重慶機場專用快速路某匝道抗滑樁工程效果的有限元后評價

1、    重慶機場專用快速路某匝道抗滑樁工程效果的有限元后評價    摘要：文章對重慶機場專用快速路某匝道k0+020段路塹邊坡抗滑樁采用midas gts有限元軟件進行分析，將滑坡與抗滑結構相互作用作為整體，研究了邊坡水平位移、塑性區(qū)、樁體水平位移、彎矩與剪力，并比較了不同位置抗滑樁的加固效果與樁身內(nèi)力。結果表明，現(xiàn)有抗滑樁具有良好的穩(wěn)定邊坡作用。關鍵詞：抗滑樁；有限元分析；工程效果后評價；滑坡特征；道路工程 ：a：u412 ：1009-2374（2017）06-0001-03 doi：10.13535/ki.11-4406/n.2017.06.0011

2、 概述抗滑樁治理滑坡在國內(nèi)最早應用于1954年寶成線史家壩4號隧道，其出口左側由于灰?guī)r邊坡導致的順層坍塌，采用鋼筋混凝土榫治理，但是此時僅考慮了抗剪作用。1965年，川黔線采用了沉井及打入式管樁，錨固深度按材料力學方法確定。之后抗滑樁在鐵路、公路、廠礦等土木工程滑坡治理中得到了廣泛應用，鐵二院等單位深入研究了抗滑樁的設計及計算理論，其成果已被選入鐵路路基支擋結構物設計規(guī)則（tbj 25-90）。現(xiàn)有的抗滑樁設計方法主要有壓力法、位移法與有限元法。壓力法以彈性地基梁為力學模型，計算抗滑樁的內(nèi)力及位移。位移法假設土體的側向位移完全施加于樁上，采用地基反力法分析樁-土相互作用，計算抗滑樁的內(nèi)力及位移

3、。相較于上述兩種方法，有限元法能夠靠考慮到樁-土的協(xié)調(diào)作用，并可以模擬復雜滑坡，因此有限元法更符合實際工程情況。本文針對重慶機場專用快速路某匝道k0+000k0+048段右側第二級邊坡設立的抗滑樁，結合現(xiàn)場調(diào)研，考慮樁-土相互作用，對邊坡整體穩(wěn)定分析、抗滑樁樁體位移、樁身彎矩、剪力進行分析，對其治理效果做出評價。2 滑坡特征及治理工程概況2.1 滑坡地區(qū)地貌及地質條件該匝道位于一回填區(qū)域，總體坡角為3°5°，上覆土層主要為雜填土，局部段分布有素填土、卵石土，厚度為0.76.2m，下伏基巖主要為砂質泥巖。對土質邊坡部分，由于本段匝道右側具備放坡條件，對其按照11.75的坡率進

4、行放坡處理；對于巖質邊坡部分，其走向264°300°，傾向174°210°，邊坡基巖以砂質泥巖為主，裂隙與邊坡的組合關系見圖1。本邊坡為切向坡，j2裂隙為外傾結構面，若直立切坡，則j2裂隙同邊坡傾向一致且臨空（傾角84°），本邊坡可能發(fā)生裂隙切割體沿外傾的j2裂隙滑塌。邊坡巖體類型為類，巖體等效內(nèi)摩擦角55°，破裂角60.5°。2.2 工程治理措施k0+000k0+048段右側第二級邊坡，長48m，距離道路中心線24.5934.87m設置9根錨固樁，樁長9.010.0m，截面尺寸為1.25m×1.50m（樁長邊方向

5、垂直線路），樁間距6m，樁身采用c35砼澆筑。3 計算模型建立選取k0+020段的橫斷面的抗滑樁為計算對象。設計樁長為10m。采用平面應變按11的實體比例建立平面幾何圖形；坡角、滑面位置、抗滑樁依據(jù)滑坡工程地質勘察和設計資料得到，主要針對最危險的中層滑動面來評價加固效果。一級邊坡坡度為11，二、三級邊坡均為11.75。3.1 模型假設本文在研究過程中采用如下假定：（1）平面應變假定。假定巖土體為水平方向無限伸展，各層之間相互獨立；（2）巖土土體均質，為各向同性體，土體直接覆蓋于基巖之上；（3）巖土體為非線性材料，滿足mohr-coulomb準則；（4）抗滑樁為均質線彈性材料；（5）下滑力由抗滑

6、樁及樁前土體抗力承擔。3.2 材料參數(shù)與模型建立材料參數(shù)詳見表1，邊坡截面見圖2。對圖2橫斷面建模，采用實體單元模擬巖土體，梁單元模擬抗滑樁。midas gts建立模型如圖3所示：4 計算結果分析4.1 邊坡穩(wěn)定性分析采用強度折減法對未支護邊坡進行分析，在僅考慮重力的條件下，采用強度折減法通過midas gts分析，其安全系數(shù)僅有1.236，邊坡塑性區(qū)與x方向位移如圖4和圖5所示：從等效塑性應變圖中可以看到明顯的圓弧形滑動面，并且該滑動面已經(jīng)與坡頂貫通。同時從塑性應變圖看到滑動面基本與巖土分界線重合，這與實際情況是相符的。在x方向位移云圖中，x方向位移最大集中于二級邊坡處，坐標范圍為382.7

7、69（x）426.038（x）。4.2 抗滑樁邊坡穩(wěn)定性分析根據(jù)k0+020橫斷面設計圖紙，在距離道路中線27.23m處設立單排抗滑樁，即抗滑樁位于一級邊坡中部位置，樁長10m，樁身截面為矩形（1.5m×2.5m）。采用強度折減法，利用midas gts計算，設立抗滑樁后該邊坡安全系數(shù)提升為1.403。邊坡塑性區(qū)與x方向位移如圖6和圖7所示：從圖6看到設立抗滑樁后，整體滑動面相對于抗滑樁向后移動，滑動面滑出點上移至二級邊坡坡頂處附近，滑出點位置無明顯變化。圖7中塑性區(qū)從抗滑樁位置斷開，并且土體塑性區(qū)范圍相對于未布置抗滑樁時（圖4）縮小了。因此，設立了抗滑樁后該段邊坡穩(wěn)定性得到了顯著加

8、強，符合多級路塹邊坡安全系數(shù)大于1.3的設計要求。4.3 抗滑樁樁體內(nèi)力變形分析樁體位移如圖8所示，可以看到樁頂位移最大為5.381mm。當x>4m時，樁體水平位移變化速率明顯變快；而x<4m時，樁體水平位移變化速率減慢。這是由于x=4m時恰好是巖層與土層分界線，樁體位于基巖下時，由于基巖的嵌固作用，導致樁體位移水平位移增速減緩。圖9為樁身彎矩分布圖，圖中彎矩受拉側為正。彎矩最大處位于滑動面以下2m處左右為547.841kn·m，樁體兩端彎矩均為0。 圖10為樁身剪力分布圖，剪力最大處位于滑動面以下2m左右為-212.83kn，樁體頂端剪力為零，末端剪力為40kn。根據(jù)樁

9、身的受力與變形情況，通過結構計算軟件校核樁身配筋，其配筋量是滿足規(guī)范的。4.4 抗滑樁位置調(diào)整陳樂求等認為抗滑樁設置的位置不同對邊坡穩(wěn)定有很大影響，隨著抗滑樁距坡腳距離的增加，邊坡安全系數(shù)呈現(xiàn)先增大后減小的趨勢。根據(jù)董必昌等的研究，在邊坡塑性應變最大處設置抗滑樁能夠有效改變邊坡塑性區(qū)分布，提高邊坡安全系數(shù)。在此基礎上，將原重慶機場專用快速路某匝道設置的抗滑樁位置進行調(diào)整，移至未設置抗滑樁邊坡塑性應變最大處。邊坡整體安全系數(shù)增大為1.541。邊坡水平位移與等效塑性應變云圖見圖11、圖12。圖11中可以看到樁后塑性區(qū)范圍比抗滑樁位置調(diào)整前的塑性區(qū)明顯減小，并且塑性區(qū)已有了斷開趨勢，但是樁前土已經(jīng)開

10、始出現(xiàn)塑性變形。圖12中樁后土產(chǎn)生水平位移的土體相較于圖7中的范圍有了減小?？够瑯段恢谜{(diào)整前后的邊坡水平位移與等效塑性應變值對比見表2：從表2中可以看到，抗滑樁位置移至等效塑性應變最大處后，邊坡安全系數(shù)變大，同時邊坡水平位移最大值也減小了，但是塑性應變最大值略有增加?？傮w來說，調(diào)整位置后的抗滑樁對增強了邊坡整體穩(wěn)定，這與董必昌等的研究是一致的。調(diào)整位置后的抗滑樁樁體內(nèi)力及變形見圖13、圖14、圖15。對比未調(diào)整前的抗滑樁，樁體最大水平位移、最大彎矩與最大剪力均有上升，且最大彎矩與最大剪力位置均發(fā)生了變化，這是由于巖土分界面的位置相對于樁體向下移動了。從上表可以看出，調(diào)整樁體后水平位移、彎矩與剪

11、力是抗滑樁未調(diào)整前的兩倍，需要相應增加樁體本身的強度來平衡增大的外荷載。雖然邊坡的安全系數(shù)從1.403增加到了1.541，但是對樁體自身強度要求提高了，相對于增加的0.1的安全系數(shù)，隨之帶來的可能是施工難度的提高與造價的提升，因此原設計的抗滑樁位置從安全、施工及經(jīng)濟考慮是合理的。因此對于抗滑樁位置的選擇，不能單一地以邊坡安全系數(shù)為指標，應該綜合多方面因素考慮，在保證安全的同時兼顧施工可行性與經(jīng)濟性，選擇最優(yōu)方案。5 結語（1）本文通過有限元分析了重慶機場專用快速路某匝道k0+020段路塹邊坡的穩(wěn)定性，同時對抗滑樁的加固效果進行評價，現(xiàn)有抗滑樁是具有良好加固與抗滑效果的；（2）將抗滑樁位置移動到塑性應變最大處后，雖然提高了邊坡安全系數(shù)，但是樁體本身將承受更大外力，給施工增加了一定難度并且經(jīng)濟性也不高?？紤]到現(xiàn)有抗滑樁的安全系數(shù)已經(jīng)滿足要求，因此抗滑樁并無上移必要。參考文獻1 李海光.新型支擋結構設計與工程實例m.北京：人民交通出版社，2004.2 丁浪.邊坡穩(wěn)定分析和抗滑樁優(yōu)化設計d.合肥工業(yè)大學，2010.3 年廷凱，欒茂田，楊慶，等.基于強度