抗滑桩加固昔格达土填方边坡的稳定性研究
2019-07-19姜淑伟薛新华
姜淑伟， 薛新华, 黄 浩
(四川大学水利水电学院， 四川成都 610065)
昔格达地层是一套广泛分布在攀西地区的半成岩地层，其主要成分为砂泥岩和页岩，具有岩性软、强度低、水稳性差等特点[1]。由于含有伊利石为主的黏土颗粒而具有强烈的亲水性、吸水膨胀、脱水干裂的特征，提供给了地表水渗入的条件，并由于易滑结构面的存在，为滑坡面提供了内在条件。
吴焕恒[2]针对攀西地区某工程场地的临时边坡以及未来使用的永久边坡，进行了昔格达地层流变特性的研究。姚裕春[3]采用离心模型试验研究了昔格达边坡开挖过程迁移式破坏。邵江[4]在针对西攀高速公路某边坡的滑坡原因进行分析，提出对昔格达层路堤边坡开挖进行信息化设计和施工的必要性。
综上，在昔格达层边坡稳定的研究中，主要以分析既有滑坡原因为主尚缺少针对抗滑桩对边坡稳定性加固的研究。
在抗滑桩加固边坡的设计当中，影响边坡稳定性的重要因素是桩的位置以及桩间距[5-6]。因此，抗滑桩的桩位选择以及桩间距确定在加固边坡设计中就显得尤为重要。本文以成昆新线攀枝花南站路基试验段工程某一典型断面为例，考虑了桩-土间的接触以及面-面接触模拟桩-土间作用效应，采用修正的Mohr-Coulomb模型求解桩-土的非线性应力-应变特性，并以有限元计算不收敛结合特征点位移发生突变作为抗滑桩加固边坡稳定性分析的失稳判据，分析抗滑桩加固边坡的稳定性，根据不同桩位及桩间距得出相应的安全系数，建立抗滑桩加固边坡稳定性的评价方法，可以为类似工程提供参考和借鉴。
1 ABAQUS有限元简介
ABAQUS是由美国达索SIMULIA公司开发出来的有限元分析软件，该软件是目前国际上最先进的大型通用有限元软件之一，其拥有很强的非线性分析功能。ABAQUS软件在欧洲、北美和亚洲许多国家得到了广泛运用，其用户辐射到机械、化工、冶金、水利、材料、土木、航空航天、汽车、船舶等许多科研领域以及工程领域。
昔格达层因其复杂的物理力学性质，传统沉降计算中选用的线弹性模型对其并不适用，在实际计算中会产生较大的误差。Mohr-Coulomb模型在应力空间中存在弹性区、塑性区及其分界面, 塑性流动势为光滑曲面, 且是非关联的，可较好的反映实际土体的非线性特征，在岩土工程实践中得到了广泛的应用[7]。同时，M-C模型中需要参数较少，可结合现场勘察及室内试验确定参数值。为便于获取材料参数及计算的精确性，本次选取M-C本构模型进行计算。
2 有限元模型建立及参数选取
2.1 参数的求取
典型断面DK592+120处地基各土层均成缓倾状，自上而下分别为：
表1 有限元计算参数
2.2 几何模型的建立
本文研究的路堤工程位于沟谷复杂地形上，通过对多个路堤横断面图进行分析，选择其中一典型断面DK592+120进行计算，在保证计算精度的情况下对断面进行适当简化，路堤顶到右侧边界取2倍坡高，路堤坡脚到左侧边界取1倍坡高，地基影响深度取2倍坡高。简化后的断面如图1所示，抗滑桩加固间距取为6m，利用对称性，取图中的阴影部分进行分析。
图1 路堤模型截面
通过图1所示的截面图以及拉伸距离建立三维模型如图2所示，限制模型底部边界的所有位移，左右边界以及前后边界的水平位移，其他边界面不做限制。
(a)未经抗滑桩加固
(b)抗滑桩加固图2 路堤三维模型示意
3 结果讨论
3.1 抗滑桩对模型的加固分析计算
在计算模拟过程中，提取路堤的水平位移、沉降量以及安全系数，分析路堤水平位移和路堤变形图以及沉降量图，得出与路堤的边坡稳定性相关结论。最后将未采用抗滑桩加固的路堤模型与抗滑桩加固的路堤模型进行对比，从路堤水平位移、沉降量以及安全系数对比结果判断抗滑桩的加固效果。
3.1.1 抗滑桩对模型位移的影响
图3、图4分别为模型采用抗滑桩前后水平位移，沉降量的变形云图。
(a)未采用抗滑桩加固水平位移
(b)采用抗滑桩加固水平位移图3 路堤水平位移变形云图
(a)未采用抗滑桩加固的沉降量
(b)采用抗滑桩加固的沉降量图4 路堤竖向位移变形云图
由图3及图4可知，在没有加固前，未采用抗滑桩加固的路堤的最大水平位移和最大沉降量分别是4.529m和4.493m；通过抗滑桩加固以后，路堤的最大水平位移和最大沉降量分别是0.155m和0.379m。由此得出，在不加固的情况下，未采用抗滑桩加固的路堤会在自重压力下失稳破坏，在加抗滑桩以后，抗滑桩起到了明显的加固作用，不会发生失稳现象。
3.1.2 模型安全系数的计算
目前判断土坡达到临界破坏的评价标准主要有三种，一是以数值计算收敛与否作为评价标准；二是以特征部位的位移拐点作为评价标准；三是以是否形成连续的贯通区作为评价标准。
本文基于有限元强度折减法，通过ABAQUS软件提取采用抗滑桩加固模型前后的折减系数FV1与水平位移U1的数据，绘制FV1与U1曲线(图5)。
(a)抗滑桩加固前
(b)抗滑桩加固后图5 FV1与U1关系
由图5可知，若以数值计算不收敛作为土坡稳定的标准，抗滑桩加固前后对应的安全系数为1.179和1.256。同时注意到顶部节点水平位移有一个明显的拐点，若以位移拐点作为评价标准，则安全系数为1.175和1.245。
模型塑性应变出现贯通时的云图如图6所示。由图6可以清楚的判断滑动面的位置，呈大致的圆弧状，并且通过坡脚点，此时对应的安全系数为1.174和1.237，与前两种判断标准得到的安全系数差不多。
(a)抗滑桩加固前
(b)抗滑桩加固后图6 路堤塑性应变云图
3.2 抗滑桩桩位与桩间距对安全系数的影响
在其他参数不变的情况下，通过改变桩的横向位置和抗滑桩桩间距，对比分析路堤模型的边坡安全系数，对桩位进行优化设计，从而为实际工程中高填方昔格达层路堤加固设计提供一定的理论依据(图7、图8、表4、表5)。
图7 路堤不同桩位截面(单位:m)
由表4、表5和图8可以看出，当桩间距一定时，从桩位1到桩位5，安全系数呈现出先增大后减小的趋势，并在桩位2出现最大值，以计算不收敛及位移拐点作为判别标准得出的安全系数分别为1.271和1.260。由此得出桩横向位移宜设置在路堤边坡的中部偏下。
图8 不同桩位安全系数
桩位12345安全系数1.179971.270611.256651.239111.2308
表5 位移出现拐点时不同桩位安全系数
在上述五种桩位的条件下，改变桩间距，使桩间距分别为6m、7m、8m、9m、10m。利用ABAQUS对上述25种工况进行模拟，得出的安全系数如表6、表7所示。
表6 计算不收敛时各工况安全系数
表7 位移出现拐点时各工况安全系数
通过表6、表7可以看出，对任意桩位，随着桩间距的加大，安全系数减小，其中，桩间距为6m时，安全系数最大，抗滑桩加固作用最明显；通过两种判别方法得出的安全系数存在差异，这是因为塑性区贯通之后位移自然快速增加，而计算并不一定不收敛，因此在实际工程中，建议在以有限元计算不收敛的基础上参考特征点位移突变作为补充的失稳判据。
4 结论
以攀枝花南站昔格达层某断面为研究对象，基于对路堤 边坡模型进行不同桩位以及桩间距的抗滑桩加固模拟分析，求解出各种工况下路堤边坡的水平位移、沉降量以及安全系数，通过对这些计算数据的分析表明：
(1)采用抗滑桩加固后，路堤边坡的水平位移与沉降量得到明显降低，而安全系数得到增大，整个边坡的稳定性得到加强。
(2)在抗滑桩间距一定的情况下，安全系数随桩位的变化而变化，其中，当桩位处于边坡中下部时，安全系数最大，抗滑桩加固效果最好。
(3)桩位一定的情况下，安全系数随桩间距的增大而减小。
(4)通过几种判断边坡达到临界破坏的评价标准得出的安全系数存在差异，建议在实际工程中，综合考虑多种判别标准。
