顺层岩质边坡让压型抗滑桩预加固性能研究

丁 伟,王俊杰,邱珍锋

(1.重庆交通大学河海学院,重庆 400074;2.重庆交通大学材料科学与工程学院,重庆 400074)

顺层岩质边坡是指岩层层面倾向与坡面朝向相同或基本相同的边坡[1],在中国尤其是西南地区广泛分布,其内部常常含有软弱结构面或者软弱夹层,当受到外界扰动,岩体就会在重力作用下沿着潜在滑面向下滑移,发生失稳破坏。

目前,众多学者对顺层岩质边坡的加固方式进行了探讨[2-7]。长期以来,抗滑桩作为一种传统的支挡抗滑结构,由于其抗滑能力强、应用范围广、施工简单、能够核实地质条件等特点,在滑坡和边坡治理中得到了广泛应用,并取得了较好的成效[8-10]。但在顺层岩质边坡中,普通抗滑桩桩身刚度较大,边坡土体作用于桩身时允许的侧向变形较小,这使得普通抗滑桩在设计计算时常常忽略了加固坡体变形的情况,同时也不考虑潜在滑体岩层层面之间抗剪强度的有利作用,因此作用在普通抗滑桩桩身的侧向压力要大于允许产生一定量变形时的侧向压力,这将会采取加大抗滑桩结构尺寸的措施来加固坡体,增加工程投资。而顺层岩质边坡预加固结构让压型抗滑桩允许滑面以上的坡体产生一定量的顺坡向位移,发挥岩层层面之间抗剪强度的有利作用,有效地降低作用在桩身的侧向压力。

目前,中国的学者已经开始对让压型抗滑桩展开了研究,例如,刘云飞[11]开展了让压层抗滑桩的模型试验,探究抗滑桩加固的力学特性和让压型抗滑桩的加固效果,试验发现,让压层能够允许滑面以上的岩体发生一定量的顺坡向剪切位移,采用让压型抗滑桩进行支护时,潜在滑体下滑的位移增大,而作用在桩身的侧向压应力较普通抗滑桩的小;杨皓然[12]以典型的缓倾顺层红层软岩边坡为例,采用了数值仿真的方式对让压型抗滑桩与普通抗滑桩的加固性能进行对比研究,结果显示,让压型抗滑桩支护时边坡稳定性系数有了明显提高,桩顶位移相较于普通抗滑桩略大。

基于以上研究发现,前人仅对让压型抗滑桩预加固效果开展了相应的物理模型试验以及数值模拟,并未对让压型抗滑桩的预加固机理进行详细的阐述,同时也未对让压层厚度、让压层弹性模量、锚固段长度等因素对让压型抗滑桩预加固性能的影响进行研究。因此本文采用了物理模型试验和数值模拟相结合的方式对顺层岩质边坡预加固结构让压型抗滑桩预加固性能进行研究,并探讨其影响因素,为今后的让压型抗滑桩提供设计参考。

1 顺层岩质边坡让压型抗滑桩预加固机理分析

图1所示,在实际中,边坡沿着滑动面发生失稳破坏基本上都是应变软化材料强度从峰值强度向残余强度转化的过程,在到达峰值强度之前,边坡处于相对稳定的状态。普通抗滑桩在设计计算时,潜在滑体产生的抗滑力是由抗滑桩桩身承担,岩层下滑的位移在a点时位移附近,剪切力发挥较小,这使得普通抗滑桩设计计算时常常忽略了加固坡体变形的情况,同时也不考虑潜在滑体岩层层面之间的抗剪强度的有利作用,因此作用在普通抗滑桩桩身的侧向压力要大于允许产生一定量变形时的侧向压力;而如果能够允许潜在滑体产生一定量的剪切位移,使得u=uf,那么潜在滑面岩层层面间的抗剪能力将得到充分发挥,此时作用在桩身的侧向压力将小于普通抗滑桩。

图1 应变软化应力变形关系曲线[13]

为了让边坡在抗滑桩施工之前产生一定量的位移,常规的施工过程[11]是:①切坡开挖部分坡体用以诱发预加固坡体产生一定变形;②施工抗滑桩;③开挖剩余的部分。就施工过程而言,由于少部分切坡开挖是在实施抗滑桩之前进行的,因此不能将其视为真正的预加固技术。此外,分为2个阶段对边坡进行开挖,不仅不便于施工组织,还提高了施工成本。

边坡预加固结构让压型抗滑桩由嵌固段、悬臂段、让压层组成,嵌固段位于潜在滑面以下的稳定岩体中,悬臂段位于潜在滑面以上,让压层则位于悬臂段上,与预加固坡体相接触,见图2。

a)轴侧

让压层是布置在桩身以及潜在滑体之间的由低弹性模量材料制成的结构,其形状可采用矩形,其作用是能够允许潜在滑面以上潜在滑体产生微弱的变形,此时不再需要通过切坡开挖部分坡体的方法来诱发预加固坡体产生一定变形,因此对边坡的开挖施工不再分为2个阶段进行,仅需要在让压型抗滑桩施工结束后进行开挖,进而真正实现了边坡预加固,同时让压层还可以起到缓冲作用,减小潜在滑体对桩身产生的冲击力。让压层材料的选择多样,具体可根据实际工程而定,例如可采用EPS(聚苯乙烯泡沫),这种材料具有较高的抗压强度和良好的塑性变形能力,在工程中得到了广泛应用[15-18]。

2 顺层岩质边坡让压型抗滑桩承载性能试验研究

2.1 试验模型

模型试验使用的模型槽尺寸为1 000 mm×200 mm×1 000 mm,见图3a。模型箱骨架采用角钢焊接而成。桩体采用木板制成,其尺寸为25 mm×20 mm×160 mm,布置在预留的桩孔中。基岩则采用砖石砌成,倾斜角度为20°。上部岩层由砂、水泥和石膏按照模具进行预制,并在岩层靠近桩身的一侧预留孔槽放置土压力盒,让压层则采用厚为2 mm的海绵橡胶材料制成,布置在桩身靠近上部岩层一侧,试验的具体布置形式见图3b。本实验设置普通抗滑桩支护顺层岩质边坡和让压型抗滑桩支护顺层岩质边坡2种工况,以此来研究让压型抗滑桩的预加固性能。

a)试验模型箱实物

2.2 试验材料以及设备

岩层以砂子为骨料,石膏为主要胶结材料,水泥为辅助胶结材料,其砂、水泥、石膏、水配比为10∶5∶2∶5,经过拌合而成的岩层相似材料能够较好地模拟岩层的力学特性,并通过微机电液伺服压力试验机,见图4a,测得弹性模量为331.67 MPa,单轴抗压强度为1.99 MPa,重度为17.428 kN/m3。基岩物理力学性质较为稳定,在本试验中没有针对基岩的模型材料进行配比试验,滑床用砖石砌成,表面用水泥砂浆抹平,掺和石膏,构筑成坚固、光滑并且透水性差的表面,并在基岩预留桩孔,桩孔大小与桩截面尺寸一致。软弱夹层参照袁智洪的经验[19],采用黏土、滑石粉和混合砂按0.52∶0.15∶0.37的比例制成,并保持含水率为19%,由于配置而成的软弱夹层相似材料一段时间后会发生凝固,影响试验的进行,因此为了确保试验条件一致,每次试验时均现场进行配比,控制实验室内的室温以及湿度,保持每次试验的室温以及湿度一致,并在相同的时间段内完成每一组试验,利用DZ-4型四联直剪仪,见图4b,进行软弱夹层相似材料的抗剪特性研究试验,经测定其内摩擦角为16.25°,黏聚力为0.85 kPa。

a)微机电液伺服压力试验机

普通抗滑桩选择木板加工制成,见图5a,让压层则采用厚度为2 mm的海绵橡胶制成,其弹性模量为20.6 kPa,让压型抗滑桩则在普通抗滑桩基础上将海绵橡胶黏贴安装在抗滑桩悬臂段,具体见图5b。

a)普通抗滑桩

试验监测设备采用DMTY-50kPa型应变式微型土压力盒,其作用是对桩身的侧向压力进行监测。与应变式微型土压力盒对接的数据采集系统采用的是DH-3821静态应变测试仪,首先将土压力盒与测试仪用全桥的方式连接起来,并通过网络连接与电脑相连,然后对其参数进行修正,最后通过采集系统记录数据。测量岩层下滑位移的装置则采用百分表,其工作原理是将被测尺寸引起的测杆微小直线移动,经过齿轮传动放大,变为指针在刻度盘上的转动,从而读出被测尺寸的大小。

2.3 试验步骤

步骤一安装仪器。在岩层坡脚部位用胶水黏贴一小木块,其倾斜角度与岩层的坡脚一致,并在其下方用支架将位移计固定,支架的下方放置铁块,并与支架上的磁铁紧紧吸住,最后调整位移计的方位,使之与岩层倾角一致;土压力盒则是放置在上部岩层预留的孔中,与数据采集仪相连接,其次将电脑与数据采集仪则通过网络接口方式进行连接,并对DHDAS动态信号采集系统的参数进行设置,最后记录每个阶段土压力随时间的变化,将数据文件并保存至电脑。

步骤二边坡初始状态。待边坡模型搭建好后,将现场制作的软弱夹层相似材料均匀地铺设在基岩上方,厚度为1 cm,然后放置预制的岩层,并静止数分钟,待边坡处于稳定时开始下一步。

步骤三边坡预加固。待上述步骤完成,将桩插入预留的桩孔中,观察岩层的变动情况,并开始记录数据,同时观察采集系统的应力变化情况。

步骤四开挖边坡。一段时间后将下部岩层缓慢地开挖,观察数据变动情况,待数据稳定后,停止采样,最后对数据进行整理分析(图6)。

a)安装仪器

2.4 试验结果分析

由图3b中位移监测点的数据来看,边坡在开挖之前,岩层位移变化幅度很小(图7)。普通桩加固时,边坡开挖后,岩层下滑位移迅速增大,在达到0.146 mm时趋于稳定。而让压型抗滑桩支护时,岩层下滑位移在1.36 mm时趋于稳定,相较于普通抗滑桩明显增大,且下滑的位移达到最大时所需时间也明显增多。这是因为让压型抗滑桩悬臂段桩身设置了一层2 mm厚的由低弹性模量制成的让压层,能够允许岩层下滑一定的顺坡向位移。

图7 位移变化曲线

由图3b中土压力盒监测数据显示,边坡在开挖之前,岩层作用在2种抗滑桩桩身的侧向压应力均较低,在边坡开挖后,侧向压应力值均呈现不同程度增大的趋势(图8)。普通抗滑桩支护时,开挖后,侧向压应力值从0.45 kPa增大至14.47 kPa,并在14.47 kPa附近产生微弱的波动后趋于稳定。当采用让压型抗滑桩时,侧向压应力值增长至12.75 kPa后趋于稳定,侧向压应力值增长的幅度和速率均较普通抗滑桩有所降低。这是由于让压层的存在使得坡体发生一定量的变形,发挥了岩层层面之间的抗剪强度的有利作用,有效地降低了作用在桩身的侧向压力。

图8 应力变化曲线

图9为2种抗滑桩支护时,作用在桩身上的水平荷载随着坡顶位移的增加变化趋势曲线。从图中可以看出:普通支护时,位移的变化很小,桩身水平荷载随位移变化增长速率较大;而让压型抗滑桩支护时,随着坡顶位移的增大,桩身水平荷载增长速率较缓。

图9 荷载位移曲线

3 基于物理模型试验的数值模拟

3.1 有限元计算模型

基于上述试验模型尺寸和各材料物理力学参数,采用MIDAS GTS NX边坡有限元软件建立顺层岩质边坡让压桩支护三维有限元模型,网格划分见图10。

图10 边坡有限元网格

为减小边界条件和模型尺寸对数值模拟结果的干扰,对模型下边界以及侧向进行约束,上部为自由边界,岩体和软弱夹层均采用Mohr-Coulomb模型,并在让压层与岩层、让压层与桩身锚固段、让压层与软弱夹层之间设置无质量、无厚度的Goodman接触单元,单元属性采用的是Mohr-Coulomb摩擦模型,考虑到抗滑桩、让压层在工作状态下不发生大变形而破坏,抗滑桩、让压层均视为弹性材料进行模拟,边坡初始应力场为自重应力场,让压层共64个单元,边坡模型总计32 918个单元,主要模拟工况为普通抗滑桩支挡顺层岩质边坡、让压型抗滑桩支挡顺层岩质边坡。

3.2 结果对比分析

图11为边坡总位移分布云图,由上述数值模拟结果可知,当采用普通抗滑桩支护时,桩身位移与岩层下滑的位移接近,而采用让压桩支护时,让压层最大位移量为1.21 mm,岩层下滑的位移与让压层的位移比较接近,而桩身的位移很小,将边坡岩层下滑位移最大值列入表1,与室内模型试验的结果进行对比,可以看出数值模拟与室内物理模型试验监测得到的岩层下滑总位移最大值基本一致,其误差在允许的范围内。

表1 岩层下滑总位移最大值对比 单位:mm

a)普通抗滑桩

图12为2种桩身水平位移对比曲线,由图可知,2种抗滑桩支护时,桩身位移的变化趋势几乎一致,普通抗滑桩桩身位移略小于让压型抗滑桩。图13为2种桩身压应力对比曲线,可以看出,让压型抗滑桩桩身压应力小于普通抗滑桩,且在桩高为8 cm附近时,差异达到最大。

图12 桩身水平位移对比曲线

图13 桩身压应力对比曲线

4 顺层岩质边坡让压型抗滑桩影响因素研究

4.1 有限元计算模型

为了对让压型抗滑桩的影响因素进行研究,以三峡库区秭归县某顺层岩石边坡为例,选取一断面进行简化,边坡高度为32 m,宽度为45 m,顶部宽度为19 m,岩层厚度为1 m,倾角为24°,软弱夹层厚0.2 m,开挖点高度为16.5 m,开挖宽度为8.5 m,让压桩悬臂段为8 m,锚固段为4 m,桩的截面宽度为1 m,锚固段4 m,悬臂段8 m,让压层设置在悬臂段靠近岩层一侧,厚度为0.02 m,其边坡有限元网格见图14。各项材料物理力学参数见表2。

表2 材料物理力学参数

图14 边坡有限元网格

4.2 让压层厚度对让压桩加固效果的影响

为研究让压层厚度对让压桩加固效果的影响,分别设置让压层厚度与桩身总厚度之比为0、1/50、2/50、3/50、4/50,计算在不同比值条件下的让压桩桩顶水平位移、桩身压应力最大值,见图15。

图15 不同让压层厚度加固效果曲线

从图15可以看出,让压层厚度与桩身总厚度之比在0～1/50时,应力缓慢地减小,并在比值为1/50时取得最优值;当超过最优值后,应力开始增大,并在比值超过3/50之后,其桩身应力将超过普通抗滑桩。这是由于随着让压层厚度的增大,潜在滑体下滑的位移增大,其自身的抗剪强度发挥较大,有效地降低了作用在桩身的侧向压应力,使得桩身应力逐渐减小;而潜在滑体下滑的位移过大时,超过了岩层层面达到最大抗剪强度时所对应的位移值,岩层层面间的抗剪强度就会失效,同时由于岩层下滑位移增大后对桩身产生的冲击力也会增大,桩身所承受的力增大,造成桩身的应力增大。而从位移曲线变化趋势上可以看出,桩顶水平位移均呈增长状态,这是因为随着让压层厚度增加,悬臂段的厚度在减小,桩身刚度减小,导致桩身位移增加。

4.3 锚固段长度对让压桩加固效果的影响

为研究锚固段长度对让压桩加固效果的影响,分别设置锚固段长度与悬臂段长度比值为3.5/8、4.0/8、4.5/8、5.0/8、5.5/8,计算在不同锚固段长度条件下的让压桩桩顶水平位移、桩身最小主应力绝对值最大值,见图16。

图16 不同锚固段长度加固效果曲线

从图16可以看出:当锚固段长度与悬臂段长度比值范围在3.5/8～4.5/8时,应力与位移降低的幅度最为显著;当比值超过4.5/8以后,桩身应力以及位移降低幅度明显减缓。原因是锚固段所提供的锚固力与锚固段长度并不是成正相关,在达到最优锚固段之前,锚固段越长,其提供的锚固力也就越大,当超过最优锚固段时,所提供的锚固力不再随着锚固段的增大而变化。

4.4 让压层材料弹性模量对让压桩加固效果的影响

为研究让压层弹性模量对让压桩加固效果的影响,分别设置让压层弹性模量与桩身弹性模量比值为0.3×10-4、0.6×10-4、0.9×10-4、1.2×10-4、1.5×10-4、1.8×10-4、2.1×10-4、2.4×10-4、2.7×10-4,计算在不同弹性模量条件下的让压桩桩顶水平位移、桩身压应力最大值,见图17。

图17 不同让压层弹性模量加固效果曲线

从图17可以看出,让压层弹性模量与桩身弹性模量比值范围在0.3×10-4～1.2×10-4时,随着比值增大,桩身应力以及位移均明显减小,且比值为1.2×10-4时,应力和位移减小至最低值;但随着比值继续增大,应力和位移均将缓慢增长。这是由于让压层是布置在桩身以及潜在滑体之间且起到缓冲作用的结构,当弹性模量较小时,则起到的缓冲作用较小,潜在滑体对桩身产生的冲击力削弱程度较小;而当弹性模量较大时,让压层受力时压缩变形的位移较小,使得潜在滑体岩层层面之间的抗剪强度发挥较小;当让压层材料弹性模量与桩身材料弹性模量一致时,此时的加固效果与普通抗滑桩无异。

5 结论

a)对让压型抗滑桩预加固机理进行了分析,让压型抗滑桩是通过让压层的设置诱发预加固坡体产生一定变形,发挥岩层层面之间抗剪强度的有利作用,有利于边坡的稳定性,且边坡仅需要在让压型抗滑桩施工结束后进行开挖。

b)为了验证让压型抗滑桩的优势,采用了室内物理模型试验加数值仿真的方式对让压型抗滑桩和普通抗滑桩预加固效果进行对比,从结果可知,采用让压桩支护后,潜在滑体下滑的位移量明显增加而作用在桩身的侧向压力较普通桩的小,说明让压层的设置可以有效地降低桩身荷载,从而体现了既能减小抗滑桩的结构尺寸,又能保证边坡稳定的理念。

c)探讨了让压层厚度、锚固段长度、让压层弹性模量因素对让压型抗滑预加固效果的影响,从结果可知,随让压层厚度的增加,桩身应力呈现先降低后增大的趋势,而桩身位移呈现逐渐增大的趋势;随着锚固段长度的增加,桩身应力和位移均呈现逐渐降低的趋势;随让压层弹性模量的增大,桩身应力和位移均呈现先降低后增大的趋势。

d)该新型抗滑桩的加固效果尚需通过大比尺模型试验、工程试验等进一步验证。