曲宏略，張 哲，李兆龍，陳 爽，王?？疲R耀先

(1.西南石油大學(xué) 地球科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，四川 成都 610500； 2.天然氣地質(zhì)四川省重點實驗室，四川 成都 610500； 3.中鐵二十三局集團第一工程有限公司，山東 日照 276826； 4.云南建設(shè)基礎(chǔ)設(shè)施投資股份有限公司，云南 昆明 650501； 5.天津市水務(wù)規(guī)劃勘測設(shè)計有限公司，天津 300204； 6.四川盛唐建設(shè)工程有限公司，四川 成都 610042)

堆積體主要是由滑坡堆積、殘坡堆積、崩坡堆積、沖洪堆積等第四系堆積作用形成的地質(zhì)體，屬于斜坡變形破壞后繼續(xù)運動階段的產(chǎn)物[1]，堆積體邊坡在我國西南山區(qū)廣泛分布。汶川震害調(diào)查表明，崩塌滑坡類災(zāi)害中堆積體滑坡占了較高比例[2-3]，樁板結(jié)構(gòu)作為當(dāng)前治理邊坡地質(zhì)災(zāi)害的主要措施，已被廣泛地運用于各類工程建設(shè)中。近年來，關(guān)于樁板結(jié)構(gòu)動力響應(yīng)特性國內(nèi)外學(xué)者做了很多研究[4-5]，大致可以分為兩大類：一類是通過大型振動臺試驗[6]，對樁板結(jié)構(gòu)地震響應(yīng)相關(guān)物理量(如：加速度、位移、土壓力等)直接進行監(jiān)測，并進行分析[5，7-8]；另一類是以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，通過數(shù)值分析軟件(如：FLAC、ABAQUS等)，進行樁板結(jié)構(gòu)的數(shù)值仿真分析[9-11]。盡管關(guān)于樁板結(jié)構(gòu)的動力響應(yīng)已有不少研究，但通過調(diào)研分析可以發(fā)現(xiàn)，大多數(shù)學(xué)者以具體工程為基礎(chǔ)，針對某一工點進行分析，或者針對影響樁板墻加固效果的個別參數(shù)進行探討，缺少綜合考慮多種參數(shù)的研究。因此，本文以數(shù)值模擬為基礎(chǔ)，借助FLAC3D仿真計算軟件，結(jié)合實際工點的邊坡參數(shù)，進行多參數(shù)的樁板墻動力響應(yīng)特性分析，對比不同參數(shù)對樁板墻加固效果的影響，為工程設(shè)計提供參考。

1 數(shù)值分析模型

根據(jù)前期勘察資料，川藏線路實際工程邊坡設(shè)計斷面圖如圖1所示，從機理分析的角度出發(fā)，結(jié)合此實際工程邊坡，本文建立的計算模型如圖2所示，其中X方向(順坡向)總長110 m，Y方向(坡寬)20 m，Z方向(坡高)56 m，坡度約40°，此次研究為堆積體邊坡模型，滑坡體為松散堆積體，滑床為基巖，滑床基巖各處巖性一致，產(chǎn)狀相同。

模擬樁板墻樁身采用C30鋼筋混凝土灌筑，截面尺寸為2.0 m×2.0 m，樁長12.0 m，樁間距為4.0 m，模擬樁間擋土板采用C30鋼筋混凝土制作。樁、擋土板采用線彈性模型，土體采用Mohr-Coulomb彈塑性模型，對于樁土界面采用無厚度接觸面單元“interface”單元進行模擬[12]。模型所需要的參數(shù)有：剪切模量G、體積模量K、黏聚力c、摩擦角φ、以及密度ρ。其中c、φ、ρ的取值由實測得出，G、K由公式換算得出[13-14]，G和K的計算公式如下：

圖2 堆積體邊坡計算模型Fig.2 Calculation model of deposit slope

(1)

(2)

其中，E為彈性模量，μ為泊松比。

滑床、滑體參數(shù)取值由現(xiàn)場實測得到，樁、擋板根據(jù)工程地質(zhì)條件和相關(guān)規(guī)范選定參數(shù)，模擬實際工況進行研究，如表1所示：

表1 模型計算參數(shù)表

靜力計算時，模型底部固定，模型兩側(cè)施加Y方向約束，模型前、后方施加X方向約束。動力計算時，模型四周采用自由場邊界[15]，在模型底部分別輸入EI-Centro波、汶川波、Kobe波水平向(X向)和豎直向(Z向)雙向加速度時程作為地震激勵，加速度峰值強度為0.957 g，為節(jié)約計算時間，地震動加載時間取為30 s，這段時間包括了地震加速度時程中的較大振幅部分[16]。參考已有模型分析實例[17]，局部阻尼系數(shù)不用求解系統(tǒng)的自振頻率，而且相對于瑞麗阻尼而言不會減小時間步，較適合于簡單問題的求解，因此模型采用局部阻尼，阻尼系數(shù)取為0.157來近似表征土體在地震波傳播過程中的阻尼作用。

2 樁板墻動力響應(yīng)特征分析

樁板墻中擋土板主要起擋土作用，主要承力結(jié)構(gòu)為抗滑樁，分析抗滑樁受力，最重要兩點就是土壓力和位移[18-19]，因此，本文先分析土壓力、位移的特點，再更改不同參數(shù)，對不同參數(shù)下樁板墻的抗震效果進行探討。

2.1 土壓力

樁板墻在抗震設(shè)計過程中，其截面設(shè)計、配筋計算都受樁身所受剪力和彎矩的嚴(yán)重影響，而土壓力正是產(chǎn)生樁身剪力、彎矩的原因，因此，數(shù)值計算對土壓力沿樁身的分布情況加以分析。通過分析計算，得到土壓力沿樁身分布曲線見圖3。由于此次設(shè)計樁長12 m，故距樁頂距離-6 m以上為地上懸臂段，-6 m以下為地下嵌固段。

圖3 土壓力沿樁身分布曲線Fig.3 Soil pressure curve along pile

由圖3可知，在地面以上懸臂段，樁身土壓力較嵌固段小得多，在地面處，樁身土壓力突變增大，且由懸臂段正值變?yōu)樨?fù)值，增大幅值達(dá)到900 kPa，說明此處樁身承受土壓力最大，也是抗滑樁最易產(chǎn)生破壞位置，在工程設(shè)計時，應(yīng)重視地面位置(懸臂段與嵌固段結(jié)合位置)樁身的強度。

2.2 位移

為研究樁板墻在地震作用下的樁身變位反應(yīng)，對模型進行X方向位移監(jiān)測，并進行分析計算，得到樁板墻樁身位移沿樁高的分布曲線，如圖4所示。

注：數(shù)值為“+”代表向自由面方向位移，“-”值代表向坡體內(nèi)部位移。圖4 位移沿樁身分布曲線Fig.4 Displacement curve along pile

由圖4可以看出，抗滑樁懸臂段位移為正值，且樁頂位移最大，隨著高程降低位移逐漸減小，而嵌固段位移為負(fù)值，樁底位移最大，且隨著高程增加位移逐漸減小，這說明地面以上，樁身承受土壓力向樁外，而地面以下樁身承受土壓力向坡內(nèi)，進而表明抗滑樁產(chǎn)生了一定的向自由面方向的“傾覆”。對比懸臂段和嵌固段整體位移，可以發(fā)現(xiàn)，地面以下明顯比地面以上位移小，這表明受土體限位影響，嵌固段位移較小。但結(jié)合土壓力分析，可知地面以下土壓力較大，說明懸臂段抗滑樁由于較大位移，釋放了一定土壓力，進一步可以推測，抗滑樁破壞主要為地面處的折斷或整體“傾倒”破壞。

3 樁板墻不同參數(shù)影響分析

為分析不同參數(shù)對樁板墻抗震效果的影響，更改模型計算的不同參數(shù)，通過改變地震波、峰值地面加速度(Peak Ground Acceleration, PGA)、樁間距、樁體嵌固深度以及不同土體參數(shù)(c、φ)分析樁板墻的抗震效果。

3.1 不同地震波影響分析

對堆積體邊坡模型分別加載EI Centro、Kobe和汶川臥龍三種地震波，PGA歸一化為0.1 g，分析不同地震波下的樁身土壓力和位移，如圖5—圖6所示。通過FLAC3D進行自振頻率計算，自振周期約為0.362 s，自振中心頻率為2.76 Hz。在自振周期0.362 s附近，加速度反應(yīng)譜幅值排序為汶川臥龍>El Centro>Kobe。

從圖5可以看出，不同地震波作用下，樁身土壓力有所不同，但差距不大，土壓力表現(xiàn)出汶川臥龍>EI Centro>Kobe,對照結(jié)構(gòu)自振頻率和地震波頻率，可以得出，結(jié)構(gòu)自振頻率和地震波頻率對結(jié)構(gòu)抗震效果影響較大，在結(jié)構(gòu)自振頻率附近地震波幅值越大，則對結(jié)構(gòu)抗震越不利。

圖5 不同地震波作用下土壓力Fig.5 Soil pressure of different seismic waves

圖6 不同地震波作用下樁身位移Fig.6 Pile displacement of different seismic waves

從圖6可以看出，在不同地震波激勵下，樁身位移同樣表現(xiàn)出汶川臥龍>El Centro>Kobe，即位移的響應(yīng)情況與結(jié)構(gòu)自振周期附近加速度反應(yīng)譜幅值排序的結(jié)果一致。結(jié)合土壓力分析，充分說明汶川臥龍波對邊坡破壞作用最大，Kobe波最小，進一步可以得出，針對不同地區(qū)，不同邊坡的抗震設(shè)計，應(yīng)考慮坡體自振頻率與地區(qū)地震特征。

3.2 不同PGA影響分析

選取EI地震波，對堆積體邊坡模型，分別加載PGA為0.1、0.2、0.4 g的地震加速度，以模擬結(jié)構(gòu)在地震基本烈度VII度、VIII度和IX度區(qū)域的響應(yīng)情況，對比分析計算結(jié)果如圖7、圖8所示。

由圖7可以發(fā)現(xiàn)，當(dāng)PGA較小時(0.1、0.2 g)，樁身土壓力增長不明顯，但當(dāng)PGA達(dá)到0.4 g時，樁身土壓力發(fā)生突變，急劇增大。說明，當(dāng)?shù)卣鹆叶缺容^大時(IX度區(qū)以上)，抗滑樁需大幅提升強度。

圖7 不同PGA作用下土壓力Fig.7 Soil pressure of different PGAs

圖8 不同PGA作用下樁身位移Fig.8 Pile displacement of different PGAs

從圖8可以看出，隨著PGA的增大，樁身位移不斷增大，但在0.2 g時，樁身位移增長不大，說明此時抗滑樁仍能保持很好的抗震作用，對土體位移產(chǎn)生充分限位作用。但當(dāng)PGA達(dá)到0.4 g時，樁身位移發(fā)生突變。位移達(dá)到10.5 cm，超過樁身長度的1%，此時抗滑樁已失去抗震作用。

3.3 樁間距影響分析

在原模型的基礎(chǔ)上，調(diào)整樁板結(jié)構(gòu)的樁間距，將原來的樁間距4 m加大為6 m、8 m。分別計算分析樁背土壓力的變化，如圖9所示。

圖9 不同樁間距土壓力Fig.9 Soil pressure of different pile spacing

從圖9可以看出，樁間距6 m時樁背土壓力較4 m時稍大，但二者差距不大。當(dāng)樁間距達(dá)到8 m時，土壓力較二者有明顯增大，主要表現(xiàn)為在抗滑樁嵌固段土壓力顯著提升。這是由于滑坡下滑力主要由抗滑樁承擔(dān)，而樁間距的變化將直接導(dǎo)致抗滑樁對邊坡的作用力重分布，當(dāng)樁間距達(dá)到8 m時，已經(jīng)超過樁長1/2。因此可以推測，當(dāng)樁間距在一定范圍內(nèi)，樁背土壓力變化較小，但超過這一范圍，土壓力增幅或減小明顯，在進行樁板墻設(shè)計時，樁間距不應(yīng)超過樁長的1/2。

3.4 嵌固深度的影響分析

抗滑樁的嵌固深度與嵌固地層的強度、所受推力、樁身剛度等條件有關(guān)。為研究嵌固深度對樁板結(jié)構(gòu)的抗震影響，在原模型的基礎(chǔ)上，分別減小嵌固深度至3 m(樁長1/3)和增大嵌固深度至9 m(接近樁長2/3)，對比原嵌固深度6 m(樁長1/2)，土壓力沿樁身分布見圖10，樁身位移對比見圖11。

圖10 不同嵌固深度土壓力Fig.10 Soil pressure of different embedded depth

圖11 不同嵌固深度樁身位移Fig.11 Pile displacement of different embedded depth

由圖10可見，對于懸臂段，樁背所受滑坡推力分布對改變嵌固段長度的反應(yīng)不大，說明滑坡推力主要受地震烈度、滑動面土體參數(shù)、滑體容重等自身參數(shù)控制，改變嵌固深度對于改善懸臂段樁身受力分布的效果不明顯。而對于嵌固段，3 m嵌固深度的土壓力明顯大于6 m，說明嵌固深度的變淺直接導(dǎo)致了土體抗力的增加和土壓力轉(zhuǎn)點深度的變深，即結(jié)構(gòu)需要在更短的嵌固段內(nèi)產(chǎn)生更大的土體抗力，從而與滑坡推力在嵌固處產(chǎn)生的剪力和彎矩平衡；對比9 m嵌固深度，嵌固段樁背土壓力要小的多，且樁身受力更均勻。所以，在工程設(shè)計中，建議抗滑樁嵌固深度最好達(dá)到樁長2/3，不能小于樁長1/3。

從圖11可以看出，6 m嵌固深度樁頂位移為4 cm，3 m嵌固深度樁頂位移為5.9 cm，9 m嵌固深度樁頂位移為2.6 cm，嵌固深度3 m的變化，導(dǎo)致樁頂位移最多增加1.9 cm，增加較大，而樁身嵌固段位移最大增加1.1 cm，說明，樁身變位對嵌固深度的敏感度較高。在實際工程中，為減小樁身位移，可適當(dāng)提升嵌固深度。

3.5 滑體黏聚力c的影響分析

巖土體材料自身屬性，主要影響滑坡推力，調(diào)整滑體典型材料參數(shù)中的c為25、50和75 kPa，分別計算各自工況下的樁身受力、變位的地震響應(yīng)情況，如圖12—圖13所示。

圖12 不同黏聚力的土壓力Fig.12 Soil pressure of different cohesion

從圖12可以看出，不同黏聚力下，樁背土壓力大致表現(xiàn)出25 kPa>50 kPa>75 kPa，但差距不明顯。而根據(jù)圖13，樁身位移雖同樣表現(xiàn)出25 kPa>50 kPa>75 kPa，但差距較大。表明土體黏聚力的變化，對樁背土壓力影響不大，但對樁身位移影響較大，在工程設(shè)計時，應(yīng)著重考慮c的變化對樁身位移的影響。

3.6 滑體內(nèi)摩擦角φ的影響分析

為分析內(nèi)摩擦角φ對抗滑樁受力的影響，調(diào)整滑體材料參數(shù)中的內(nèi)摩擦角φ為15°、20°和25°，分別計算各自工況下的樁身受力、變位的地震響應(yīng)情況，見圖14—圖15。

圖13 不同黏聚力的樁身位移Fig.13 Pile displacement of different cohesion

圖14 不同內(nèi)摩擦角的土壓力Fig.14 Soil pressure of different internal friction angle

圖15 不同內(nèi)摩擦角的樁身位移Fig.15 Pile displacement of different internal friction angle

從圖14、圖15可以看出，隨著內(nèi)摩擦角φ的增大，樁身土壓力和樁身位移均有所減小，其中，位移減小幅度更大，結(jié)合滑體黏聚力c的分析，可以得到，滑體自身參數(shù)對抗滑樁的抗震效果有一定影響，影響最大的為樁身位移。

4 結(jié)論

本文通過數(shù)值模擬軟件FLAC3D，根據(jù)實際工況建立邊坡模型，并進行了不同參數(shù)影響下的樁板墻動力響應(yīng)特性分析，可以看出，樁身位移、土壓力以及剪應(yīng)力的響應(yīng)情況與加速度反應(yīng)譜幅值排序的結(jié)果一致，充分說明了結(jié)構(gòu)抗震設(shè)計時動力特性對抗震效果的影響，另外，通過改變結(jié)構(gòu)自身與外界條件的不同參數(shù)，主要得到以下結(jié)論：

1)在地震基本烈度VII、VIII度區(qū)，樁板墻可有效起到抗震作用，但在地震基本烈度IX度區(qū)，樁板墻樁身土壓力較大，樁身位移超過樁身10%，不能滿足抗滑需要。

2)樁間距的不同，直接導(dǎo)致了樁背土壓力的分布不同，即滑坡推力和土體抗力會隨著樁間距的減小而減小，但在一定范圍內(nèi)，減小幅度較小。

3)嵌固深度對懸臂段樁身的受力分布影響不大，而對于嵌固段的影響較大。隨著嵌固深度的增加，土體抗力逐漸較小，即當(dāng)嵌固深度較小時，結(jié)構(gòu)需要產(chǎn)生更大的土體抗力與滑坡推力在嵌固處產(chǎn)生的剪力和彎矩平衡。

4)滑體參數(shù)選擇直接影響著滑坡推力的計算和整治工程方案的選定。隨著黏聚力c值和內(nèi)摩擦角φ值的增大，樁板結(jié)構(gòu)在地震作用下的位移減小，樁身受力減小。