抗滑樁與圍巖相互作用力的非線性分布規(guī)律研究

抗滑樁與圍巖相互作用力的非線性分布規(guī)律研究

0抗滑樁的滑坡性隨著我國城市、交通、采礦、環(huán)境保護等行業(yè)的快速發(fā)展，滑坡治理已成為一項越來越重要的工程。而抗滑樁工程則由于抗滑樁具有適應性強,特別適用于滑面較深的大型滑坡、對滑坡穩(wěn)定性和地質環(huán)境干擾小、可多樁同時施工、工期短、抗滑能力強等多方面的突出優(yōu)點,成為滑坡地質災害治理中的一種主要方法?？够瑯蹲?0世紀60年代在我國鐵路部門應用以來,至今仍在滑坡治理中發(fā)揮著重要作用。在抗滑樁設計中一個最基本、也是最重要的問題是抗滑樁在滑坡體推動下,樁身與周圍巖土體(以下簡稱圍巖)之間作用力的分布特征。特別是滑坡推力的分布對抗滑樁的內力分析及結構設計影響極大,將決定抗滑樁的造價,并對設計的安全性與合理性產生重大影響。目前,由于樁與圍巖間作用力的分布特征不清,而僅采用線性分布的假定,導致設計的抗滑樁不是抗力不足,就是趨于保守。本文將針對這一問題,提出采用有限元方法分析抗滑樁與圍巖間作用力的實際分布特征,從而探討出一種研究抗滑樁與圍巖間作用力的合理方法。1側膨脹力1.1圍巖側向膨脹力的分布形態(tài)側向膨脹力(lateralswellingforce)指抗滑樁抑制了圍巖在重力作用下的側向應變而產生的力,記作σl。側向膨脹力的分布形態(tài)主要受到圍巖物理力學參數(shù)、圍巖內部結構及其空間幾何形態(tài)的影響?？够瑯秲蓚?滑坡推力側與剩余抗滑力側)圍巖的規(guī)模及幾何形態(tài)差異很大,因而兩側側向膨脹力大小不同。1.2彈性模量對圍巖彈性模量的影響側向膨脹力與圍巖的容重、泊松比及彈性模量(如圍巖是土體時,則采用變形模量)關系密切。圖1～圖3分別表示抗滑樁上某一深度點側向膨脹力與容重、泊松比及彈性模量的關系曲線。由圖可見,側向膨脹力與容重γ及μ/(1-μ)呈線性關系,而與彈性模量E呈非線性關系。當然,還存在其他的影響因素。但前期研究工作表明,在所有彈塑物理力學參數(shù)中,此三項因素的影響最為顯著。如果考慮的彈塑性力學參數(shù)太多,往往會顧此失彼,給研究工作帶來難以克服的困難,而且不利于成果在實際工作的推廣與應用。因而側向膨脹力的非線性分布形式為式中:γ為圍巖容重,單位:kN/m3;μ為圍巖泊松比;y為抗滑樁上的點到地面的距離,單位:m;A、B是非線性的兩個特征參數(shù)。因為彈性模量對側向膨脹力的非線性分布有著重要的影響,所以A與B都應與彈性模量有著某種相關關系。彈性模量對于側向膨脹力非線性分布的影響就完全體現(xiàn)在對A與B的影響上。研究A、B與圍巖彈性模量E相互關系步驟如下:①選取如圖4所示的具有代表性的滑坡體作為研究的地質模型。模型結構參數(shù)為:整個模型左邊高25m,右邊高52m,長160m,厚1m;抗滑樁為2m×3m方樁,長13m;滑動帶傾角10°,厚0.6m。經滑坡穩(wěn)定性驗算,該滑坡模型用抗滑樁治理后穩(wěn)定,不會發(fā)生抗滑樁躍頂滑坡和底部滑坡。②將該地質模型剖分成有限單元,如圖5所示。該有限元模型共有675個結點,710個單元。左右兩邊為水平向約束,底邊為水平與豎直兩向約束。③選取彈塑物理力學參數(shù),如表1所示。圍巖彈性模量首先取值為1000MPa、2000MPa,此后以2000MPa遞增,直到28000MPa。④計算出圍巖彈性模量取不同值時各單元中心應力,并用繞節(jié)點平均法得到抗滑樁與圍巖接觸面上相應結點側向膨脹力。⑤將側向膨脹力σl與相應結點的埋深y進行回歸。第⑤步所得回歸方程可統(tǒng)一表示成如下形式:ln(σl)=Cln(y)+D。(2)ln(σl)=Cln(y)+D。(2)其中C、D都與圍巖的彈性模量有關。在有限元計算過程中,圍巖容重為18kN/m3,泊松比為0.25,因而式(1)變形為σl=6AyB。(3)σl=6AyB。(3)比較(2)與(3)得A=16eD,(4)B=C。(5)A=16eD,(4)B=C。(5)抗滑樁兩側的坡體形態(tài)及規(guī)模有很大差異,所以兩側側向膨脹力的大小有所差異。圍巖彈性模量取值相同時,抗滑樁兩側的A不相等、B也不相等就是兩側差異的體現(xiàn)。表2列出了不同彈性模量對應的A與B的值。根據表2,得到在抗滑樁兩側A與B隨彈性模量變化的關系曲線及其對應的相關方程,如圖6至圖9所示,圖中R表示相關系數(shù)。在抗滑樁兩側A都與彈性模量呈線性增加關系,在剩余抗滑力側比在滑坡推力側增加速度快;B與彈性模量則呈線性減小關系,在剩余抗滑力側比在滑坡推力側減小的速度快。2等腰大加固2.1均布推力研究滑體作用于抗滑樁上的滑坡推力的分布形式因受坡體形態(tài)、滑體的結構及抗滑樁材料力學性能影響,所以十分復雜。通常假定其為三角形分布形式或矩形分布形式。矩形分布形式在實際工作中應用最為廣泛,因而在研究過程中,滑坡推力的分布采用矩形的分布形式,即滑坡推力均勻的分布于抗滑樁懸臂段,并將此均布力稱為均布推力(uniformlydistributingpush),記為σp。均布推力必然導致抗滑樁錨固段與圍巖間相互作用力的變化。中國鐵道科學研究院西北研究所研究表明,滑坡推力引起的錨固段與圍巖間相互作用力的分布形式為兩對頂三角形,如圖10所示。此分布形式與經典彈性力學所得的解析解相符,然而難以找到兩個對頂三角形頂點的位置所在。很難應用到實際的抗滑工程之中。將抗滑樁錨固段某側所受的壓應力對錨固段頂點產生的彎矩等效地轉化成整個錨固段上均勻分布力對該頂點所產生的彎矩,此均勻分布力就叫做該側的等效錨固力(equivalentlyanchoringforce),記作σd。為了研究計算簡便,假定在錨固段任意一個結點上下1/2單元范圍之內的應力分布是均勻的,并且就等于該結點的應力。根據等效錨固力的定義,可以得圖11所示的錨固段左側的等效錨固力的計算公式為2.2均布推力傳遞系數(shù)錨固比(anchoringratio)是抗滑樁錨固段的長度與抗滑樁全長的比值。錨固比是影響等效錨固力的重要因素。在滑坡推力相同的情況下,錨固比越大(也就是錨固段相對于全樁越長),等效錨固力就越小。研究結果表明:當錨固比不變時,均布推力與錨固段兩側的等效錨固力呈正比關系,于是可得下式:σd=kσp。(7)σd=kσp。(7)其中k稱為均布推力傳遞系數(shù)(transfercoefficientofuniformlydistributingpush),其大小由錨固比決定。研究均布推力傳遞系數(shù)與錨固比的關系時,采取的步驟如下:①建立地質模型。此地質模型與研究側向膨脹力時的地質模型不同之處在于:此地質模型用滑體所產生的均勻分布的滑坡推力代替了滑體,并將此均布推力作為應力邊界條件。②將該地質模型剖分成有限單元。③選取彈塑物理力學參數(shù)。為了消除側向膨脹力的影響,將整個研究體視為純彈塑性體,即容重為零。其它彈塑性物理力學參數(shù)的取值見表3。④當錨固比為1/3及均布推力的取值為0.1MPa、0.2MPa直到0.9MPa時,計算抗滑樁錨固段兩側等效錨固力,從而得到錨固比為1/3時的均布推力傳遞系數(shù)。⑤重復步驟④,分別計算出當錨固比為5/13、3/7、7/15、1/2時,錨固段兩側的均布推力傳遞系數(shù),計算結果見表4。從表4可以看出:在錨固段兩側,均布推力傳遞系數(shù)均隨著錨固比的增大而減小;當錨固比相同時,滑坡推力側的均布推力傳遞系數(shù)比剩余抗滑力側的小。2.3抗滑樁錨固段變形力的計算通過以上關于側向膨脹力與等效錨固力的分析可知,抗滑樁與圍巖間相互作用力的分布形式是非線性的。在抗滑樁與圍巖接觸面的各個部分,均可將抗滑樁與圍巖間作用力的分布形式表示為σ=Aμ1?μγyB+λ。(8)σ=Aμ1-μγyB+λ。(8)其中σ表示抗滑樁與圍巖間相互作用力。在抗滑樁與圍巖接觸面的各個部分,λ所代表的意義有所不同,如圖12所示。圖12中,A、C、E和G區(qū)分別表示抗滑樁不同部分所受圍巖施加的側向膨脹力。λ在B區(qū)表示均布推力;λ在D區(qū)表示在滑坡推力側抗滑樁錨固段所受的等效錨固力;λ在F區(qū)表示在剩余抗滑力側抗滑樁錨固段所受的等效錨固力。側向膨脹力的大小由彈性模量、泊松比、容重及深度共同決定。等效錨固力的大小由錨固比及均布推力共同決定。3抗滑樁錨固段支護作用綜上所述,可以得出如下結論:(1)抗滑樁與圍巖間的相互作用力由側向膨脹力與等