切方边坡悬臂桩桩间土局部滑塌原因分析

切方边坡悬臂桩桩间土局部滑塌原因分析

1悬臂桩桩间土稳定性在中国西南山区，斜坡是一种常见的表面形式。这其中,已有的自然斜坡被切削成相对陡峻的人工边坡可命名为切方边坡。实际工程中,为确保斜坡切方后不产生大规模的失稳灾变现象,常采用抗滑桩对待开挖的斜坡进行预支护。待抗滑桩养护达到设计强度后,再对桩前土进行开挖,抗滑桩因不受桩前剩余抗滑力的作用形成悬臂桩。为避免桩间土出现绕流现象,部分规范就此作了相关规定,文献建议桩间距宜为6~10m,文献指出,桩间净距宜为5~10m。显然,上述规定主要适用于较大截面的埋入式抗滑桩,悬臂桩若桩间不作防护,临空面附近的桩间土可能出现滑塌、削落等灾变现象。2004年5月重庆某污水处理厂二期场地开挖整平时,由于坡体开挖和持续降雨使已施工的抗滑桩桩间土体部分垮塌,且滑体后缘开裂、变形现象明显,该工程抗滑桩桩间净距仅3.5m。1989年建成的重庆市合川渭沱电站滑坡治理工程,采用间距为3m的锚索桩进行支挡,后期因修筑公路的需要对坡脚进行切方,形成了高18m的陡峻边坡,尽管桩间未作支护,但至今尚未出现滑塌现象。上述分析表明,悬臂段桩间土稳定性影响因素较复杂,与边坡支挡效果、工程投资密切相关。同时桩间土稳定性与其内部的土拱效应之间又存在着紧密的联系。但针对悬臂桩桩间土稳定性方面的研究相对埋入式桩较少。为此,本文就三维土拱效应与切方边坡悬臂段桩间土稳定性之间的关系展开研究,并结合实际工程探讨桩间土的加固措施。2拱及其破坏桩土的形成2.1桩-土相互作用自Terzaghi首次通过著名的活动门试验证实了岩土工程领域普遍存在土拱效应这一现象之后,相邻两抗滑桩之间土拱效应也逐渐得到工程技术人员的重视。部分学者基于平面模型对抗滑桩之间的土拱效应及合理间距作了深入分析,得到了有益的结论。随着数值计算及计算机技术的发展,吴汉辉、李忠诚、聂如松、陈福全等相继建立了埋入式抗滑桩、被动桩的三维数值模型,采用桩-土承载比衡量土拱效应在桩间的作用程度,并一致认为埋入式桩三维情况下的成拱效应与二维情况下的形式及变化规律相似,仅拱效应作用程度相对二维模型计算得出的结果略小,指出桩间距是影响土拱效应最重要的因素。杨明、姚令侃采用PFC2D从细观力学角度模拟了桩间土体颗粒形成土拱的机制,并认为桩间土拱效应的本质是土颗粒相互错动、挤压而形成的有效传递滑坡推力的“拱形骨架”。同时,部分学者还通过模型推桩试验和斜坡离心机试验模拟了桩-土间的相互作用机制。分析发现,多数学者认为桩间土拱效应的发挥与桩间土稳定性有着紧密的联系[4,5,6,7,8,9,10,11,12,13,14,15,16]。上述研究多以埋入式桩或被动桩为研究对象,而针对广泛应用于路堑边坡支护的悬臂桩及其与土体的相互作用研究却相对较少。为此,有必要对悬臂桩三维土拱效应及其桩间土破坏模式作进一步研究。2.2悬臂桩间土体稳定性分析与埋入式桩类似,悬臂桩的土拱效应仍以水平方向为主,土拱效应的发挥在一定程度上起到有效抑制桩间土绕流的作用。值得注意的是,尽管抗滑桩布置满足合理桩间距的要求,但由于悬臂桩存在因桩前土开挖形成的临空面,实际工程中,桩间土体常发生局部失稳现象。斜坡切方后桩间土受土拱内侧强度及其自重应力的影响而呈现出不同的稳定状态,如图1所示。若悬臂段桩间土发生失稳,其破坏模式多表现为“滑塌”模式,与埋入式桩常见的桩间土整体绕流破坏模式有所不同。因此,悬臂桩桩间土的稳定性分析较埋入式桩更趋复杂,应重点分析桩间土的应力分布特征及屈服破坏条件。为此,本文将坡体应力分布及土拱强度条件相结合,重点分析悬臂桩桩间土的稳定性。3悬臂段桩间土壤的分析模型3.1初始应力函数的建立采用抗滑桩对切方边坡进行预支护,坡体内部的初始应力状态在一定程度上制约着桩间土的稳定性。鉴于此,本文采用弹性理论对桩位附近坡体的初始应力场进行研究,计算简图如图2所示。部分学者对斜坡稳定性与土体参数间的关系作了一定研究,若斜坡最初是稳定的,即α满足Culmann理论,用虚线oo′将斜坡分为两部分,设虚线oo′右侧部分坡体的应力函数满足假定坡体符合平面应变模型,且体力分量满足fy=0,fz=γ,将应力函数ϕ代入协调方程∇2∇2ϕ=0,得到虚线oo′右侧边坡体的左侧边界(虚线oo′)y=0处,满足应力边界条件代入应力分量表达式,得不难发现,坡面线y=zcotα的边界上,满足将式(2)、(4)代入式(5)中,得到将系数A、B、C和D,代入应力分量表达式(2)中,按照岩土力学的一般规定,正应力以受压为正,得到虚线oo′右侧坡体的初始应力分布函数:3.2悬臂段桩间净距斜坡切方后,形成临空面高度为H的切方边坡,桩前剩余抗滑力消失,桩间土拱圈内侧部分土体所提供的极限水平抗力较小。因此,在临空面附近,桩间土临界滑塌时作用于土拱结构内侧的水平正应力σy趋于0,如图3所示。部分学者通过离心机试验研究,认为桩间净距小于5m时,悬臂段桩间土不易产生整体绕流现象。对襄-渝二线施工过程中的悬臂桩进行调查发现,一般悬臂桩设计净距不超过5m,边坡切方后拱圈附近及其内侧部分桩间土多呈现局部滑塌的破坏模式,滑塌面后侧土体则依旧保持稳定。为确保桩间土在切方及复杂应力作用下不发生滑塌现象,在土拱结构的内侧边界处,尤其是拱脚、跨中位置,单元体应避免发生因切方所致的应力屈服现象。3.3桩间土临界应力状态目前,桩间土的力学模型研究多采用平面应变假定,并结合Mohr-Coulomb准则,认为主应力空间破坏面与σ2作用方向平行,即忽略桩间滑体自重应力的影响。上述假定应用于埋入式桩较合理,而对三维效应较强的悬臂桩则略显粗糙。为充分考虑z方向应力变化对桩间滑体稳定性及三维土拱效应的影响,本文对模型作如下假设:(1)当桩间土拱效应充分发挥时,即满足桩间净距L为桩正截面宽度b的3~5倍范围时,桩间土在水平土压力作用下会产生拱效应,内侧拱圈的几何形态满足合理拱轴线的假定,将桩间净距L视为拱圈的跨度;(2)若斜坡开挖后,对桩间土不做支护,考虑卸荷作用的影响,切方后坡体z方向应力保持不变,临空面附近桩间土y向应力σy减小为0,并考虑中间主应力σ2的影响;(3)文献指出,悬臂式抗滑桩桩顶位移不应超过悬臂段桩长的1%,且最大位移值不超过10cm,即在正常使用状态下,桩身侧向位移较小。因此,研究桩间土稳定性时可忽略桩的侧向偏移,桩截面按矩形考虑,在拱脚处土拱的有效作用厚度等于桩正截面宽度b,土拱结构的轴向应力σN在其截面内均匀分布。当斜坡较缓,且坡角α满足初始稳定条件,斜坡切方后临空面附近土体单元主应力满足σ1=σz,σ3=0,若切方前未采用悬臂桩进行预支护,由Mohr-Coulomb强度条件可得到无悬臂桩预支护斜坡产生切方破坏的临界条件式:式中:c、ϕ分别为土体的黏聚力和内摩擦角。设切方线距xoz面的距离为S,由式(7)可得到临空面部位土体z方向的应力函数为将式(9)代入式(8)中,经整理,得到无支护时切方边坡所允许的最大开挖高度Hc为若采用悬臂桩进行预支护,yoz面为两相邻桩间的对称平面,取悬臂段单位高度的土拱结构为研究对象,受力如图4所示。设土拱结构内侧矢高为f,拱脚处拱轴线切线与桩顶连线的夹角为θ,由合理拱轴线方程可得一般的拱形结构,最不利截面通常发生在拱脚或跨中截面。对土体材料,因其抗拉、抗剪强度相对较低,最不利单元体的位置一般取土拱前缘,即点1、2和3。结合工程调查及文献研究发现,在任一深度的土拱平面上,斜坡切方后拱脚1、3位置一般先于拱顶2处发生应力屈服现象。据此,取1点为研究对象,按照上述假定,可得到1点沿拱轴线切线方向应力σN1的表达式为为了考虑中间主应力的影响,计算桩间土临界应力状态时采用Drucker-Prager破坏条件式中:I1为应力张量第1不变量;J2为应力偏量第2不变量;m、n为系数。若屈服面取Mohr-Coulomb屈服条件的内角外接圆锥进行计算,则m、n可表示为考虑桩间土拱内侧土体破坏的临界条件(拱圈前缘临空面的少量土体抗力σ3为0),1点所在截面(合理拱轴线上)无剪应力作用,可将σN1视为第1主应力σ1,σz为第2主应力σ2,化简得到为得到桩间土拱效应空间曲面与滑塌面之间的关系,须首先对矢高f的取值进行分析。整理式(14)、(16)和(17),可得为使式(18)有实数解,须保证η(z)≥0,即由式(9)、(20)计算,可得到悬臂桩预支护坡体桩间土不产生滑塌所允许的最大切方深度Hmax若实际切方深度maxH>H,在切方深度0~maxH范围的桩间土易产生因拱脚内侧屈服破坏的局部滑塌现象,同时滑塌面下部的桩间土产生应力重分布,土拱效应将向下方稳定土体传递。若任意高度的桩间土均可形成水平方向的土拱效应,将式(18)代入式(13)中,可得到切方边坡桩间土拱效应有效发挥时其内侧矢高f的表达式4分析和加固措施4.1路堑边坡地质条件为了进一步分析桩间土拱效应与桩间土稳定性之间的关系,探讨桩间土的加固措施。本文对襄-渝Ⅱ线铁路工程YD1k461+000~463+500段部分处于施工阶段的路堑边坡展开调查。施工区主要位于大巴山山脉南部之低山河谷区,属侵蚀、溶蚀低山河谷地貌。斜坡地段多为第四系全新统坡积层(Q4dl)碎石土:棕黄、褐黄色,松散至中密,稍湿,石质为灰岩、砂岩、砾岩及泥岩为主,强风化~弱风化,其余为粉质黏土充填,厚2~10m,如图5(a)所示。下伏基岩多为三叠系中统(2T3)泥质灰岩夹页岩:灰色、深灰色,薄层~中层状,含泥质较重,岩体较破碎,节理、裂隙发育,桩孔开挖堆弃的岩块如图5(b)所示。因线路设计标高低于实际地面标高,且坡体地质条件相对脆弱,路堑边坡切方时若不进行预支护,易诱发切坡失稳等灾变现象。为支护路堑边坡,设计者采用悬臂桩、土钉墙、桩板墙、C15片石混凝土挡墙等工程措施进行防护。4.2桩间土滑塌经勘察,该范围内线路右侧边坡多采用C15片石混凝土挡墙和悬臂桩进行防护。观测点附近某工程斜坡坡角α约25°,设计切方线距坡顶的水平距离S约7.3m,切方范围内坡体土重度为22kN/m3,黏聚力为32kPa,内摩擦角为40°。因修建挡墙基础对斜坡进行开挖,当切坡至7.5m深时(设计挡墙高7m),坡面出现较明显的拉裂缝,坡体变形现象明显,倘若继续开挖边坡将产生失稳现象。相邻的悬臂桩桩前土开挖至7.8m深时,桩间土产生了较明显的局部滑塌现象。将该工点相关参数代入式(10)、(21),计算得到无支护时切方边坡允许的最大开挖高度Hc=7.02m,设桩后对桩前土进行开挖,桩间土滑塌范围为0~Hmax=7.41m,与实际工程基本吻合。工程实践发现,尽管该工点范围内已施工的抗滑桩桩间净距L和桩正截面宽度b均相同,但桩间土却因其强度不同而表现出不同的稳定状态,如图5(c)、(d)所示。YD1k462+180线路右侧附近斜坡切方后,边坡高度较高,设计采用桩板墙进行支护,因切方桩前土后才施工桩间挡土板,本文对挡土板施工前桩间土的稳定情况进行现场观测发现,桩间土黏结强度越低,桩间临空面中上部土体失稳垮塌的范围就越大。该斜坡坡度α为18°,切方线距坡顶水平距离S为5.5m,γ为19kN/m3,ϕ约35°,利用式(22)计算得到坡体不同黏结强度条件下桩间土拱效应的作用区域,如图6所示。图6中表示的稳定区域主要指拱圈及其后方坡体,而拱圈内侧土体则基本不受土颗粒“楔紧”效应的影响。计算发现,桩间土黏聚力较大时,拱圈内侧区域分布范围就越小,且该范围土体抗剪强度较高,具有较大的自稳高度Hmax,桩间土不易产生局部滑塌现象。若桩间土黏聚力较小(低于40kPa),土颗粒须产生较大的楔紧、错动现象,才能逐渐形成土拱效应,且拱圈内侧区域分布范围较大,该范围桩间土因自身抗剪强度较小,不足以维持拱圈内部范围土体的稳定性,其内部滑面常呈现出类似“倒椭球面”的形态。需要指出的是,尽管土拱效应与桩间土的局部稳定性有密切联系,但桩间土潜在滑塌曲面与土拱效应作用最强烈位置点所构成的空间曲面并非一致。土拱效应受切方过程桩-土间相对位移的控制,因桩间土存在向斜下方滑动的趋势,且土拱效应作用曲面与土体位移方向基本垂直,故土拱效应矢高f在三维空间表现为自上而下逐渐增大的特征,与式(22)反映出的规律相符。现场观测表明,桩间土的滑塌后缘线大多在桩顶附近矢高f的控制范围内,垮塌土体多呈现拉-剪破坏的模式,如图7所示。据此,可算出桩顶附近拱圈内侧的分布范围,可结合“拟化简仓法”计算作用在桩间挡土板上的极限荷载。4.3数值模型建立研究表明,影响悬臂段桩间土稳定性的因素较复杂,有必要结合实际工程对其加固措施作进一步探讨。尽管当前多采用挡板对桩间土进行防护,但鉴于挡板两侧与悬臂桩直接搭接,挡板所受土压力最终将传递至两侧桩体,桩身的弯曲内力并未得到改善,加之桩间挡板计算理论尚不成熟,挡板设计多过于保守,在一定程度上增加了切坡抗滑支挡工程的投资。随着岩土支挡技术的发展,在襄-渝二线铁路工程施工过程中,部分路段已逐渐采用土钉等复合支挡技术对桩间土进行加固。YD1k461+000线路附近的切方边坡,桩间土均采用2B29/15型自钻式锚杆,入射角8.5°,钻进长度为8.0m,间距1.25m。实践表明,该措施在一定程度上加快了施工进程,防护效果较理想,如图8所示。为进一步研究,本文采用FLAC3D有限差分软件取模型的对称部分,建立三维数值模型,如图9所示。除坡顶及坡面外,其余边界均施加法向位移约束,模型岩、土体采用Mohr-Coulomb强度准则。该工点范围内坡角a为18°,桩背侧距坡顶的水平距离S约5.5m,桩正截面宽度b为1.8m(含护壁),桩间净距L为4.2m,观测时已开挖的路堑边坡平均切方深度H约为5.4m。斜坡土体重度取19.5kN/m3,黏聚力取31kPa,内摩擦角取33°,弹性模量取15MPa,泊松比取0.35。嵌固段强风化泥灰岩重度取23.7kN/m3,凝聚力取200kPa,内摩擦角取35°,弹性模量取450MPa,泊松比取0.27,中风化泥灰岩重度取25.5kN/m3,弹性模量取11500MPa,泊松比取0.2。桩模型按线弹性材料考虑,弹性模量Ec取30000MPa,泊松比取0.2。锚杆弹性模量Eb取33000MPa,锚杆与土体的黏结强度特征值frb取25kPa。计算表明,桩间采用土钉进行预支护,降低了切方后桩间土的塑性区分布范围,有效地提高了桩间土的稳定性,见图10。需要指出,尽管采用土钉对桩间土进行防护正逐渐得到应用,但关于桩间土钉钻进长度研究却不多见。为此,本文考虑土拱效应与桩间土稳定性的关系,通过建立三维数值模型模拟不同钻进长度对桩间土加固效果的影响。分析认为,土钉的合理钻进长度受土拱效应形成的范围及桩间土潜在滑塌面位置所控制。由式(22)计算发现,该工程土拱作用的矢高处于0.9~3.0m范围内。土钉若穿越了潜在滑塌面及土拱效应的楔紧作用区域,土拱的楔紧效应在一定程度上将提拱给土钉较大的锚固效应,促使土钉的抗拉、抗剪效应得到更好的发挥。为检验上述观点的可靠性,本文通过改变土钉的钻进长度建立了土钉加固桩间土的三维数值模型,并保持其