度增加到1 m；干濕作用12個(gè)月,渠坡影響深度達(dá)到2 m。以受干濕作用1年的最不利工況下強(qiáng)度指標(biāo)作為膨脹渠坡深度2 m范圍內(nèi)的計(jì)算強(qiáng)度參數(shù)(見(jiàn)表2)。

表2 干濕循環(huán)影響區(qū)域參數(shù)

膨脹渠坡深層土體主要受地下水位變化的影響,土體參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 深層膨脹渠坡土體參數(shù)

1.3 受地下水位變化影響的深層膨脹土含水率及膨脹系數(shù)分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)分析報(bào)告,該膨脹渠坡最深層強(qiáng)膨脹土層含水率基本保持穩(wěn)定(26.6%),為飽和狀態(tài)；中膨脹土層受地下水位影響的含水率變化主要反生在高度z為7～9 m處,含水率W變化沿深度方向呈現(xiàn)負(fù)指數(shù)函數(shù)關(guān)系,函數(shù)表達(dá)式見(jiàn)式(1)。各含水率變化區(qū)位x的體膨脹系數(shù)α見(jiàn)式(2),體膨脹量為αW(x,y,z)。

2 樁梁組合下帶裂隙深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性

2.1 樁梁組合對(duì)帶裂隙深挖方膨脹渠坡支護(hù)的可行性分析

對(duì)樁長(zhǎng)13.8 m、樁徑1.2 m、樁間距4 m下樁梁組合支護(hù)渠坡進(jìn)行模擬計(jì)算,以計(jì)算是否收斂作為判定標(biāo)準(zhǔn)獲取安全系數(shù)。渠坡等效應(yīng)變和安全系數(shù)見(jiàn)圖4、圖5。

圖4 樁梁組合支護(hù)下渠坡等效塑性應(yīng)變?cè)茍D(單位：cm)

圖5 樁梁組合支護(hù)下渠坡安全系數(shù)

由圖4可知：在樁梁組合支護(hù)下,帶裂隙膨脹渠坡的滑動(dòng)面呈現(xiàn)受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動(dòng),在裂隙面和軟弱夾層共同影響下渠坡偏向強(qiáng)度較弱的土體(沿著裂隙面和軟弱夾層)滑動(dòng),最大位移出現(xiàn)在坡腳附近。

由圖5可知：樁梁組合支護(hù)下膨脹渠坡的安全系數(shù)達(dá)1.460,滿足相關(guān)規(guī)范的要求,說(shuō)明樁梁組合設(shè)計(jì)方案可行。

2.2 裂隙面與軟弱夾層對(duì)深挖方膨脹渠坡支護(hù)穩(wěn)定性的影響

受裂隙面和軟弱夾層等內(nèi)部土體因素影響,膨脹渠坡的滑動(dòng)面逐漸貫通而導(dǎo)致失穩(wěn)破壞?？紤]隨機(jī)分布帶來(lái)的偶然誤差,建立5種具有不同分布規(guī)律裂隙面和無(wú)裂隙面膨脹渠坡模型,模型尺寸相同(見(jiàn)圖6、圖7),分析有無(wú)裂隙面和軟弱夾層時(shí)樁梁組合支護(hù)下渠坡的穩(wěn)定性。各工況下渠坡安全系數(shù)見(jiàn)表4。

圖6 帶裂隙面渠坡模型

圖7 無(wú)裂隙渠坡模型

表4 各工況下采用樁梁組合支護(hù)時(shí)渠坡的安全系數(shù)

由表4可知：樁梁組合支護(hù)下,沒(méi)有裂隙面和軟弱夾層時(shí)渠坡的安全儲(chǔ)備極大,渠坡穩(wěn)定。存在軟弱夾層而無(wú)裂隙面時(shí),渠坡安全系數(shù)大幅減小,軟弱夾層直接影響渠坡的穩(wěn)定性,渠坡處于臨界滑動(dòng)狀態(tài)。存在裂隙面而無(wú)軟弱夾層時(shí),渠坡安全系數(shù)在1.479上下浮動(dòng),裂隙面較大幅度降低了渠坡的穩(wěn)定性。裂隙面和軟弱夾層的存在會(huì)減小渠坡的安全系數(shù),控制土體滑坡,影響渠坡的穩(wěn)定性。但在單一因素影響下,相對(duì)于裂隙面,軟弱夾層對(duì)渠坡安全系數(shù)的減小幅度更大。這是由于長(zhǎng)大裂隙面經(jīng)過(guò)后天改造常形成強(qiáng)度更低、填充著灰綠色黏土的光滑的軟弱夾層,軟弱夾層是膨脹渠坡失穩(wěn)過(guò)程中破壞性、活躍度最大的因素。在裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡穩(wěn)定性急劇下降,渠坡安全系數(shù)在0.814左右,渠坡將產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。從存在隨機(jī)分布裂隙面的5個(gè)渠坡來(lái)看,裂隙面的產(chǎn)狀、組合特征、裂隙傾角都會(huì)影響渠坡的安全系數(shù)。

2.3 抗滑樁對(duì)含裂隙面深挖方膨脹渠坡支護(hù)的穩(wěn)定性分析

考慮軟弱夾層的存在,分析僅采用抗滑樁支護(hù)時(shí)存在裂隙面深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性。各工況下渠坡安全系數(shù)見(jiàn)表5。

表5 各工況下采用抗滑樁支護(hù)時(shí)渠坡的安全系數(shù)

由表5可知：僅存在軟弱夾層的不利條件下,抗滑樁的支護(hù)效果較差,安全系數(shù)為0.981,達(dá)不到設(shè)計(jì)規(guī)范要求；同時(shí)存在裂隙面和軟弱夾層的情況下,使用抗滑樁支護(hù)渠坡的效果更差,安全系數(shù)在0.946上下波動(dòng),不利于渠坡的穩(wěn)定。在裂隙面和軟弱夾層共同影響下膨脹渠坡的穩(wěn)定性更差,單采用抗滑樁不足以使渠坡保持穩(wěn)定,采用樁梁組合支護(hù)體系才能保障膨脹渠坡的穩(wěn)定性。

3 結(jié)論

利用ABAQUS軟件建立有無(wú)裂隙面和軟弱夾層、有無(wú)樁等條件下深挖方膨脹土渠坡模型,計(jì)算各條件下渠坡的安全系數(shù),分析其對(duì)帶裂隙深挖方膨脹渠坡穩(wěn)定性的影響。結(jié)論如下：

(1)樁梁組合支護(hù)下帶裂隙膨脹渠坡滑動(dòng)面呈受裂隙和軟弱面控制的偏折線狀推移式滑動(dòng)(沿裂隙面和軟弱夾層),最大位移出現(xiàn)在坡腳附近。

(2)裂隙面與軟弱夾層都會(huì)降低渠坡的穩(wěn)定性,單一因素下軟弱夾層對(duì)渠坡安全系數(shù)的減小幅度比裂隙面大；裂隙面的產(chǎn)狀、組合特征、裂隙傾角都會(huì)對(duì)渠坡安全系數(shù)產(chǎn)生一定影響。

(3)裂隙面和軟弱夾層共同作用下,渠坡安全系數(shù)在0.814左右,渠坡將產(chǎn)生滑移失穩(wěn)破壞。

(4)考慮軟弱夾層的存在,抗滑樁支護(hù)下,深挖方膨脹渠坡的安全系數(shù)為0.92～0.98,不足以使渠坡保持穩(wěn)定；樁梁組合支護(hù)下,渠坡安全系數(shù)達(dá)到1.460,能保障深挖方膨脹渠坡的穩(wěn)定性。