地震荷載作用下樁-錨支護(hù)土坡動(dòng)力響應(yīng)研究

地震荷載作用下樁-錨支護(hù)土坡動(dòng)力響應(yīng)研究

樁錨聯(lián)合保護(hù)是一種常見(jiàn)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(diǎn)，而且具有較大的預(yù)緊率和主動(dòng)保護(hù)的優(yōu)點(diǎn)。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(duì)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(jì)計(jì)算方法、樁-土作用計(jì)算模型、抗滑樁設(shè)計(jì)及工程材料用量等方面對(duì)單、雙排抗滑樁進(jìn)行對(duì)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(guò)數(shù)值方法對(duì)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(yàn)手段,模擬庫(kù)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(kù)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(dòng)力彈塑性有限元方法研究了土釘支護(hù)邊坡動(dòng)力響應(yīng)。但是,對(duì)樁-錨聯(lián)合支護(hù)的邊坡的動(dòng)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(wèn)題。本文擬以數(shù)值分析手段對(duì)樁-錨體系加固的直立邊坡動(dòng)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(kāi)挖、礦山開(kāi)采、邊坡穩(wěn)定性及地震動(dòng)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(dòng)力計(jì)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(duì)邊坡在地震作用下的動(dòng)力響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。1數(shù)值計(jì)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?？够瑯堕L(zhǎng)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(jì)強(qiáng)度等級(jí)為C25。采取一樁一錨形式,預(yù)應(yīng)力錨桿長(zhǎng)度為16m,自由段長(zhǎng)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(jì)算模型時(shí),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(jì)算時(shí),對(duì)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(dòng)力計(jì)算時(shí),四周設(shè)為自由場(chǎng)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(dòng)法則,采用實(shí)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(duì)該概化邊坡模型,施加地震波進(jìn)行非線性動(dòng)力分析。施加的地震波采用著名的Cobe波,為節(jié)省計(jì)算機(jī)時(shí),截取原地震波記錄中10s,其中包含加速度峰值出現(xiàn)時(shí)刻,原始加速度峰值為0.834g,見(jiàn)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(dòng)方向平行于坡的傾向。2.1坡面點(diǎn)振動(dòng)波和坡頂位移時(shí)程圖3為加速度峰值0.25g時(shí)坡內(nèi)不同點(diǎn)的振動(dòng)速度時(shí)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(shí)振動(dòng)速度越來(lái)越大。坡底振動(dòng)速度峰值為為0.118m/s,坡中振動(dòng)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(shuō)明坡高對(duì)振動(dòng)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(diǎn)速度峰值均未超過(guò)底邊界輸入速度峰值,說(shuō)明地震波在很厚土體內(nèi)傳播時(shí)由于土體巨大的阻尼作用,振動(dòng)能量被大大消耗。2)坡內(nèi)不同高度處振動(dòng)速度波存在相位差,高程越高的點(diǎn)振動(dòng)峰值到達(dá)時(shí)間越晚。底邊界速度峰值出現(xiàn)的時(shí)刻為第2.34s,離坡頂10m處速度峰值到達(dá)的時(shí)刻為2.744s,比底邊界遲了0.404s;離坡頂5m的點(diǎn)速度峰值到達(dá)時(shí)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(shí)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(shí)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(jì)算所得的結(jié)果相近,一定程度上驗(yàn)證了本次數(shù)值模擬的正確性。圖4為坡面上點(diǎn)X方向位移時(shí)程曲線,其中曲線1為坡頂處水平位移時(shí)程變化曲線,曲線2為坡頂下5m處(坡中)水平位移時(shí)程變化曲線,曲線3表示坡頂下10m處(坡底)水平位移時(shí)程曲線。三點(diǎn)位移振動(dòng)波形很相似,但同振動(dòng)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(diǎn)的永久水平位移看來(lái),邊坡變形不大,說(shuō)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(shí)樁身彎矩分布圖5、圖6分別為樁截面剪力和彎矩時(shí)程變化曲線。從圖中看出,地震效應(yīng)作用下,樁身橫截面動(dòng)剪力和動(dòng)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(shí)即未受地震作用時(shí),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(dòng)剪力峰值達(dá)到342.3kN,比靜力時(shí)大33.87%;靜力狀態(tài)時(shí)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(dòng)彎矩峰值達(dá)到-750.3kN·m,比靜力時(shí)大31.4%。其他各橫截面也如此,動(dòng)剪力和動(dòng)彎矩峰值均超過(guò)靜力時(shí)的數(shù)值,因此靜力時(shí)安全的抗滑樁在地震時(shí)未必一定能保證安全,以本例來(lái)說(shuō),抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)要在常規(guī)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)上增加33.87%的安全儲(chǔ)備,才能保證結(jié)構(gòu)安全。2.3土壓力時(shí)程變化曲線在地震過(guò)程中,樁后的土壓力也隨時(shí)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(shí)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(dòng)土壓力峰值比靜土壓力大42kPa,16m深度處動(dòng)土壓力峰值比靜土壓力大28kPa,20m深處動(dòng)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(guò)程中坡頂表面的正應(yīng)力變化情況,數(shù)值模擬時(shí)在樁頂后2,8,14m設(shè)置了3個(gè)觀測(cè)點(diǎn),用來(lái)記錄坡頂表面X方向正應(yīng)力時(shí)程變化,圖8為該3監(jiān)測(cè)點(diǎn)的X向正應(yīng)力時(shí)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?kù)o拉應(yīng)力為17.77kPa,最大動(dòng)拉應(yīng)力20.85kPa;樁后8m處?kù)o拉應(yīng)力11.26kPa,最大動(dòng)拉應(yīng)力16.38kPa;樁后14m處?kù)o拉應(yīng)力23.23kPa,最大動(dòng)拉應(yīng)力達(dá)23.85kPa。事實(shí)上,邊坡在開(kāi)挖后,土體應(yīng)力平衡被打破,土體有向臨空面運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì),離臨空面較近的土體運(yùn)動(dòng)位移較大,而較遠(yuǎn)處土體運(yùn)動(dòng)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(shuō)坡頂面拉應(yīng)力在地震前就已經(jīng)存在,在受地震作用時(shí),會(huì)形成瞬時(shí)大于靜拉應(yīng)力的動(dòng)拉應(yīng)力,動(dòng)拉應(yīng)力達(dá)到土體抗拉強(qiáng)度時(shí)土體就會(huì)被拉裂形成拉裂縫,動(dòng)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(lái),樁錨加固體系對(duì)坡頂動(dòng)拉應(yīng)力也起到了較好的控制作用,樁后2m處地表動(dòng)拉應(yīng)力峰值只比靜拉應(yīng)力大3.08kPa,樁后8m處地表動(dòng)拉應(yīng)力峰值只比靜拉應(yīng)力大5.12kPa,樁后14m動(dòng)拉應(yīng)力峰值僅僅比靜拉應(yīng)力大0.62kPa,可見(jiàn),樁錨加固體系對(duì)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(duì)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(duì)速度波有明顯的放大效應(yīng),坡頂振動(dòng)速度大于坡中振動(dòng)速度,坡中振動(dòng)速度大于坡底振動(dòng)速度。2)坡內(nèi)不同高度之間振動(dòng)波存在相位差,高程越高的點(diǎn)振動(dòng)速度峰值到達(dá)時(shí)間越晚。3)樁錨體系對(duì)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