邊坡支擋與防護(hù)

1、抗滑樁在邊坡支擋和加固中的應(yīng)用及基于強度折減法有限元模擬20世紀(jì)80年代中期以前，我國公路建設(shè)主要以低等級為主，深挖高填施工較少，公路建設(shè)投資不大，因而公路邊坡穩(wěn)定問題較少，邊坡支擋工程不作為道路建設(shè)的主體工程，在公路工程建設(shè)中對邊坡的防護(hù)常常被忽視。進(jìn)入90年代以后，我國大量修筑高等級公路，遇到大量的高填深挖路基，邊坡穩(wěn)定問題日漸突出。90年代初期，邊坡防護(hù)與加固仍主要沿用低等級公路的邊坡工程技術(shù)會借鑒鐵道部門的經(jīng)驗來實施局部處理，由于在邊坡處治時缺乏綜合考慮，為工程埋下隱患。90年代后期，我國公路建設(shè)進(jìn)入了前所未有的高速發(fā)展階段，吸取前期公路建設(shè)的經(jīng)驗教訓(xùn)，高等級公路邊坡的綜合治理受到重視

2、。各地結(jié)合當(dāng)?shù)毓こ虒嵺`開展了一系列公路路基邊坡防護(hù)和加固技術(shù)研究，公路邊坡工程理論與實踐取得了很大的進(jìn)展。 1邊坡穩(wěn)定性研究的發(fā)展方向 邊坡穩(wěn)定性研究由來已久，早期的邊坡研究是僅以土體為研究對象的，該方法的顯著特點是采用材料力學(xué)和簡單的均質(zhì)彈性、彈塑性理論為基礎(chǔ)的半經(jīng)驗半理論性質(zhì)的研究方法，并把此方法用于巖質(zhì)邊坡的穩(wěn)定性研究，但由于其力學(xué)機理的粗淺或假設(shè)的不合理，其計算結(jié)果與實際情況差別較大。1959年法國Malpasset壩左岸壩肩巖體的崩潰及1963年意大利Vajont壩上游左岸的庫岸邊坡滑坡等，使人們清醒地認(rèn)識到了邊坡破壞的力學(xué)機理研究的不足，從而促進(jìn)了邊坡穩(wěn)定性研究

3、向前邁進(jìn)了一大步。以彈塑性理論為基礎(chǔ)和改進(jìn)的極限平衡法應(yīng)用為主的多種方法應(yīng)運而生，特別是1967年人們第一次嘗試用有限元研究邊坡的穩(wěn)定性問題，給定量評價邊坡的穩(wěn)定性創(chuàng)造了條件，并使其過渡到數(shù)值方法，從而使邊坡穩(wěn)定性研究進(jìn)入模式機制和作用過程研究成為可能。然而建立在極限平衡理論基礎(chǔ)之上的各種穩(wěn)定性方法沒有考慮土體內(nèi)部的應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系，無法分析邊坡破壞的發(fā)生和發(fā)展過程，沒有考慮土體與支擋結(jié)構(gòu)的共同作用及其變形協(xié)調(diào)，在求解安全系數(shù)時通常需要假定滑移面為折線、圓弧、對數(shù)螺旋線等。而有限單元法克服了傳統(tǒng)分析法的不足，不僅滿足力的平衡條件，而且考慮了土體應(yīng)力、變形關(guān)系和支擋結(jié)構(gòu)的作用，能夠得到邊坡在荷載作用

4、下的應(yīng)力、變形分布，模擬出邊坡的實際滑動面。另外強度折減法的提出使得人們可以通過有限元分析直接獲得一個安全系數(shù)，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。2.抗滑樁在邊坡加固和支擋中的應(yīng)用 抗滑樁是埋設(shè)于滑面上、下巖體中阻止滑體移動的樁形結(jié)構(gòu)物?？够瑯堵袢牖嬉韵碌牟糠址Q為錨固段，埋置于滑面以上的部分稱為受力段?？够瑯兜氖芰Χ纬惺芑峦屏ψ饔茫瑐鬟f到錨固段，在滑床的樁周地層 反力嵌住樁身。如過樁的強度能夠承受這些推力和反力，也就可以阻止樁背滑體的滑動?？够瑯栋粗谱鞑牧戏?，有混凝土樁、鋼筋混凝土樁和鋼樁；按斷面形式分，有圓樁

5、、管樁、方樁和“H”形樁；按布置方式分，有密排式、間隔式、單排式和多排式；按施工方法分，有打入式、鉆孔式、挖孔式等。 2.1 作用原理作用于樁體上的滑坡推力，一部分由樁體傳至樁前滑體，由樁前滑動面向上的抗滑力平衡；另一部分由樁體傳至滑動面以下巖體中，因而樁前滑坡推力減小，滑體穩(wěn)定性提高。即利用埋于滑床中的樁將滑體中未平衡的滑坡推力借樁傳遞而下作用于樁周的巖土上?？够瑯赌苎杆佟踩?、經(jīng)濟(jì)地解決一些比較困難的工程，因此發(fā)展較快。2.2 優(yōu)缺點抗滑樁的優(yōu)點主要表現(xiàn)在以下幾個方面： 1.抗滑能力大，污工數(shù)量小，在滑坡推力大。 2.樁位靈活，可以在滑坡中最有利于抗滑的部位，

6、單獨使用。分排設(shè)置時，可將巨大的滑體切割成若干分散的單元體，對滑坡起到分而治之的功效。 3.抗滑樁可以根據(jù)彎距沿樁長變化合理布設(shè)鋼筋，因此較打入的管樁經(jīng)濟(jì)。 4.施工方便，設(shè)備簡單，具有工程速度快，施工質(zhì)量好，比較安全等優(yōu)點。施工時可以間隔開挖，不至于引起滑坡條件的惡化，因此對整治通車路線上的滑坡和處在緩慢滑動階段特別有效。 5.開挖樁孔能校對地質(zhì)情況，檢驗和修改原有的設(shè)計，使其符合實際。 缺點則表現(xiàn)為，抗滑樁是大懸臂受力，主要靠滑動面以下的的樁身所受的地基反力來平衡滑坡推力，受力機制不合理，需要的樁長截面大，材料消耗多，工程造價高。2.3 抗滑樁的適用

7、性  抗滑樁適用于裂隙不太發(fā)育、完整性較好的緩傾斜中厚巖體、滑動面較單一傾角較小的滑坡，同時要求有一個明顯的滑動面，滑面以下為完整的基巖（或密實的基礎(chǔ)）能提供足夠的抗力，不適用于軟塑體滑坡。抗滑樁已是一種很成熟的滑坡加固方法。它成排布置，借助樁的受力段及樁背土體與樁兩側(cè)的摩阻力而形成的土拱效應(yīng)以穩(wěn)定滑體，不使其從樁間滑出，它的作用機理是利用埋于滑床中的樁將滑體中未平衡的滑坡推力借樁傳遞而下作用于樁周的巖土上。如果在樁的上部加上錨索，將一部分下滑力轉(zhuǎn)移到錨索上，由錨索承擔(dān)，這樣就可以減少埋于滑床中樁的傳遞作用于樁周巖體的滑坡推力，樁埋入滑床中的深度相對減小，并使原來的懸臂抗滑

8、樁，變成了一端近似鉸接另一端近似彈性固端的一種梁式結(jié)構(gòu)。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)主要由抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、錨具等組成。位于滑面以下穩(wěn)定基巖內(nèi)的錨索稱錨固段，其余為張拉段。對錨索施加預(yù)應(yīng)力后，通過錨具將其與抗滑樁相連接，它的另一端穿過滑坡體后錨固于滑床內(nèi)，從而使抗滑樁和預(yù)應(yīng)力錨索組成一個聯(lián)合受力的體系。用錨索拉力和樁體共同平衡滑坡推力，徹底改變了一般抗滑樁大懸臂受力的受力機理，改變了抗滑樁單一靠嵌固段地基抗力，平衡滑坡推力。這樣的作用結(jié)果使得內(nèi)彎矩大大尖小，樁徑變細(xì)，樁的埋置深度變淺，達(dá)到了結(jié)構(gòu)受力合理、節(jié)省投資、節(jié)約材料、縮短工期的目的。 從樁的受力機制看，普通懸臂抗滑樁是“被動”的受力

9、狀態(tài)，施工后在滑坡推力的繼續(xù)作用下發(fā)生位移，樁才能逐漸具備抗滑能力，這對保護(hù)滑體上的已有建筑物非常不利，而預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是“主動”型。施加預(yù)應(yīng)力后，滑體受到反推力，這樣就可以立即起到止滑的作用?；w上已有建筑物不在繼續(xù)變形，個別情況下原有變形裂縫還會逐漸彌合。 2.4抗滑樁的樁體構(gòu)造1、抗滑樁截面形狀宜采用矩形，樁的截面尺寸應(yīng)根據(jù)滑坡推力大小、樁間距、錨固段地基橫向容許強度等因素確定，樁最小邊寬度不應(yīng)小于1.25。在主滑方向不確定的情況下，可采用圓形截面。2、樁身混凝土的強度等級不應(yīng)低于C20。當(dāng)?shù)叵滤星治g性時，水泥應(yīng)按有關(guān)規(guī)定選用。3、抗滑樁井口應(yīng)設(shè)置鎖口，樁井位于土和風(fēng)化破碎

10、的巖層時宜設(shè)置護(hù)壁 ，鎖口和護(hù)壁混凝土強度等級不應(yīng)低于C15。4、抗滑樁縱向受力鋼筋直徑不應(yīng)小于16mm。凈距不宜小于120mm，困難情況下可適當(dāng)減少，但不得小于80mm。當(dāng)用束筋時，每束不宜多于3根。當(dāng)配置單排鋼筋有困難時，可設(shè)置2排或3排。受力鋼筋混凝土保護(hù)層厚度不應(yīng)小于60mm。5、縱向受力鋼筋的截斷點應(yīng)按國家標(biāo)準(zhǔn)混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范（GB50010）計算。6、抗滑樁內(nèi)不宜設(shè)置斜筋，可采用調(diào)整箍筋的直徑、間距和樁身截面尺寸等措施，滿足斜截面的抗剪強度。7、箍筋宜采用封閉式，直徑不宜小于14mm，間距不應(yīng)大于500mm。8、抗滑樁的兩側(cè)和受壓邊，應(yīng)適當(dāng)配置縱向構(gòu)造鋼筋，其間距宜為400mm5

11、00mm，直徑不宜小于12mm。樁的受壓邊兩側(cè)，應(yīng)配置架立鋼筋，其直徑不宜小于16mm。當(dāng)樁身較長時，縱向構(gòu)造鋼筋和架立筋的直徑應(yīng)加粗。3. 基于強度折減法抗滑樁有限元分析3.1邊坡穩(wěn)定性有限元分析的強度折減法強度折減法最早由ZienKiewicz等提出，后被許多學(xué)者廣泛采用。強度折減法提出了一個強度折減系數(shù)，其定義為：在外載荷保持不變的情況下，邊坡內(nèi)土體所能夠提供的最大抗剪強度與外載荷在邊坡內(nèi)所產(chǎn)生的世界剪應(yīng)力之比。在極限情況下，外載荷所產(chǎn)生的實際剪應(yīng)力和抵御外荷載所發(fā)揮的最低抗剪強度即按照實際強度指標(biāo)折減后所確定的、實際中得以發(fā)揮的抗剪強度相等。當(dāng)假定邊坡內(nèi)所有土體抗剪強度的發(fā)揮程度相同時

12、，這種抗剪強度折減系數(shù)相當(dāng)于傳統(tǒng)意義上的邊坡整體穩(wěn)定安全系數(shù)Fs，又稱為強度儲備安全系數(shù)，與極限平衡法中所給出的穩(wěn)定安全系數(shù)在概念上是一致的。本文采用理想彈塑性模型和Mohr-Coulomb屈服準(zhǔn)則。折減后的抗剪強度參數(shù)可分別表達(dá)為：cm=cFrm=arctantanFr試中，c和是土體所能夠提供的抗剪強度；cm和m是維持平衡所需要的或土體實際發(fā)揮的抗剪強度；Fr是強度折減系數(shù)。用強度折減法有限元分析邊坡的穩(wěn)定性，采用解的不收斂作為破壞準(zhǔn)則。在指定的收斂準(zhǔn)則下算法不能收斂，即表示應(yīng)力分布不能滿足土體的破壞準(zhǔn)則和總體平衡要求，意味著出現(xiàn)破壞。在Abaqus中實現(xiàn)強度折減法的具體步驟為：1）定義一

13、個場變量，通常取為強度折減系數(shù)Fr。2）定義隨場變量變化的材料參數(shù)模型。3）在分析開始指定場變量的大小，并對模型施加重力荷載，建立平衡應(yīng)力狀態(tài)。4）在后續(xù)的分析步中線性增加場變量Fr，計算終止（數(shù)值不收斂）后對結(jié)果進(jìn)行處理，按照失穩(wěn)評價標(biāo)準(zhǔn)確定安全系數(shù)。3.2抗滑樁強度折減法實例分析有如圖1所示均質(zhì)邊坡，土體容重為=20kNm3，粘聚力c=12.38kPa，摩擦角=20。，不考慮土的剪脹效應(yīng)，彈性模量為100MPa，泊松比為0.3。圖1 模型示意圖土體采用四節(jié)點平面應(yīng)變單元模擬，模型見圖2。約束條件：限定模型兩側(cè)的水平位移和模型底部兩個方向的位移。圖2 邊坡平面模型在自身重力作用下邊坡的位移矢

14、量圖、塑性區(qū)和位移等值線云圖分別如圖3、圖4和圖5所示。圖3 極限平衡狀態(tài)下位移矢量圖圖4 極限平衡狀態(tài)下塑性區(qū)圖5 極限平衡狀態(tài)下位移等值線云圖 以數(shù)值計算不收斂作為土坡穩(wěn)定的評價標(biāo)準(zhǔn)，由場變量隨x方向位移變化曲線（如圖6所示）可以得到該邊坡的安全系數(shù)，為0.99。圖6 場變量隨x方向位移變化曲線3.3抗滑樁對邊坡穩(wěn)定性的影響 針對滑坡災(zāi)害的防治人們提出不同的理論和方法，其中抗滑樁由于成本低，并且能有效阻止土體的滑動變形，被人們廣泛的采用?；跇O限平衡法的邊坡穩(wěn)定性分析法無法給出樁土相互作用的應(yīng)力分布和變形特點。采用數(shù)值方法對抗滑樁-邊坡系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析，可對邊坡土體和抗滑樁分別進(jìn)行單元離散

15、，用彈塑性對其進(jìn)行應(yīng)力和應(yīng)變分析，反映樁土之間相互作用的真實機理，是一個耦合的計算方法。為了研究抗滑樁的打入角度對邊坡穩(wěn)定的影響，在Abaqus中對其進(jìn)行模擬，為了簡便，假定抗滑樁為鋼材，彈性模量為2.09E5MPa，泊松比為0.3，樁土見豎向摩擦系數(shù)為0.51。樁徑為0.8m，長度為8m。對樁豎向垂直打入和沿邊坡面垂直打入兩種方式進(jìn)行數(shù)值計算，分別得到邊坡的穩(wěn)定系數(shù)，并結(jié)合塑性變形區(qū)進(jìn)行對比。 邊坡平面模型 極限平衡狀態(tài)下位移矢量圖 極限平衡狀態(tài)下塑性區(qū) 極限平衡狀態(tài)下位移等值線云圖 場變量隨x方向位移變化曲線通過對比可以看到雖然沿著斜坡面垂直打入的樁對于土體塑性區(qū)的產(chǎn)生有良好的抑制作用，但

16、是土體整體的變形與豎直打入的抗滑樁效果相比明顯加大，而且對于坡腳的土體不能起到良好的控制變形的效果，因此認(rèn)為豎直打入抗滑樁效果要好。4.結(jié)論本文對邊坡的穩(wěn)定性分析進(jìn)行了簡單的回顧，并且重點介紹了抗滑樁這種常見的支護(hù)手段。同時利用Abaqus內(nèi)置的場變量實現(xiàn)了強度折減法，并且成功的對簡單的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，得到其安全系數(shù)。同時充分利用了有限元方法在分析樁土共同作用的應(yīng)力應(yīng)變分布特點的優(yōu)勢，對抗滑樁打入角度進(jìn)行了數(shù)值分析，得到相應(yīng)的結(jié)果，對于實際工程應(yīng)用具有一定的指導(dǎo)價值。 （1）對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析時，有限元法克服了傳統(tǒng)極限平衡法的許多不足之處，不僅能得到比較符合實際情況的邊坡應(yīng)力、變形分布及發(fā)

17、展趨勢，而且還能確定實際滑移面。（2）邊坡穩(wěn)定性分析的強度折減有限元法是將巖體實際的強度參數(shù)除以折減系數(shù)，再代入有限元程序中進(jìn)行分析，當(dāng)達(dá)到極限平衡時，此時的折減系數(shù)即為邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)。這種方法物理概念清晰、物理意義明確，經(jīng)工程應(yīng)用驗證，可用于邊坡穩(wěn)定性分析。（3）通過對抗滑樁兩種不同角度打入土體數(shù)值計算結(jié)果對比，發(fā)現(xiàn)數(shù)值打入的抗滑樁效果要明顯好于沿著邊坡面垂直打入的抗滑樁，對于工程實踐有一定的指導(dǎo)價值。5.參考文獻(xiàn)1.張銳.遲世春.林皋基于強度折減法的邊坡失穩(wěn)判斷準(zhǔn)則期刊論文-人民黃河 2008(4)2.莊曉瑩.蔡永昌.朱合華錨固邊坡穩(wěn)定性分析有限元模型及錨固效應(yīng)的探討期刊論文-巖土工

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