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“树根桩 +化学灌浆”技术在边坡加固中的数值分析

摘 要:“树根桩 +化学灌浆”加固边坡是树根桩与化学灌浆两种边坡加固技术的有机结合。树根桩对边坡土体产生抗滑和锚固作用,而化学灌浆能有效地提高边坡土体的抗剪强度。传统极限平衡方法分析“树根桩 +化学灌浆”加固边坡的稳定性,因存在诸多假设 ,评价结果准确性不高。根据“树根桩 +化学灌浆”加固边坡的工作机理,在现场测试浆土复合体抗剪强度 的基础上,采用有限元强度折减法对“树根桩 +化学灌浆”新技术加固边坡的效果进行模拟,结果表明:采用有限元强度折减法 。能有效计算出“树根桩 +化学灌浆”加固边坡的安全系数和极限状态滑动面,而且从计算出的安全系数和现场情况还表明,“树根桩 +化学灌浆”技术可以运用于复杂边坡的加固和修复。 
  关键词:树根桩 化学灌浆  现场原位抗剪试验  安全系数 有限元强度折减法

NUMERIC ANALYSlS OF SLOPE STABILIZED BY ROOT PILES AND CHEMICAL GROUTING
Liu Mingwei
(Chongqing Jiaotong University  Chongqing 400074)
Zheng Yingren  Zhao Shangyi
(Department of Military Civil Engineering,Logistical Engineering University  Chongqing 400041)
Abstract:Root piles and chemical grouting are the combination of two reinforcing slope methods.Root piles offer anti—slide and anchor function for slope,and chemical grouting can improve soil shear strength efficiently.If the traditional limit balance is used to analyze the slope stabilized by root piles and chemical grouting,the evaluation result will not be accurate. According to the mechanism of root piles and chemical grouting to reinforce a slope,and the shear strength parameters of the composite of grouting and soil obtained by field test,a slope is simulated to analyze stability by strength reduction of FEM. The results show that strength reduction of FEM can not only reflect the mechanism of root piles and chemical grouting but also obtain safety factor and glide surface,hence adopting root piles and chemical grouting to reinforce and rehabilitate a slope is feasible. 
Keywords:root piles  chemical grouting  field shear test  safety factor  strenffth reduction of FEM

0  引  言 
  “树根桩 +化学灌浆”是树根桩与化学灌浆两种边坡加固技术的有机结合。树根桩通 常由多根 (一般 3~5根)直径不大(20cm左右)的直桩或斜桩组成 ,在空间按一定方式布设,能为土体提供强有力的支撑骨架 ,对边坡土体产生抗滑和锚固作用;而化学灌浆能加速土体固结,封堵土体裂缝,提高土体密实度,浆液固结后的立体网状浆脉将松散的土体连接成整体,有效提高被加固土体的抗剪强度,达到稳定边坡的作用。采用“树根桩 +化学灌浆”技术具有所需场地较小 、设备简单、施工灵活、快速等优点,特别是在边坡已经发生滑动或处于极限状态,采用抗滑桩等工艺施工具有较大危险时,应用“树根桩 +化学灌浆”技术基本可以做到无损修复,具有安全、快速、有效的突出特点。
  树根桩的设计计算是一个十分复杂的问题 ,直到今天,仍未找到很好考虑各种影响因素的理论设计方法,文献 [1,2]提出了树根桩及边坡加固的计算方法 ,但很难:考虑压顶梁及树 根桩对整个边坡的影响,评价结果准确性不高。对化学灌浆加固边坡效果的评价,总体来说,在控制浆液材料和配比以及灌浆压力的同时,还应以现场原位测试结果为主。本文采用现场原位抗剪试验,求出边坡滑裂面土体在化学灌浆后浆土复合体抗剪强度值的基础上,采用有限元强度折减法,对“树根桩 +化学灌浆”加固边坡进行模拟。计算出边坡加固后的安全系数和滑动面,结果表明,采用有限元强度折减法,能有效计算出“树根桩+化学灌浆”技术加固边坡的安全系数和极限状态滑动面,从计算出的安全系数与现场情况对比表明,“树根桩+化学灌浆”新技术可以运用于复杂边坡的加固,具有推广意义。 
1 浆土原位抗剪试验 
1.1 工程概况 
  广西某高速公路 K16+958~K17+178段穿越平缓丘陵地段,开挖山体后 1:1放坡 ,坡面南倾,右幅削坡高约18.0m,边坡开挖后由于在雨水冲刷、渗透作用下沿公路走向出现 150m长裂缝,并有向下滑移趋势。根据原有地勘资料,场地由上至下主要分布有第四系黏土夹碎石层、全强风化泥岩、泥质砂岩及弱风化砂 质泥岩。为确保高速公路边坡安全,建设单位委托设计单位对该边坡进行加固处理。 
1.2 加固设计方案 
  依据该路段岩土特征及开挖边坡情况,并且考虑到边坡 已经开始滑移,采用分层抗滑桩等结构存在施工难度大,危险性高的特点,决定在原边坡防护结构 的基础上 ,采用树根桩+化学灌浆加固边坡。在病害边坡 2~4平台上各布置一排树根桩,树根桩孔径为 (φ120,桩长一般为 6~12m,桩孔作为灌浆孔,桩组间距为 3m;桩孔中置一根 (φ25螺纹钢筋,采用水灰比为0.354~0.40的“水泥特浓浆”灌注成桩,浆液固结体抗压强度不小于50MPa,其中第2个平台共 69组 ,第3平台约47组,第 4平台约50组,每组 5个孔,第 4平台的全部树根桩用截面为 300mm X 300mm的 C25钢筋混凝土梁连接成一整体。在第3、4平台的坡面及第2、第4平台上以3~4m的间距设置φ60灌浆孔,深度 3~5m,浆液配比为水:水泥:专用化学灌浆浆材 =0.7:1:0.25~0.35,浆液凝固时间控制在30~60s内 ,灌浆压力不大于 0.3MPa。具体布置如图 1。


图1 树根桩+化学灌浆边固边坡模型

1.3 试件制备及试验方法 
  选定试验场地后,在现场人工开槽制样成约50cm X 50cm X 40cm试体。试验采用平推试验方法如图2,竖向和切向应力加载设备选用分离式专用液压千斤顶,并配相应的标准压力表 (量程为 0~25MPa),位移测表选用量程为0~30mm,精度为 1%的百分表。试验荷载的施加按《水利水电工程岩石试验规程》(SL 264—2001)实施。试验以位移大幅度变化或水平荷载无法增加作为试件破坏的标准。




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1一砂浆 ;2一钢板 ;3一工字钢 ;4一滚轴排 ;5一千斤顶 ;
6一标点;7一水平测表;8一垂直测表;9一剪切面;
10一锚杆 ;11一液压油泵 ;12一压力测表 ;13一钢模板
图 2 现场原位抗剪试验系统


1.4 试验结果分析 
  确定试验两组,一组为天然状态下浆土复合体,一组为与原边坡土体性状一致的天然状况下残坡积土,每组5点。但试验结果两组中各有一点抗剪强度明显偏大,甚至高出几倍,挖开后发现该试点底部刚好与一岩块相连,试验结果偏大,不具有代表性,故在成果整理中将其舍弃。将试验成果整理后,得天然状态原状土和浆土复合体的试验结果如图3~图 6,试验结果见表1。

表1   现场原位直剪试验成果表
        组别
固结排水抗剪强度指标

     ψ/(°)
       c/kPa

      原壮土
              18.39
        23

         浆体复合体
             25.66
        43



  从表 1可知,原状土(CD试验)的峰值抗剪强度指标为:c=23kPa、ψ=18.39°,而化学灌浆后浆土复合体的峰值抗剪强度结果为:c=43kPa、ψ= 25.66°。由此可见,经化学灌浆后,土的抗剪强度指标有明显的提高,黏聚力C提高较大,达到原值的1.9倍以上,内摩擦角ψ达到原值的 1.4倍。 
  综合现场试验状况,深部开挖难度较大,如能再往下开挖选取试点,化学灌浆的浆脉将更加丰富和均匀,试验所得抗剪强度将会有所提高。 
2 有限元强度折减法



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1—1号测点 σ=38.6kPa;2—2号测点σ=77.2kPa; 
3—3号测 点σ=89.7kPa;4—4号测点σ=137.3kPa 
图3 
剪应力及剪切位移关系(天然状态原状土)


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回归方程:τ=0.332 2σ+0.022 8 
图4  峰值抗剪强度曲线(天然状态原状土 ) 

 

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1—1号测点σ=87kPa;2—2号测点σ=115.9kPa; 
3—3号测点σ=116.7kPa;4—4号测点σ=176.1kPa 
图5 
剪应力及剪切位移关系 (浆土复合体) 



 
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回归方程 :r=0.480 1σ+0.042 5 
图6 峰值抗剪强度曲线(浆土复合体)
2.1 基本原理 
  在弹塑性有限元静力计算中,通过不断降低坡体和滑动面的强度(黏聚力 c和内摩擦角ψ),使系统达到不稳定状态,即有限元静力计算不收敛 ,此时的强度折减系数 就是边坡稳定安全系数。 
  在计算过程中将坡体和滑动面的强度参数(黏聚力c和内摩擦角ψ )逐步折减,即按公式c′=arctan(tanψ/F)将折减后所得参数作为输入,进行有限元计算,若程序收敛,则边坡仍处于稳定状态,继续折减,直到不收敛为止,此时土体出现大幅度塑性滑移,边坡最终的折减系数即为边坡的稳定安全系数。 
2.2 本构模型与屈服准则 
  由于边坡失稳只涉及力与强度问题,工程分析中通常采用理想弹塑性本构模型就已足够,但它对屈服准则有严格要求。 
  有限元软件 ANSYS提供了适合岩土类材料的屈服准则,即 Drucker-Prager屈服准 则,其屈服函数为: 

      (1)
  式中,I1、J2分别为应力张量的第一不变量和应力偏张量的第二不变量;a、k是与岩土材料内摩擦角ψ和黏聚力 c有关的常数。通过变换式(1)中的a、k表达式就可以在有限元 中实现不同的屈服准则。值得指出的是,ANSYS提供的屈服准则为 Drucker-Prager外接圆 (DP1)准则,计算结果往往偏大[4,5]。本文采用的屈服准则是平面应变条件下 Mohr-Coulomb准则精确相匹配的Drucker-Prager准则(DP4),该准则计算边坡稳定安全系数有非常高的精 度,其在π平面上表现为圆,它是Mohr—Coulomb准则在平面应变下的特殊形式[6,7]:
  采用关联流动准则时: 

       



   采用非关联流动准则且膨胀角为 0时 : 
          




  本文采用关联流动法则,此时外接圆 D—P准则(关联流动法则 )条件下的安全系数 w1,与平面应变莫尔一库仑匹配 D—P准则(关联流动法则)条件下的安全系数w2可以通过如下关系式转换: 


3 算 例 
3.1 计算模型
  模型边坡断面如图l。根据现场原位直剪试验,并结合原有地质勘探资料和临近边坡的地质勘探资料,计算采用的材料物理力学参数见表2。 
表 2   材料物理力学参数
材料名称
饱和重度/
(kN·m -3)
弹性模量/
MPa
泊松比
内聚力/
kPa
内摩擦角/
(°)

第四系黏土夹碎石层
20
80
0.4
15
16.5

全~强风化泥岩、泥质砂岩
21
200
0.3
27
25

弱风化砂质泥岩
22
1500
0.2
100
28

C25混凝土
24
29×10 3
0.2按线弹性材料处理



3.2 有限元模型的建立 
  计算采用有限元计算程序 ANSYS-5.61进行,按照平面应变问题处理。树根桩采用梁单元 BEAM3模拟,岩土材料用6节点三角形平面单元 PLANE2模拟,化学灌浆效果采用将灌浆区域土体强度参数按试验测得的结果来模拟。网格划分如图 7,单元总数 5 977,节点数 12 109。边界条件:底部固定,左右两侧水平约束,上部为自由边界。 

  

 
图7 有限元网格划分

3.3有限元强度折减法稳定分析结果 
  采用有限元强度折减法,对天然边坡岩土体强度参数进行折减,使其达到整体极限破坏状态,此时得到边坡未采用树根桩+化学灌浆加固时的稳定安全系数为 0.97,边坡对应的滑动面如图 8,边坡失稳时节点位移矢量图如图9,滑动破坏出现在第二个台阶上。 



  对于采用树根桩十灌浆后的稳定分析,本文计算采用将灌浆区域内土体强度参数提高。根据灌浆前后土体强度参数试验结果 ,经化学灌浆后,土的抗剪强度有了明显的提高,黏聚力 c提高较大,达到原值的 1.9倍以上,内摩擦角ψ达到原值的1.4倍。因此本文有限元计算中,灌浆后的岩土体参数黏聚力 c按提高 1.9倍,内摩擦角ψ提高到原值的 1.4 倍计算。 
  采用有限元强度折减法计算时,对灌浆加固区域和非灌浆区域的土体强度参数同时进行折减,直到极限状态,此时得到采用树根桩+化学灌浆加固后的边坡稳定安全系数为 1.27,对应的滑动而形状如图10,边坡失稳时节点位移矢量如图 11。



  计算表明,采用树根桩 +化学灌浆后边坡的稳定安全系数得到提高,满足工程要求,说明采用树根桩+化学灌浆的支挡形式是可行的。 
4  结  论 
  1)采用现场原位抗剪试验 ,获得了树根桩+化学灌浆加固边坡后土体与浆脉复合体的抗剪强度参数值。从试验结果可知,采用化学灌浆后土体与浆脉复合体的抗剪强度有较大提高,但内摩擦角与黏聚力 C的提高程度不一样。 
  2)采用有限元法对树根桩+化学灌浆进行数值模拟。计算结果表明,采用有限元强度折减法能反映树根桩+化学灌浆加固边坡的机理和效果,克服了传统方法的诸多假设,是复杂边坡加固分析的有效方法。算例边坡的稳定性计算结果还说明采用树根桩 +化学灌浆进行边坡加固是可行的,特别是进行修复性加固。 
  3)文中对化学灌浆后浆土复合材料的抗剪强度参数进行了现场原位抗剪试验,得出了一些有益结论。如能在不同地域 、不同土质中开展此类试验并进行专项研究,将为树根桩+化学灌浆防护系统加固边坡的效果提供更准确的依据。



参考文献 

1  Cantoni R,Collotta T,Ghionna V N,et a1.A Design Method for Reticulated Micropiles Structure in sliding Slope.Ground Engineefing,1989,22(1—8):41—47
2 孙少锐.树根桩加固边坡的稳定性分析与评价:[硕士学位论文].南京:河海大学,2001 
3  SL 264—2001  水利水电工程岩石试验规程 
4 赵尚毅,郑颖人,时卫民,等.用有限元强度折减法求滑坡稳定安全系数.岩土工程学报,2002(3):343—346 
5 赵尚毅,郑颖人,邓卫东.用有限元强度折减法进行岩质滑坡稳定性分析.岩石力学与工程学报,2003,22(2):254—260 
6 郑颖人,赵尚毅,邓卫东.岩质滑坡破坏机制有限元模拟分析.岩石力学与工程学报,2003,22(12):1 943—1 953 
7 郑颖人,沈珠江,龚晓南.广义塑性力学 一岩土塑性力学原理.北京;中国建筑工业出版社,2002
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