地震荷載作用下樁-錨支護(hù)土坡動力響應(yīng)研究

地震荷載作用下樁-錨支護(hù)土坡動力響應(yīng)研究

樁錨聯(lián)合保護(hù)是一種常見的保護(hù)邊坡和脊柱等垂直斜坡加固方法。它不僅具有抗滑性強(qiáng)、抗滑性好的優(yōu)點，而且具有較大的預(yù)緊率和主動保護(hù)的優(yōu)點。它有效地提高了邊坡的整體穩(wěn)定性，并能夠很好地控制邊緣的變形。目前對邊坡加固方法研究已較多,如祁斌1從樁前滑坡推力和樁后土體抗力的分布形式以及單樁設(shè)計計算方法、樁-土作用計算模型、抗滑樁設(shè)計及工程材料用量等方面對單、雙排抗滑樁進(jìn)行對比分析;吳永2以極限分析的上限定理為工具,結(jié)合地震波形特征,從能量角度分析了地震波作用下抗滑樁的失效機(jī)理;陳新澤3通過數(shù)值方法對錨拉樁加固邊坡的作用機(jī)理和加固效果進(jìn)行了研究;李邵軍4利用離心模型試驗手段,模擬庫區(qū)蓄水和水位循環(huán)變化條件下失穩(wěn)邊坡的抗滑樁加固機(jī)制,獲得庫區(qū)水位變化影響下的邊坡變形、破壞模式和抗滑樁受力;董建華、朱彥鵬5應(yīng)用動力彈塑性有限元方法研究了土釘支護(hù)邊坡動力響應(yīng)。但是,對樁-錨聯(lián)合支護(hù)的邊坡的動力研究還不夠充分,樁-錨加固邊坡或者樁-錨支護(hù)深基坑在地震荷載作用下的工作性狀以及在地震效應(yīng)作用下失效機(jī)制等都是值得關(guān)注的問題。本文擬以數(shù)值分析手段對樁-錨體系加固的直立邊坡動力特性進(jìn)行研究。FLAC3D有限差分軟件已成功地應(yīng)用于巖土開挖、礦山開采、邊坡穩(wěn)定性及地震動力響應(yīng)分析等領(lǐng)域6,因此,本文利用FLAC3D強(qiáng)大的非線性動力計算功能,在建立樁-錨加固下切方直立邊坡概化模型的基礎(chǔ)上,對邊坡在地震作用下的動力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。1數(shù)值計算模型的建立建立如圖1所示的概化土坡模型,直立土坡高度為12m。抗滑樁長度為20m,嵌固深度為8m,樁徑為1.0m,樁間距為3.0m,樁混凝土設(shè)計強(qiáng)度等級為C25。采取一樁一錨形式,預(yù)應(yīng)力錨桿長度為16m,自由段長度為5m,孔徑為15mm,共設(shè)置4排錨桿,豎向間距分別為2.0,3.0,3.0,3.0,1.0m。在建立數(shù)值計算模型時,取坡向外40m,坡向內(nèi)40m,邊坡走向方向取20m,深度方向取坡底向下40m。邊界條件:靜力計算時,對四周邊界水平位移進(jìn)行約束,底部邊界豎向位移進(jìn)行約束;動力計算時,四周設(shè)為自由場邊界,底部設(shè)為黏滯性邊界。土體采用Mohr-Coulomb理想彈塑性本構(gòu)模型,遵守相關(guān)聯(lián)的流動法則,采用實體單元模擬。土坡土體分成2層,直坡底以上為1層土,直坡底以下為另一層土。坡底以上土重力密度為19kN/m3,變形模量為45MPa,泊松比為0.3,黏聚力為20kPa,內(nèi)摩擦角為15°;坡底以下土層重力密度為19.5kN/m3,變形模量為60MPa,泊松比0.35,黏聚力為40kPa,內(nèi)摩擦角20°。樁和錨桿采用FLAC3D中的樁單元和錨索單元,均采用彈性模型,所有錨索均施加50kN的預(yù)拉力。2加速度振幅的影響對該概化邊坡模型,施加地震波進(jìn)行非線性動力分析。施加的地震波采用著名的Cobe波,為節(jié)省計算機(jī)時,截取原地震波記錄中10s,其中包含加速度峰值出現(xiàn)時刻,原始加速度峰值為0.834g,見圖2。本次分析中根據(jù)需要調(diào)整加速度振幅。地震波施加于概化邊坡模型的底面,振動方向平行于坡的傾向。2.1坡面點振動波和坡頂位移時程圖3為加速度峰值0.25g時坡內(nèi)不同點的振動速度時程曲線。從圖3中各曲線可以看出如下規(guī)律:1)從坡底到坡頂,瞬時振動速度越來越大。坡底振動速度峰值為為0.118m/s,坡中振動速度峰值為0.1277m/s,坡頂速度峰值為0.1629m/s,而輸入速度峰值為0.2703m/s,坡中速度峰值是坡底的1.082倍,坡頂速度峰值是坡底的1.3805倍,即以坡底速度峰值為基數(shù),往上增加5.0m,速度峰值增加8.2%,往上增加10m,速度峰值增加38.05%,說明坡高對振動波起到了放大作用,坡越高該放大效應(yīng)越顯著。但坡內(nèi)各點速度峰值均未超過底邊界輸入速度峰值,說明地震波在很厚土體內(nèi)傳播時由于土體巨大的阻尼作用,振動能量被大大消耗。2)坡內(nèi)不同高度處振動速度波存在相位差,高程越高的點振動峰值到達(dá)時間越晚。底邊界速度峰值出現(xiàn)的時刻為第2.34s,離坡頂10m處速度峰值到達(dá)的時刻為2.744s,比底邊界遲了0.404s;離坡頂5m的點速度峰值到達(dá)時刻為2.848s,比底邊界遲了0.508s,而坡頂處速度峰值到達(dá)的時刻為2.95s,比底邊界遲了0.61s。從底部邊界到坡頂總距離為52m,而波傳播所花的時間為0.61s,則波速等于85.25m/s,此值與按公式v=槡G/ρ(G為傳播介質(zhì)的剪切模量,ρ為傳播介質(zhì)的密度)計算所得的結(jié)果相近,一定程度上驗證了本次數(shù)值模擬的正確性。圖4為坡面上點X方向位移時程曲線,其中曲線1為坡頂處水平位移時程變化曲線,曲線2為坡頂下5m處(坡中)水平位移時程變化曲線,曲線3表示坡頂下10m處(坡底)水平位移時程曲線。三點位移振動波形很相似,但同振動速度波一樣也存在一定的相位差,位移峰值也稍有差別,坡頂位移峰值最大,為39.2mm;坡中位移峰值次之,為35.8mm;坡底位移峰值最小,為32.2mm。三處最終永久位移也不同,坡頂永久位移為28.2mm,坡中永久位移為25.4mm,坡底永久位移為22.3mm。從坡頂、坡中和坡底三點的永久水平位移看來,邊坡變形不大,說明在該樁錨支護(hù)下邊坡整體是穩(wěn)定的,位移也得到較好的控制,表明樁-錨支護(hù)體系具有較好的抗震能力。2.2未受地震作用時樁身彎矩分布圖5、圖6分別為樁截面剪力和彎矩時程變化曲線。從圖中看出,地震效應(yīng)作用下,樁身橫截面動剪力和動彎矩在靜力值的基礎(chǔ)上呈振蕩變化。以樁頂下9.5m處的剪力和樁頂下6.5m處彎矩為例,靜力狀態(tài)時即未受地震作用時,樁頂下9.5m處樁身橫截面剪力為255.7kN,在地震效應(yīng)作用下,該處截面動剪力峰值達(dá)到342.3kN,比靜力時大33.87%;靜力狀態(tài)時樁頂下6.5m處截面彎矩值為-571.0kN·m,而在地震效應(yīng)作用下該截面動彎矩峰值達(dá)到-750.3kN·m,比靜力時大31.4%。其他各橫截面也如此,動剪力和動彎矩峰值均超過靜力時的數(shù)值,因此靜力時安全的抗滑樁在地震時未必一定能保證安全,以本例來說,抗滑樁設(shè)計時要在常規(guī)設(shè)計基礎(chǔ)上增加33.87%的安全儲備,才能保證結(jié)構(gòu)安全。2.3土壓力時程變化曲線在地震過程中,樁后的土壓力也隨時間振蕩變化。圖7中曲線1～5分別為樁后4,8,12,16,20m深度處土壓力時程變化的曲線,從圖7可以看出,淺部(8m以上)土壓力振蕩幅度很小,不到1kPa,土體深部土壓力振蕩幅度較大,12m深度處動土壓力峰值比靜土壓力大42kPa,16m深度處動土壓力峰值比靜土壓力大28kPa,20m深處動土壓力峰值比靜土壓力大20kPa。2.4抗滑樁樁錨支護(hù)下抗滑樁樁錨變形控制機(jī)理為了得到地震過程中坡頂表面的正應(yīng)力變化情況,數(shù)值模擬時在樁頂后2,8,14m設(shè)置了3個觀測點,用來記錄坡頂表面X方向正應(yīng)力時程變化,圖8為該3監(jiān)測點的X向正應(yīng)力時程曲線?？梢钥闯?樁后一定范圍內(nèi)坡頂表面均出現(xiàn)拉應(yīng)力,樁后2m處靜拉應(yīng)力為17.77kPa,最大動拉應(yīng)力20.85kPa;樁后8m處靜拉應(yīng)力11.26kPa,最大動拉應(yīng)力16.38kPa;樁后14m處靜拉應(yīng)力23.23kPa,最大動拉應(yīng)力達(dá)23.85kPa。事實上,邊坡在開挖后,土體應(yīng)力平衡被打破,土體有向臨空面運動的趨勢,離臨空面較近的土體運動位移較大,而較遠(yuǎn)處土體運動位移較小,這樣坡頂?shù)乇砻姹厝划a(chǎn)生一定量的拉應(yīng)力,也就是說坡頂面拉應(yīng)力在地震前就已經(jīng)存在,在受地震作用時,會形成瞬時大于靜拉應(yīng)力的動拉應(yīng)力,動拉應(yīng)力達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度時土體就會被拉裂形成拉裂縫,動拉應(yīng)力是坡頂表面出現(xiàn)裂縫的主要原因。從本例分析看來,樁錨加固體系對坡頂動拉應(yīng)力也起到了較好的控制作用,樁后2m處地表動拉應(yīng)力峰值只比靜拉應(yīng)力大3.08kPa,樁后8m處地表動拉應(yīng)力峰值只比靜拉應(yīng)力大5.12kPa,樁后14m動拉應(yīng)力峰值僅僅比靜拉應(yīng)力大0.62kPa,可見,樁錨加固體系對地表裂縫的控制效果也非常顯著。其作用機(jī)理可以這樣解釋:第一,抗滑樁樁體剛度遠(yuǎn)大于土體的剛體,對土體向臨空面變形起到強(qiáng)大的約束作用;第二,錨桿將離臨空面較近的土體與較遠(yuǎn)的土體牢牢拉結(jié)在一起,有效地減小了坡內(nèi)土體橫向應(yīng)變和位移梯度,從而減小X方向拉應(yīng)力。3樁錨體系的作用1)切方直立土坡對速度波有明顯的放大效應(yīng),坡頂振動速度大于坡中振動速度,坡中振動速度大于坡底振動速度。2)坡內(nèi)不同高度之間振動波存在相位差,高程越高的點振動速度峰值到達(dá)時間越晚。3)樁錨體系對地震作用下直立邊坡的變形和永久位移有很好的控制作用。4)樁錨體系具有良好的抗震性能