三峽庫區(qū)失穩(wěn)邊坡抗滑樁加固機(jī)制的離心模型試驗(yàn)研究

三峽庫區(qū)失穩(wěn)邊坡抗滑樁加固機(jī)制的離心模型試驗(yàn)研究

1抗滑樁加固機(jī)制及設(shè)計計算方法研究現(xiàn)狀中國是一個多山脈的國家。大規(guī)模基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)（如水利水電工程、移民工程、公路和鐵路工程）的快速增加為巖石邊坡的安全性帶來了新的挑戰(zhàn)。在三峽地區(qū),由于庫區(qū)蓄水和季節(jié)性水位漲落等因素的影響,邊坡的原始平衡遭到破壞,進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至發(fā)生滑坡災(zāi)害,這在很大程度上直接威脅到庫岸人民的生命財產(chǎn)安全。如何及時可靠地對失穩(wěn)邊坡(滑坡)進(jìn)行有效的加固治理,防止滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生,是三峽工程運(yùn)營期面臨的最重要的巖土工程問題之一,在一定程度上也是衡量三峽工程建設(shè)成敗的一個重要標(biāo)志?？够瑯蹲鳛橐环N有效的邊坡支擋結(jié)構(gòu),由于深層抗滑能力強(qiáng)、對滑體擾動相對較小、施工方便等優(yōu)點(diǎn),一直是三峽庫區(qū)高邊坡加固和大型滑坡治理廣泛采用的主要措施。幾十年來,國內(nèi)外針對抗滑樁加固機(jī)制及設(shè)計計算方法進(jìn)行了大量的研究,從早期的單純剪力法、靜力平衡法、Blum法逐漸發(fā)展到目前通用的彈性地基梁法,以及最近基于有限元和有限差分法,考慮樁土相互作用的樁–邊坡系統(tǒng)研究[7~9]。眾所周知,三峽庫區(qū)經(jīng)過一期、二期和三期蓄水,大量邊坡和滑坡的加固治理工程將全部或部分浸沒在水中,抗滑樁和地質(zhì)體的相互作用在很大程度上還受到庫區(qū)蓄水和長期庫水位升降作用的影響。因此,對于庫區(qū)邊坡而言,在進(jìn)行抗滑樁加固、設(shè)計計算方法的理論和試驗(yàn)研究中,需要考慮庫區(qū)蓄水和水位循環(huán)漲落這一重要影響因素。在巖土工程試驗(yàn)研究中,離心模型試驗(yàn)被認(rèn)為迄今為止相似性最好的物理模型試驗(yàn)方法,可較為真實(shí)地模擬現(xiàn)場工程條件,人工塑造具有工程地質(zhì)特征、支護(hù)結(jié)構(gòu)相似和復(fù)雜環(huán)境影響的邊坡,再現(xiàn)邊坡原型和支護(hù)結(jié)構(gòu)的應(yīng)力過程和變形結(jié)果,為邊坡破壞機(jī)制和加固控制研究提供了一種強(qiáng)有力的手段,目前已在巖土工程研究領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[13~16]。在抗滑樁加固機(jī)制的試驗(yàn)研究方面,A.Bouafia等研究了砂土邊坡的抗滑樁在水平荷載作用下的變形行為,楊明等運(yùn)用離心機(jī)對小比例尺被動樁做了模型試驗(yàn)研究,試驗(yàn)過程中逐步增加離心加速度,邊坡土體在固結(jié)變形過程中與模型抗滑樁產(chǎn)生相互作用,分析了樁間土拱形成的現(xiàn)象及其破壞模式,并闡述了樁間土拱承載力與樁間凈距的關(guān)系以及抗滑樁正截面寬度與土拱效應(yīng)的非線性關(guān)系。由于受到在高速旋轉(zhuǎn)的離心模型機(jī)上進(jìn)行水位反復(fù)升降變化模擬較為困難的影響,目前尚未見有相關(guān)基于離心模型試驗(yàn)的庫區(qū)邊坡抗滑樁加固研究的文獻(xiàn)報道。本文以三峽庫區(qū)實(shí)例滑坡的加固工程為原型,利用離心模型試驗(yàn)手段,在邊坡受水位升降影響而失穩(wěn)破壞離心模型試驗(yàn)前期研究的基礎(chǔ)上,進(jìn)一步考慮了庫區(qū)邊坡蓄水和水位循環(huán)漲落條件,實(shí)現(xiàn)在離心模型試驗(yàn)過程中對水位升降的模擬,通過不同樁間距的抗滑樁加固失穩(wěn)邊坡離心模型試驗(yàn),探討該復(fù)雜水環(huán)境作用下的邊坡變形破壞模式、抗滑樁受力和滑坡推力分布特征,揭示庫區(qū)邊坡在水位循環(huán)升降條件下的樁土相互作用機(jī)制。2ctidync65–2模型基本參數(shù)本次試驗(yàn)是在英國鄧迪大學(xué)土木工程系的離心模型機(jī)(ActidynC67–2)上進(jìn)行的,該離心機(jī)基本參數(shù)包括有效旋轉(zhuǎn)直徑6.5m、最大離心加速度150g、模型箱尺寸1.0m×0.8m×0.8m。2.1樁加固離心模型離心加速度:綜合考慮離心機(jī)的容許參數(shù)和試驗(yàn)原型條件,確定本次試驗(yàn)的離心加速度為100g。離心模型:離心模型試驗(yàn)的原型選取秭歸縣木籽樹坪滑坡,根據(jù)現(xiàn)場提供的地質(zhì)和加固設(shè)計資料,在相似比1∶100條件下概化后的庫區(qū)邊坡抗滑樁加固離心模型幾何結(jié)構(gòu)如圖1所示。試驗(yàn)?zāi)Ｐ陀苫鶐r(混凝土)、土坡(由蒙脫石、細(xì)砂、有機(jī)質(zhì)和水按一定比例混合而成)和模型抗滑樁(鋁合金)組成,制作完成后的離心模型如圖2所示。水位升降控制系統(tǒng):為模擬庫區(qū)邊坡前緣的蓄水和水位循環(huán)升降過程,建立了相應(yīng)的水位變化控制系統(tǒng)。試驗(yàn)方案:為探討失穩(wěn)邊坡的抗滑樁加固機(jī)制,分別設(shè)計了幾種條件下的離心模型試驗(yàn),即自然邊坡失穩(wěn)試驗(yàn)(試驗(yàn)編號為SL10),2B,4B,6B樁間距(B為樁寬)條件下抗滑樁加固邊坡試驗(yàn)(試驗(yàn)編號分別為SL12,SL08,SL11)。水位變化控制:為實(shí)現(xiàn)對邊坡原型應(yīng)力和實(shí)際變形特征的模擬,在整個試驗(yàn)過程中,當(dāng)離心加速度達(dá)到100g,并待邊坡土體由于離心加速度的增大而固結(jié)穩(wěn)定后,再進(jìn)行相應(yīng)的水位升降變化。2.2基于ip的監(jiān)測數(shù)據(jù)分析為滿足研究分析的需要,根據(jù)試驗(yàn)方案設(shè)計,需采集的數(shù)據(jù)有水位變化、邊坡位移(水平位移和沉降)、坡體內(nèi)的孔隙水壓力、抗滑樁受力、邊坡變形的數(shù)字圖像和全過程視頻。這些數(shù)據(jù)均通過相應(yīng)的監(jiān)測設(shè)施如水壓計、微型孔隙水壓力計、應(yīng)變計、視頻跟蹤器和數(shù)碼攝像機(jī)獲得(模型箱兩側(cè)是由2塊50cm的透明有機(jī)玻璃),相應(yīng)的監(jiān)測信息均通過固定在離心機(jī)上的信號線和數(shù)據(jù)采集卡傳輸?shù)诫x心機(jī)的遠(yuǎn)程控制中心。邊坡的位移是通過基于數(shù)字圖像處理原理,面向離心模型試驗(yàn)過程開發(fā)的GeoPIV(geotechnicalparticleimagevelocimety)軟件分析實(shí)現(xiàn)。該面向?qū)ο蟮姆治鲕浖梢垣@得邊坡剖面上任意大小的單元格網(wǎng)的水平和沉降位移,還可以進(jìn)一步獲得不同時刻的位移矢量和應(yīng)變云圖。2.3續(xù)運(yùn)行時間根據(jù)試驗(yàn)設(shè)計的幾何尺寸和邊坡巖土體參數(shù),在模型箱內(nèi)制作相應(yīng)的自然邊坡和抗滑樁加固的邊坡離心試驗(yàn)?zāi)Ｐ?將模型箱固定在離心機(jī)上,安裝并檢測所有測試傳感器和視頻跟蹤系統(tǒng)。試驗(yàn)時逐漸增大離心機(jī)的轉(zhuǎn)速,待離心加速度達(dá)到100g后繼續(xù)運(yùn)行一段時間,確保邊坡土體充分完成自身的固結(jié)變形。參考三峽庫區(qū)蓄水和季節(jié)性水位漲落條件,試驗(yàn)時通過水位控制系統(tǒng)在邊坡前緣蓄水和循環(huán)升降水位,試驗(yàn)過程中反映邊坡前緣水位變化的的水壓隨時間的變化如圖3所示。根據(jù)圖3所示,將本次試驗(yàn)過程和水位循環(huán)升降控制步驟描述如下:第一步:試驗(yàn)開始到離心加速度達(dá)到100g,到達(dá)時刻(1)。第二步:保持100g離心加速度條件下,邊坡土體完成固結(jié)變形,到達(dá)時刻(2)。第三步:進(jìn)行庫區(qū)蓄水,水位自坡底上升至55mm,時刻(2)~(3)。第四步:降低水位至25mm,并不斷循環(huán)變化水位,模擬庫區(qū)水位漲落情況,時刻(3)~(4)。第五步:提高水位升降幅度,變化范圍為25~65mm,在該幅度下進(jìn)行2個循環(huán)后結(jié)束試驗(yàn),時刻(4)~(5)。3試驗(yàn)結(jié)果及分析3.1高變形樁邊坡變形特點(diǎn)取邊坡上典型4個地表位移點(diǎn)為研究對象,邊坡典型地表位移測點(diǎn)布置情況如圖4所示。根據(jù)方案設(shè)計,在前述水位變化條件下,自然邊坡失穩(wěn)離心模型試驗(yàn)典型測點(diǎn)的沉降變化如圖5所示,不同樁間距加固邊坡離心模型試驗(yàn)典型測點(diǎn)的沉降變化如圖6所示。通過圖5,6所示的典型測點(diǎn)測試結(jié)果可以看出,無論自然邊坡還是抗滑樁加固的邊坡,在離心加速度從0增大到100g的過程中,時刻0~(1)所示階段,邊坡土體首先發(fā)生了近乎線性的固結(jié)變形。由于受每次試驗(yàn)?zāi)Ｐ椭谱鲿r的誤差以及邊坡抗滑樁加固的影響,每個試驗(yàn)在該階段的沉降相對變化量有所差別,如自然狀態(tài)邊坡P01點(diǎn)為15.0mm,6B樁間距試驗(yàn)的邊坡P01點(diǎn)為9.1mm。其次,邊坡土體在離心加速度達(dá)到100g時刻固結(jié)變形并未穩(wěn)定,在保持100g離心加速度的階段,如時刻(1)~(2)所示,邊坡土體在初始階段繼續(xù)發(fā)生固結(jié)變形,并很快達(dá)到穩(wěn)定,在曲線圖上表現(xiàn)為平直線。而后,邊坡前緣開始蓄水,如時刻(2)~(3)所示,邊坡發(fā)生了較大變形,受抗滑樁加固的邊坡變形明顯小于自然狀態(tài)邊坡,但不同樁間距條件下變形亦差別顯著。邊坡前緣的SL10–P04點(diǎn)在該階段的水平位移分別為0.9,0.8,0.5,0.5mm。在時刻(3)~(5)所示階段,邊坡經(jīng)歷了多次水位循環(huán)升降的影響,其最大變形主要發(fā)生在第一水位循環(huán)條件下,在變形大小方面,受抗滑樁加固的邊坡明顯小于自然狀態(tài)邊坡。根據(jù)測試結(jié)果,由于水位升降的作用,自然邊坡、2B,4B,6B樁間距下的邊坡SL10–P02測點(diǎn)發(fā)生的累計沉降大小依次為1.83,1.27,0.80,1.62mm,而相應(yīng)的累計水平位移大小依次為1.60,1.08,0.40,1.40mm。3.2抗滑樁受力測試結(jié)果分析在樁土相互作用過程中,抗滑樁直接承受樁后土壓力和樁間土拱傳遞的滑坡推力,因此,抗滑樁的受力是研究樁土相互作用機(jī)制的一個重要參數(shù)。為獲得試驗(yàn)過程中的抗滑樁受力變化情況,在模型抗滑樁長度方向的7個斷面上設(shè)計安裝有14個微型應(yīng)變式傳感器,模型抗滑樁的應(yīng)變計布置如圖7所示。由于邊坡加固的試驗(yàn)過程受到水的影響,試驗(yàn)前抗滑樁上的微型傳感器需進(jìn)行防水處理和標(biāo)定,并通過信號線將傳感器測試數(shù)據(jù)傳輸?shù)竭h(yuǎn)程的試驗(yàn)控制中心。試驗(yàn)SL08(4B樁間距)測試得到的抗滑樁受力分布如圖8所示,抗滑樁所受滑坡推力分布可劃分為2個部分,在距離抗滑樁頂部1/4樁長處為分界線,上下2個部分均可視為三角形分布。不同樁間距條件下的抗滑樁受力變化如圖9所示。從抗滑樁的受力測試結(jié)果分析,抗滑樁從樁頂向下至土體和基巖交界面,所受滑坡推力逐漸增大。由于SL11所用的抗滑樁在防水處理方面的問題,STG07應(yīng)變計讀數(shù)出現(xiàn)了異常,現(xiàn)取位于土體和基巖交界面附近傳感器STG06為研究對象,對于不同樁間距2B,4B,6B條件下,測試得到的最大彎矩分別為5.9,15.2,10.4N·m。由此可見,4B樁間距條件下的抗滑樁受力是最大的。產(chǎn)生這一現(xiàn)象的原因可以從2個方面來分析:首先,在同一試驗(yàn)條件下,滑坡推力是相同的,不同樁間距使得等模型寬度下的抗滑樁數(shù)目不同,假設(shè)滑坡推力均由抗滑樁來承擔(dān),從力學(xué)平衡條件可以分析,隨著樁間距增大,每根抗滑樁承受的滑坡推力的應(yīng)逐漸增大(試驗(yàn)中6B樁間距的最大彎矩小于4B樁間距的情況,是因?yàn)?B樁間距加固邊坡發(fā)生了失穩(wěn),不滿足靜力平衡條件)。此外,從樁土相互作用產(chǎn)生土拱效應(yīng)角度分析,4B樁間距條件下的土拱將應(yīng)力充分傳遞到了抗滑樁上,抗滑樁在該條件下的抗滑性能得到了最充分的發(fā)揮。對于2B樁間距的情況,邊坡雖然得到了有效加固,但每根抗滑樁受力較小,其抗滑性能未得到充分發(fā)揮,在實(shí)際工程中將造成了較大的浪費(fèi)。3.3抗滑樁加固邊坡變形分析在水位升降影響下,自然邊坡變形呈現(xiàn)典型的牽引式破壞模式,邊坡前緣首先產(chǎn)生張拉裂縫,并逐漸向后緣發(fā)展,滑坡鎖固段也產(chǎn)生一系列小裂縫,通常在失穩(wěn)過程中形成多級滑面,基于GeoPIV分析得到的自然邊坡破壞模式及位移矢量如圖10所示。對于受到抗滑樁加固的邊坡,在水位升降影響下,試驗(yàn)各邊坡仍然發(fā)生了一定程度的變形,并在邊坡體上產(chǎn)生若干寬度較小的裂縫,隨著抗滑樁的直接支擋和樁后土體由于不均勻位移進(jìn)一步產(chǎn)生土拱效應(yīng)后,邊坡變形得到較好的控制。另外,由于抗滑樁施工對土體擾動的影響,在水位變化的初始階段,抗滑樁周圍土體也產(chǎn)生大小不一的裂縫,抗滑樁加固的邊坡離心模型試驗(yàn)后的照片如圖11所示。4抗滑樁加固邊坡變形特點(diǎn)通過一系列模擬庫區(qū)蓄水和水位變化的抗滑樁加固邊坡離心模型試驗(yàn),得出該試驗(yàn)條件下的結(jié)論如下:(1)針對庫區(qū)邊坡的水環(huán)境條件,以三峽庫區(qū)典型邊坡為原型,離心模型試驗(yàn)中模擬了庫區(qū)蓄水和水位循環(huán)升降,獲得了不同抗滑樁加固條件下庫區(qū)邊坡的變形特征、抗滑樁受力和邊坡破壞模式,為樁土相互作用和抗滑樁加固機(jī)制的研究提供了試驗(yàn)依據(jù)。(2)試驗(yàn)結(jié)果表明:抗滑樁受到的滑坡推力分布應(yīng)劃分為2個部分,以距離樁頂1/4樁長處為分界線,且上下2個部分均表現(xiàn)為大小不一的三角形分布特征;受抗滑樁加固的庫區(qū)邊坡在水位升降影響下仍將出現(xiàn)一定程度的變形,隨著抗滑樁的直接支擋和由于樁后土體不均勻位移產(chǎn)生土拱效應(yīng)作用后,邊坡變形逐漸得到控制。此外,抗滑樁加固邊坡的最大變形均發(fā)生在蓄水和初次水位升降作用時,這一現(xiàn)象主要原因在于樁間土遇水軟化,并導(dǎo)致土拱性能大大降低。因此,庫區(qū)蓄水和干旱條件下庫水位變化對邊坡具有較大的威脅。(3)在庫區(qū)蓄水和水位升降作用下,受抗滑樁加固的庫區(qū)邊