碎石桩加固土质边坡的机理及稳定性评价

杨石扣 任旭华 张继勋

(河海大学水利水电学院,南京 210098)

碎石桩是软土地基加固处理的常用措施,国内外对碎石桩的研究较多,Balaam&Booker[1]考虑碎石桩的屈服分析了基础沉降;Poorooshasb&Meyerhof[2]较为全面地分析了端承碎石桩的加固效果,并且分析了桩距、地基软土性质、碎石桩材料性质、施工扰动以及基岩相对深度等因素的影响;Ambily& Gandhi[3]也采用实验和有限元的方法分析了碎石桩单桩和群桩的加固效果;Zhang Ling等[4]考虑碎石桩的固结作用,分析了复合地基承载力随时间的变化情况.但是对于碎石桩加固土质边坡的研究却不多见,主要是采取现场试验的方法,王保田等[5]采用现场试验研究了大粒径碎石桩的抗剪性能,分析了影响抗剪强度指标的因素,王盛源等[6]对碎石桩及其复合体进行了大型剪切试验,获得了复合地基的强度指标.

碎石桩与土之间的相互作用分析是一个难点,如果再考虑成桩后的固结排水、土体强度增加以及桩体对边坡的抗剪作用,边坡稳定分析将变得更加复杂,传统的刚体极限平衡理论不能考虑这些因素的影响,无法得到满意的结果.

本文借助FLAC3D软件,针对云南省华电镇雄电厂边坡工程的碎石桩加固处理,分析碎石桩的加固机理,并详细分析了边坡的碎石桩加固过程与填土过程,评价了不同状态下的边坡稳定安全状况,通过坡体应力、位移对比,定量分析了碎石桩的加固效果,并采用基于强度折减法的结点位移法评估了边坡的稳定安全系数.

1 计算原理及计算方法

1.1 强度折减法的基本原理[7]

强度折减法的基本原理是通过将坡体强度参数c、φ值同时除以一个折减系数F,如式(1)所示,得到一组新的c′、φ′值,并作为新的参数输入,再进行试算,当坡体刚好达到临界破坏状态时的折减系数就是边坡的安全系数,同时可得到坡体的失稳破坏滑动面,本文将安全系数1.0作为边坡稳定的临界值.

1.2 失稳判据及本构模型

目前,对于边坡的失稳判据还没有形成统一的意见.栾茂田等[8]把滑面上塑性区贯通作为整体失稳的判据,连镇营等[9]以边坡体内某一幅值的广义剪应变从边坡底部下方向坡顶上方贯通作为整体失稳的标志,郑颖人等[10]以滑面上每点的应变达到极限应变作为整体失稳的判据,具体是通过滑面上某些特殊点的塑性应变或位移突变作为标志,或者将数值计算是否收敛作为边坡失稳的判据.不同的破坏判据,计算的结果各不相同.本文采用基于强度折减法的结点位移法[10-11],结合剪应变增量云图以及计算的收敛性来综合评判镇雄边坡的稳定性,结点位移法认为边坡潜在滑动面上某些关键点的应变达到了极限应变时发生破坏,比较符合边坡滑动失稳的实际情况.

本文采用FLAC3D自带的本构模型,在初始应力场的形成、碎石桩成桩、排水以及填土施工时采用的线弹性本构模型,在稳定性评价时采用带抗拉强度的Mohr-Coulomb(MC)破坏准则,该准则是传统的MC剪切屈服破坏准则和拉破坏准则相结合的复合破坏准则[12],如式(2)、(3)所示.碎石桩的加固模拟采用FLAC3D内置的Pile结构单元,通过设置结构单元的接触属性来模拟桩土之间的相互作用.对于固结排水问题,运用FLAC3D的流固耦合模块进行模拟,采用各向同性渗流模型.

Mohr-Coulomb屈服函数和拉破坏函数分别为

2 工程概况

镇雄边坡公路场地土主要由第四系坡洪积型、残积型粘性土、碎石以及下伏二叠系上统龙潭组的砂岩、泥岩夹少量煤层组成,基岩埋藏深度0～25 m之间,如图1所示.现场查勘时在临时进场公路上下游均有明显的地下水出露,可以判断人工填土以下的坡体基本饱和,土体组成物质力学指标较低,加之地下水的作用,在填土前已处于极限稳定状态,坡顶填土加荷后,导致坡体平衡失稳下滑.而坡体地形相对较缓,主要表现为蠕滑变形,后缘出现圆弧形拉裂缝,根据目前的现场调查,边坡滑动表现为多级多层滑动.

考虑到工程的地质条件、经济条件以及施工条件,设计时主要从增强边坡自身稳定能力的角度考虑,通过提高土体自身的力学性质,将抗剪强度较低的土体替换为强度较高的碎石.具体采用碾压堆石压坡方案,此方案的特点是边坡加固以回填堆石压坡增稳为主,局部辅以振冲碎石桩置换,如图2所示,共设置3排碎石桩,每排的宽度分别为10 m,12m,10 m,碎石桩直径为1.0m,横向和纵向间距均为1.5m.

图1 边坡典型剖面图

图2 碎石桩加固及填土示意图

3 计算模型及计算参数

3.1 计算模型与边界条件

模型的边界范围直接影响计算结果的精确性.三维模型计算范围在X、Y两个方向尺寸分别为245.0 m、10.5 m,模型底部取到下层基岩,高程为1502.0 m.采用四面体单元,共剖分单元17708个,节点4105个,结构单元共1 022个,结构节点1176个.模型四周采用链杆约束,底部采用固定端约束.离散网格模型如图3所示.

图3 FLAC3D计算网格图

3.2 计算参数

根据河北电力勘测设计研究院和云南省电力设计院现场试验提供的部分参数,并通过与中国水电顾问集团昆明勘测设计研究院将坡体概化后的参数反分析结果进行对比,选定物理力学参数见表1,括号中为饱和状态下的取值,括号中的强指的是强风化,中指的是中风化,f为土与挡土墙基底的摩擦系数.根据室内试验成果,考虑到收敛的速度,在不影响稳定性评价结果的基础上,根据材料的差异性以及相似性,将渗流参数分为5组,见表2.

表1 边坡材料的物理力学参数

表2 渗流计算参数

4 碎石桩加固过程模拟及结果分析

4.1 施工扰动状态下的边坡稳态

运用FLAC3D,对初始施工扰动状态下的边坡行进模拟.图4(a)为边坡水平位移云图,坡体沿软弱土层滑移,其中中部变形较大,最大位移达到了33.695 cm.图4(b)显示,边坡已经出现了剪切滑带,在边坡与基岩的交接部位剪应变增量最大,该部位对整个边坡的稳定性起到了关键性的作用.采用强度折减法计算,施工扰动状态下的边坡稳定安全系数为1.025,说明由于施工扰动,边坡已经处于极限状态,需要进行加固处理.

4.2 碎石桩置换及排水处理

图5为采用碎石桩置换以及排水处理后边坡的水平位移云图和剪应变增量云图.与图4相比,可以看出用碎石桩加固后,边坡的水平位移大幅度降低,最大水平位移由扰动状态的中部向上部转移,并且最大位移只有8.8378 cm,减小了73.8%.剪应变增量云图也发生了重大的变化,最大剪应变增量只有0.006895,降低了76.9%,剪切滑带也从基岩交接处的夹层逐渐向上部转移.说明碎石桩的加固效果较为明显,加快土体固结排水,降低地下水位,减小孔隙水压力,提高土体的抗剪强度.采用强度折减法计算后,边坡的整体安全系数达1.85,边坡的稳定性较好.

4.3 碎石回填及回填土填筑

由于厂区交通的需要,需要修建道路,设计采用碎石回填和回填土的方法.考虑到施工的先后顺序,先进行挡土墙的施工,接着是回填碎石,最后再回填土.图6为填土后边坡的水平位移云图和剪应变增量云图.可以看出,填土后边坡的水平位移主要集中在碎石与回填土交接的部位,最大的水平位移达到了10.406cm,与初始施工扰动状态下的最大水平位移相比,整体上边坡的水平位移较小.由图6(b)可以看出坡体内部还没有形成贯通的剪切滑带,剪应变增量最大的部位出现在坡体的上部,上部剪切滑带与填土前的剪切滑带相类似,到第一排碎石桩附近停止,在挡土墙与地基的交接处出现少量的剪应变增量集中区.采用强度折减法计算后,边坡的稳定安全系数为1.40～1.55,边坡基本处于稳定状态,加固效果较好.

5 边坡稳定性评价

计算先采用等比例折减,然后根据折减系数-结点水平位移关系曲线,采取局部加密的方法再进行折减,最后按结点位移法、剪应变增量云图以及计算的收敛性来综合判断坡体的稳定性.

对于施工扰动状态下和碎石桩加固后的边坡,在滑动面的坡顶、坡中和坡脚各取一点,分别绘制这3点的位移随折减系数的变化图,如图7所示,起初随着折减系数的增大,水平位移逐渐增大,呈线性变化,当达到破坏状态后,节点的水平位移产生了突变,如果FLAC3D程序继续迭代下去,该节点的水平位移和塑性应变还将继续无限发展下去,无法达到收敛条件,故而得到施工扰动状态下和碎石桩加固后该剖面的安全系数分别为1.025、1.85.

在填土后的边坡上布置一系列监测点(见图8),以记录每个折减系数下监测点的水平位移以及比较各点的安全系数.从图9(a)可以看出,折减系数为1.5～1.6时,结点1、2、3、4的水平位移由缓慢增长阶段进入急剧增大阶段,结点5、6、7、8、9、10的增加则相对较慢,表明由结点1至10坡体的稳定性逐渐增加,在上表面,结点1附近是稳定性最差的部位.对于坡脚附近的稳定性,由图9(b)可知,折减系数为1.40～1.55时,水平位移的增长速度开始加快,稳定性较上表面差.图9(c)、(d)表明坡体内部的稳定性也相差较大,越接近坡体的边缘,边坡的结点安全系数越小,在结点19、20间水平位移的增长速度差别较为明显,结合图6,说明坡体很有可能沿着结点19与20间的软弱夹层滑动.

6 结 论

本文根据实际地质资料建立三维数值分析模型,通过不同状态下坡体应力、位移对比,定量分析了碎石桩加固措施的效果.基于强度折减法,采用结点位移法评价边坡的稳定安全状况.通过以上的计算分析,可以得到如下结论:

(1)该边坡的工程地质条件复杂,地下水位比较高,具有较多软弱结构面,材料的力学参数较低,在施工扰动的情况下,较易产生多级多层的蠕滑.因此,应该加强排水,降低地下水位,提高土体的力学参数,提高边坡的稳定性.

(2)采用碎石桩加固并进行排水后,提高了土体材料的力学性质,减小了孔隙水压力,边坡的受力得到了较大的改善,变形得到了控制,边坡的稳定性较好.因而,碎石桩加固软土质边坡的成功应用对类似的工程建设具有重要的指导意义.

(3)基于强度折减法,采用结点位移法较好地反映了坡体的整体稳定效果,并且能够反映边坡的渐进变化过程.加固后边坡的稳定安全系数为1.40～1.55,边坡的稳定性基本满足要求.

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[12]Itasca Consulting Group Inc.FLAC3D(Fast Lagrangian Analysis of Continua in 3 Dimensions),user′s manual, version 2.1[R].Minneapolis,Minnesota,USA:Itasca Consulting Group Inc.,2003.