地震荷载作用下桩-锚支护土坡动力响应研究

地震荷载作用下桩-锚支护土坡动力响应研究

桩锚联合保护是一种常见的保护边坡和脊柱等垂直斜坡加固方法。它不仅具有抗滑性强、抗滑性好的优点，而且具有较大的预紧率和主动保护的优点。它有效地提高了边坡的整体稳定性，并能够很好地控制边缘的变形。目前对边坡加固方法研究已较多,如祁斌1从桩前滑坡推力和桩后土体抗力的分布形式以及单桩设计计算方法、桩-土作用计算模型、抗滑桩设计及工程材料用量等方面对单、双排抗滑桩进行对比分析;吴永2以极限分析的上限定理为工具,结合地震波形特征,从能量角度分析了地震波作用下抗滑桩的失效机理;陈新泽3通过数值方法对锚拉桩加固边坡的作用机理和加固效果进行了研究;李邵军4利用离心模型试验手段,模拟库区蓄水和水位循环变化条件下失稳边坡的抗滑桩加固机制,获得库区水位变化影响下的边坡变形、破坏模式和抗滑桩受力;董建华、朱彦鹏5应用动力弹塑性有限元方法研究了土钉支护边坡动力响应。但是,对桩-锚联合支护的边坡的动力研究还不够充分,桩-锚加固边坡或者桩-锚支护深基坑在地震荷载作用下的工作性状以及在地震效应作用下失效机制等都是值得关注的问题。本文拟以数值分析手段对桩-锚体系加固的直立边坡动力特性进行研究。FLAC3D有限差分软件已成功地应用于岩土开挖、矿山开采、边坡稳定性及地震动力响应分析等领域6,因此,本文利用FLAC3D强大的非线性动力计算功能,在建立桩-锚加固下切方直立边坡概化模型的基础上,对边坡在地震作用下的动力响应规律进行研究。1数值计算模型的建立建立如图1所示的概化土坡模型,直立土坡高度为12m。抗滑桩长度为20m,嵌固深度为8m,桩径为1.0m,桩间距为3.0m,桩混凝土设计强度等级为C25。采取一桩一锚形式,预应力锚杆长度为16m,自由段长度为5m,孔径为15mm,共设置4排锚杆,竖向间距分别为2.0,3.0,3.0,3.0,1.0m。在建立数值计算模型时,取坡向外40m,坡向内40m,边坡走向方向取20m,深度方向取坡底向下40m。边界条件:静力计算时,对四周边界水平位移进行约束,底部边界竖向位移进行约束;动力计算时,四周设为自由场边界,底部设为黏滞性边界。土体采用Mohr-Coulomb理想弹塑性本构模型,遵守相关联的流动法则,采用实体单元模拟。土坡土体分成2层,直坡底以上为1层土,直坡底以下为另一层土。坡底以上土重力密度为19kN/m3,变形模量为45MPa,泊松比为0.3,黏聚力为20kPa,内摩擦角为15°;坡底以下土层重力密度为19.5kN/m3,变形模量为60MPa,泊松比0.35,黏聚力为40kPa,内摩擦角20°。桩和锚杆采用FLAC3D中的桩单元和锚索单元,均采用弹性模型,所有锚索均施加50kN的预拉力。2加速度振幅的影响对该概化边坡模型,施加地震波进行非线性动力分析。施加的地震波采用著名的Cobe波,为节省计算机时,截取原地震波记录中10s,其中包含加速度峰值出现时刻,原始加速度峰值为0.834g,见图2。本次分析中根据需要调整加速度振幅。地震波施加于概化边坡模型的底面,振动方向平行于坡的倾向。2.1坡面点振动波和坡顶位移时程图3为加速度峰值0.25g时坡内不同点的振动速度时程曲线。从图3中各曲线可以看出如下规律:1)从坡底到坡顶,瞬时振动速度越来越大。坡底振动速度峰值为为0.118m/s,坡中振动速度峰值为0.1277m/s,坡顶速度峰值为0.1629m/s,而输入速度峰值为0.2703m/s,坡中速度峰值是坡底的1.082倍,坡顶速度峰值是坡底的1.3805倍,即以坡底速度峰值为基数,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%,说明坡高对振动波起到了放大作用,坡越高该放大效应越显著。但坡内各点速度峰值均未超过底边界输入速度峰值,说明地震波在很厚土体内传播时由于土体巨大的阻尼作用,振动能量被大大消耗。2)坡内不同高度处振动速度波存在相位差,高程越高的点振动峰值到达时间越晚。底边界速度峰值出现的时刻为第2.34s,离坡顶10m处速度峰值到达的时刻为2.744s,比底边界迟了0.404s;离坡顶5m的点速度峰值到达时刻为2.848s,比底边界迟了0.508s,而坡顶处速度峰值到达的时刻为2.95s,比底边界迟了0.61s。从底部边界到坡顶总距离为52m,而波传播所花的时间为0.61s,则波速等于85.25m/s,此值与按公式v=槡G/ρ(G为传播介质的剪切模量,ρ为传播介质的密度)计算所得的结果相近,一定程度上验证了本次数值模拟的正确性。图4为坡面上点X方向位移时程曲线,其中曲线1为坡顶处水平位移时程变化曲线,曲线2为坡顶下5m处(坡中)水平位移时程变化曲线,曲线3表示坡顶下10m处(坡底)水平位移时程曲线。三点位移振动波形很相似,但同振动速度波一样也存在一定的相位差,位移峰值也稍有差别,坡顶位移峰值最大,为39.2mm;坡中位移峰值次之,为35.8mm;坡底位移峰值最小,为32.2mm。三处最终永久位移也不同,坡顶永久位移为28.2mm,坡中永久位移为25.4mm,坡底永久位移为22.3mm。从坡顶、坡中和坡底三点的永久水平位移看来,边坡变形不大,说明在该桩锚支护下边坡整体是稳定的,位移也得到较好的控制,表明桩-锚支护体系具有较好的抗震能力。2.2未受地震作用时桩身弯矩分布图5、图6分别为桩截面剪力和弯矩时程变化曲线。从图中看出,地震效应作用下,桩身横截面动剪力和动弯矩在静力值的基础上呈振荡变化。以桩顶下9.5m处的剪力和桩顶下6.5m处弯矩为例,静力状态时即未受地震作用时,桩顶下9.5m处桩身横截面剪力为255.7kN,在地震效应作用下,该处截面动剪力峰值达到342.3kN,比静力时大33.87%;静力状态时桩顶下6.5m处截面弯矩值为-571.0kN·m,而在地震效应作用下该截面动弯矩峰值达到-750.3kN·m,比静力时大31.4%。其他各横截面也如此,动剪力和动弯矩峰值均超过静力时的数值,因此静力时安全的抗滑桩在地震时未必一定能保证安全,以本例来说,抗滑桩设计时要在常规设计基础上增加33.87%的安全储备,才能保证结构安全。2.3土压力时程变化曲线在地震过程中,桩后的土压力也随时间振荡变化。图7中曲线1～5分别为桩后4,8,12,16,20m深度处土压力时程变化的曲线,从图7可以看出,浅部(8m以上)土压力振荡幅度很小,不到1kPa,土体深部土压力振荡幅度较大,12m深度处动土压力峰值比静土压力大42kPa,16m深度处动土压力峰值比静土压力大28kPa,20m深处动土压力峰值比静土压力大20kPa。2.4抗滑桩桩锚支护下抗滑桩桩锚变形控制机理为了得到地震过程中坡顶表面的正应力变化情况,数值模拟时在桩顶后2,8,14m设置了3个观测点,用来记录坡顶表面X方向正应力时程变化,图8为该3监测点的X向正应力时程曲线。可以看出,桩后一定范围内坡顶表面均出现拉应力,桩后2m处静拉应力为17.77kPa,最大动拉应力20.85kPa;桩后8m处静拉应力11.26kPa,最大动拉应力16.38kPa;桩后14m处静拉应力23.23kPa,最大动拉应力达23.85kPa。事实上,边坡在开挖后,土体应力平衡被打破,土体有向临空面运动的趋势,离临空面较近的土体运动位移较大,而较远处土体运动位移较小,这样坡顶地表面必然产生一定量的拉应力,也就是说坡顶面拉应力在地震前就已经存在,在受地震作用时,会形成瞬时大于静拉应力的动拉应力,动拉应力达到土体抗拉强度时土体就会被拉裂形成拉裂缝,动拉应力是坡顶表面出现裂缝的主要原因。从本例分析看来,桩锚加固体系对坡顶动拉应力也起到了较好的控制作用,桩后2m处地表动拉应力峰值只比静拉应力大3.08kPa,桩后8m处地表动拉应力峰值只比静拉应力大5.12kPa,桩后14m动拉应力峰值仅仅比静拉应力大0.62kPa,可见,桩锚加固体系对地表裂缝的控制效果也非常显著。其作用机理可以这样解释:第一,抗滑桩桩体刚度远大于土体的刚体,对土体向临空面变形起到强大的约束作用;第二,锚杆将离临空面较近的土体与较远的土体牢牢拉结在一起,有效地减小了坡内土体横向应变和位移梯度,从而减小X方向拉应力。3桩锚体系的作用1)切方直立土坡对速度波有明显的放大效应,坡顶振动速度大于坡中振动速度,坡中振动速度大于坡底振动速度。2)坡内不同高度之间振动波存在相位差,高程越高的点振动速度峰值到达时间越晚。3)桩锚体系对地震作用下直立边坡的变形和永久位移有很好的控制作用。4)桩锚体系具有良好的抗震性能