基于flac的抗滑樁抗震設(shè)計(jì)方法研究

基于flac的抗滑樁抗震設(shè)計(jì)方法研究

1關(guān)于樁土動力相互作用的研究山坡是山區(qū)地震災(zāi)害的主要現(xiàn)象。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前四川地震帶來的滑坡和不穩(wěn)定邊坡超過1萬多例。目前，隨著四川地震災(zāi)區(qū)重建的關(guān)鍵時期，高山斜坡（斜坡）的綜合管理工程已成為災(zāi)區(qū)重建的熱點(diǎn)和難點(diǎn)。抗滑樁是邊坡(滑坡)治理中一種主要的支護(hù)手段,廣泛應(yīng)用于滑坡治理中,取得了較好的效果,但抗滑樁設(shè)計(jì)還不是很成熟,特別是抗震設(shè)計(jì),目前主要采用擬靜力法,動力荷載采用經(jīng)驗(yàn)取值,無法反映邊坡(滑坡)的動力特性,更無法考慮樁土動力相互作用,不能解決存在多級滑面和潛在次生滑面的復(fù)雜問題,更受制于擬靜力法不能準(zhǔn)確地評價支護(hù)前后邊坡(滑坡)的穩(wěn)定系數(shù)。基于擬靜力法的抗震設(shè)計(jì)可能存在浪費(fèi),也可能給工程帶來了潛在的風(fēng)險,汶川地震調(diào)研表明,抗滑樁支護(hù)滑坡能夠提供良好的抗震作用,抗滑樁支護(hù)的滑坡整體穩(wěn)定,但抗滑樁上部滑體產(chǎn)生了較大位移,給滑坡帶來了潛在的風(fēng)險,已有的研究不能很好地解釋相應(yīng)的機(jī)制。目前的研究主要集中在承受豎向荷載的建筑樁基遭受水平地震的響應(yīng),而建筑樁基礎(chǔ)的受力變形特性與邊坡抗滑樁有較大差異,然而對承受水平荷載的邊坡抗滑樁動力響應(yīng)研究較少。文獻(xiàn)采用離心模型試驗(yàn)研究了抗滑樁在地震作用下的動力響應(yīng),文獻(xiàn)采用數(shù)值模擬分析了抗滑樁在地震作用下的動力響應(yīng),但已有的研究極少涉及抗滑樁抗震設(shè)計(jì)的研究。采用傳統(tǒng)的擬靜力法進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì)時,首先將地震力按照經(jīng)驗(yàn)簡化成水平作用力施加到滑坡上;然后采用不平衡推力法求得滑坡推力,確定樁嵌入深度、樁截面尺寸、樁間距;再采用假定推力形式的方法求抗滑樁的彎矩和剪力,一般假定推力形式為三角形或者矩形。目前已展開采用有限元強(qiáng)度折減法計(jì)算靜力工況下抗滑樁的內(nèi)力的研究,在考慮樁土相互作用的基礎(chǔ)上能確保工程設(shè)計(jì)的安全性和經(jīng)濟(jì)性。本文針對邊坡抗滑樁抗震設(shè)計(jì),采用FLAC進(jìn)行動力分析,結(jié)合強(qiáng)度折減動力分析法,對采用強(qiáng)度折減動力分析法如何應(yīng)用于抗滑樁抗震設(shè)計(jì)進(jìn)行了研究。2法測定法的強(qiáng)度偏差2.1強(qiáng)度折減及力學(xué)性能靜力下的有限元強(qiáng)度折減法是將邊坡體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)c和tan?分別折減ω,使邊坡達(dá)到極限平衡狀態(tài),此時邊坡的折減系數(shù)即為安全系數(shù)。目前該方法在靜力條件下的應(yīng)用已經(jīng)非常成熟。在FLAC中同樣可以采用強(qiáng)度折減法計(jì)算邊坡的安全系數(shù)。目前的強(qiáng)度折減法動力分析嘗試中只考慮了抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減,這與地震邊坡的破壞機(jī)制不符,實(shí)際上邊坡破壞是滑動巖土體受拉和受剪的復(fù)合破壞作用,特別是邊坡體在地震動往復(fù)運(yùn)動中,邊坡巖土體更易發(fā)生拉破壞,故邊坡地震動破壞分析除了要考慮邊坡體的剪切破壞,還要考慮邊坡體的拉破壞。為此本文在進(jìn)行強(qiáng)度折減時既考慮了抗剪強(qiáng)度參數(shù)的折減,又考慮了抗拉強(qiáng)度參數(shù)的折減:式中:c、?、σt為折減前巖土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度;ω為折減系數(shù);c′、?′、σt′為折減后巖土體黏聚力、內(nèi)摩擦角、抗拉強(qiáng)度。2.2位移突變的判據(jù)地震邊坡(滑坡)動力失穩(wěn)破壞分析時,可以從下述3個條件判斷邊坡是否破壞:一是看破裂面(拉-剪破裂面)是否貫通;二是看潛在滑體位移是否突然增大,但考慮到邊坡(滑坡)在地震作用下荷載是隨時間變化的,其位移也隨時發(fā)生變化,所以與靜力問題不同,單憑某一時刻位移發(fā)生突變不能判斷邊坡破壞,但地震作用完畢之后的最終位移發(fā)生突變,仍然可以作為破壞的判據(jù),也可以從折減系數(shù)與位移關(guān)系曲線的突變來判斷是否破壞;三是看計(jì)算中力和位移是否收斂的判據(jù)。由于動力問題的復(fù)雜性,而且在實(shí)踐中發(fā)現(xiàn):位移曲線突變點(diǎn)較多,有時很明顯,有時不是很明顯,因而必須同時采用上述三個條件,以判定邊坡(滑坡)是否發(fā)生破壞。2.3強(qiáng)度折減動力分析方法(1)在自重工況下進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì),一般要求達(dá)到規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù),直接采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行設(shè)計(jì),計(jì)算抗滑樁受到的最大設(shè)計(jì)彎矩和剪力。(2)自重+地震工況下抗滑樁設(shè)計(jì),采用強(qiáng)度折減動力分析法,將強(qiáng)度參數(shù)折減規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù),輸入符合當(dāng)?shù)氐卣鹆叶鹊牡卣鸩?求得此時抗滑樁在地震作用過程中的最大彎矩和最大剪力和地震作用完之后的彎矩和剪力,考慮到地震作用中混凝土強(qiáng)度增大至少30%,將地震作用過程中的最大彎矩與剪力除以1.3,并與地震作用完畢之后殘余彎矩和剪力進(jìn)行比較,取二者的較大值。采用強(qiáng)度折減動力分析法求抗滑樁支護(hù)后滑坡的動力安全系數(shù),要求動力穩(wěn)定系數(shù)大于規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)。(3)根據(jù)以上計(jì)算結(jié)果對樁的參數(shù)進(jìn)行調(diào)整,直到既滿足安全系數(shù)要求,又達(dá)到工程經(jīng)濟(jì)的要求。3計(jì)算總結(jié)3.1巖土體參數(shù)要求一滑坡高度為60m,存在一明顯滑帶,滑帶傾角為25°,滑帶厚度為1m,如圖1所示,滑坡巖土體參數(shù)如表1所示。擬采用抗滑樁支護(hù),滑坡安全等級為2級,重要性系數(shù)為1.0,自重工況下滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求達(dá)到1.1,自重+地震工況下滑坡穩(wěn)定安全系數(shù)要求到達(dá)1.15。計(jì)算過程中,在坡體內(nèi)選取3個關(guān)鍵點(diǎn),對計(jì)算過程中坡體的位移和速度進(jìn)行監(jiān)測,關(guān)鍵點(diǎn)的位置如圖1所示。3.2flac計(jì)算樁截面本文選取一個樁剖面采用FLAC進(jìn)行平面問題分析,采用彈塑性模型、Mohr-Coulomb強(qiáng)度準(zhǔn)則、Pile單元模擬樁,擬采用的懸臂樁長為20m,樁截面寬為1.5m、高為2.5m,樁埋入深度為7.5m,樁間距為5m。FLAC計(jì)算輸入的樁參數(shù)如表2所示。邊界條件采用自由場邊界,阻尼采用局部阻尼,阻尼系數(shù)取0.15。該滑坡所處地區(qū)地震基本烈度為Ⅷ度,計(jì)算中輸入的地震波按照最大地震加速度為0.2g(相當(dāng)于Ⅷ度基本烈度)為標(biāo)準(zhǔn)按比例進(jìn)行縮放,地震波持續(xù)時間為10s,計(jì)算輸入的地震波進(jìn)行了過濾和基線校正,地震波加速度-時程曲線如圖2所示。4抗滑樁保護(hù)和抗旱設(shè)計(jì)4.1剪力型抗滑樁自重工況下折減系數(shù)為1.15時,計(jì)算得到的彎矩和剪力如圖3、4所示,最大彎矩為4.93×104kN·m,最大剪力為1.05×104kN。采用強(qiáng)度折減動力分析法結(jié)合FLAC動力分析進(jìn)行抗震設(shè)計(jì),當(dāng)折減系數(shù)為1.1時,計(jì)算得到地震完畢之后的彎矩和剪力如圖5、6所示,最大彎矩為6.94×104kN·m,最大剪力為1.36×104kN。彎矩最大值出現(xiàn)在距離樁頂13m的樁單元,該單元附近3個單元(單元編號12~14)的moment1和剪力動力-時程如圖7、8所示。從圖中可以看出,最大彎矩和最大剪力出現(xiàn)在7.3s,此時刻抗滑樁彎矩和剪力如圖9、10所示,最大彎矩為8.7×104kN·m,最大剪力為1.668×104kN,考慮混凝土在地震作用下強(qiáng)度增大效應(yīng),將其除以1.3后,彎矩為6.69×104kN·m、剪力為1.283×104kN,并與靜力工況下彎矩和剪力、地震作用完畢之后殘余彎矩和剪力進(jìn)行比較,地震完畢后的彎矩和剪力最大,將其作為抗滑樁內(nèi)力設(shè)計(jì)值。綜合上述分析,按照強(qiáng)度折減動力分析抗震設(shè)計(jì)彎矩為6.94×104kN·m,設(shè)計(jì)剪力為1.36×104kN。4.2邊坡荷載沿邊坡高程變化采用擬靜力法進(jìn)行抗滑樁內(nèi)力計(jì)算,計(jì)算模型和動力分析計(jì)算模型相同,擬靜力地震荷載按Ⅷ度(基本烈度)地震考慮,加速度幅值取0.2g,荷載沿邊坡高程均勻分布,綜合影響系數(shù)為0.25?；峦屏Σ捎脧?qiáng)度折減法計(jì)算得到,地震工況下推力值為1737.8kN/m,假設(shè)推力分布形式為矩形,計(jì)算得到樁內(nèi)力(彎矩和剪力)如圖11、12所示,最大設(shè)計(jì)彎矩為6.35×104kN·m,最大值出現(xiàn)在距離樁頂13.33m位置處,最大設(shè)計(jì)剪力1.41×104kN,最大值出現(xiàn)在距離樁頂16.67m位置處。4.3鍵點(diǎn)點(diǎn)該算例滑坡采用抗滑樁支護(hù)后,隨著滑坡巖土體參數(shù)的降低,當(dāng)折減系數(shù)為1.16時,滑體和滑面、基巖中3個關(guān)鍵點(diǎn)(如圖1所示)位移-時間曲線保持水平,如圖13所示,說明地震作用下滑體不會越頂破壞。當(dāng)折減系數(shù)為1.17,滑體上關(guān)鍵點(diǎn)A(如圖1所示)位移-時間曲線傾斜,如圖14所示,說明地震作用下滑體越頂破壞,綜合以上分析,可以認(rèn)為,支護(hù)后滑坡樁頂滑體動力安全系數(shù)為1.16,不會發(fā)生越頂破壞,達(dá)到規(guī)范規(guī)定的穩(wěn)定安全系數(shù)。5抗滑樁抗震設(shè)計(jì)目前,抗滑樁設(shè)計(jì)主要采用不平衡推力法計(jì)算推力,然后假定推力分布形式計(jì)算,采用結(jié)構(gòu)分析計(jì)算抗滑樁的內(nèi)力,抗震設(shè)計(jì)時采用的擬靜力法是在此基礎(chǔ)上加上水平地震力,而且水平地震力是根據(jù)經(jīng)驗(yàn)得到的。5.1推力的變化擬靜力方法只能假定為三角形、矩形、梯型3種分布型式,強(qiáng)度折減動力分析法可以計(jì)算得到實(shí)際的推力分布形式。地震作用過程中,推力一直處于變化過程中,但推力分布型式基本上不會隨之變化,計(jì)算得到的數(shù)值和矩形分布得到的數(shù)值比較接近,如表3所示。從表中可以看出,采用強(qiáng)度折減動力分析法計(jì)算得到的抗滑樁的彎矩均大于擬靜力法計(jì)算的結(jié)果,說明采用傳統(tǒng)的擬靜力法進(jìn)行抗滑樁抗震設(shè)計(jì)會偏于危險,而強(qiáng)度折減動力分析法計(jì)算的彎矩和剪力,考慮了滑體在地震作用下變形。5.2計(jì)算結(jié)果分析將設(shè)計(jì)彎矩作為計(jì)算結(jié)果進(jìn)行分析,保持算例邊坡中樁位不變,樁截面寬為1.5m、高為2.5m,樁埋入深度為7.5m,不同樁間距下計(jì)算結(jié)果如表4所示。從表4中可以看出,隨著樁間距的增大,彎矩也隨之增大,可以根據(jù)具體情況進(jìn)行確定,本算例選擇的樁間距5m是合適的。不同埋入深度下計(jì)算結(jié)果如表5所示。從表中可以看出:樁的埋入深度太小,動力作用下抗滑樁支護(hù)滑坡動力破壞,不滿足要求,本文算例選擇的埋深為(h為樁長)繼續(xù)增大埋深,樁的彎矩變化不大,可見過大的埋深不是必須的,故本文算例選擇的埋深是合適的。6抗滑樁抗震設(shè)計(jì)可行性(1)本文提出采用強(qiáng)度折減動力分析法進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì),將地震作用過程中樁內(nèi)力峰值除以混凝土強(qiáng)度增大系數(shù)1.3與地震作用完畢之后樁的內(nèi)力值進(jìn)行比較,以二者中大值作為樁的抗震設(shè)計(jì)內(nèi)力值,并得到推力分布形式,同時還要求樁支護(hù)后邊坡動力安全系數(shù)大于設(shè)計(jì)容許