缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究_陈权川.pdf

总第3 1 6期交 通 科 技S e r i a lN o.3 1 6 2 0 2 3第1期T r a n s p o r t a t i o nS c i e n c e&T e c h n o l o g yN o.1F e b.2 0 2 3D O I 1 0.3 9 6 3/j.i s s n.1 6 7 1-7 5 7 0.2 0 2 3.0 1.0 0 7收稿日期:2 0 2 2-0 8-1 0第一作者:陈权川(1 9 9 5-),男,工程师,硕士。通信作者:朱爱军(1 9 7 5-),男,高级工程师,博士。缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究陈权川1 陈 海1 李 兰2 朱爱军3 张剑锋1(1.贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司 贵阳 5 5 0 0 8 1;2.息烽县农业农村局 贵阳 5 5 1 1 0 0 3.贵阳建筑勘察设计有限公司 贵阳 5 5 0 0 0 9)摘 要 为揭示抗滑键在含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡中的承载性能与破坏模式,基于有限元软件,考虑抗滑键为塑性损伤模型,开展分级荷载下抗滑键加固含软弱夹层边坡三维数值模型试验,研究抗滑键工作时的变形特性、应力分布特征及损伤过程,并讨论抗滑键承载性能的优化措施。结果表明,抗滑键工作时以受剪为主,当混凝土等级和配筋率一定时,其极限承载力受控于自身截面面积;不同长径比抗滑键破坏模式有所不同,当长径比为4,2.6 7时,抗滑键在滑面处被剪断,当长径比为2,1.3 3时,抗滑键被推倒;针对抗滑键被剪断时的情况,其承载能力大小主要取决于混凝土等级。关键词 缓倾顺层边坡 抗滑键 破坏模式 承载性能 塑性损伤中图分类号 U 4 1 6.1+4 TU 4 7 3.1 U 4 1 6.1 含软弱夹层缓倾顺层岩质边坡是贵州地区常见的边坡类型1-2,对于该类边坡的防护,通常会采用悬 臂 式 抗 滑 桩3、锚 拉 桩4、埋 入 式 抗 滑桩5、抗滑短桩6(也称沉埋桩7)进行支挡。随着抗滑桩的改进,桩身弯矩分布得到了一定的改良,但圬工量却未得到显著改善,工程经济问题仍然突出。当缓倾顺层滑坡的滑动只受单一的软弱夹层控制时,抗滑桩的受力与传统认识中桩的受力是不一样的,特别是坡后埋入式抗滑桩,由于岩体的刚度及对桩体的约束作用,抗滑桩应以软弱夹层附近的受剪为主,因此可以将桩进行缩短优化形成抗滑键,只需要对软弱夹层进行控制即可。抗滑键因其具有刚度大、扰动小、设置位置灵活等优点 已被用于部 分顺层岩质 边坡的支护 治理中8-1 0,但其设计水平却过于依赖工程师的主观经验,工程应用仍处于探索阶段。目前,对抗滑键的承载性能、破坏模式等方面的研究罕见报道,尚未形成合理的设计理念。鉴于此,本文基于有限元软件开展抗滑键加固含软弱夹层边坡的数值模型试验,探讨抗滑键从加载到破坏过程中的变形特征、塑性损伤特征,以及钢筋应力水平的演变规律,以揭示抗滑键的承载失效模式。1 模型试验设计本次试验以典型含软弱夹层边坡为地质模型,简化得边坡-抗滑键试验模型,力学模型几何结构示意见图1。图1 力学模型几何结构示意图(单位:m)试验模型由软弱夹层、基岩和抗滑键组成。为便于在上覆岩体后缘施加沿软弱夹层向下的推力,建模时将上覆岩体后缘设置为与软弱夹层垂直。2 有限元模型建立2.1 计算模型的建立由于抗滑键的存在,本次模拟不能将边坡模型简单地视为平面应变问题,为了提高模型的计算效率,根据对称性取单根抗滑键及其支护范围进行分析,即图1 a)中阴影部分,建立三维有限元模型,边坡网格划分图见图2。考虑到模型网格划分方式对计算精度有着较大影响,网格划分时对软弱夹层和抗滑键周围区域进行了局部加密,且适当增大远处网格尺寸,抗滑键与地质体网格单元体 均 为 结 构 化 线 性 六 面 体,单 元 类 型 为C 3 D 8 R缩减积分单元,由于模型较大,计算时需考虑地应力的影响。图2 边坡网格划分图抗滑键按最大配筋率配筋,即1%,纵筋直径3 2mm,共2 2根,箍筋也采用等间距布置,直径1 2mm、间距1 5 0mm,保护层厚度取4 0mm。抗滑键一般用于岩体完整性较好且有明显滑动面的顺层岩质滑坡中,由于滑体和滑床力学性质较好,故在滑面处插入一短桩形成键销以稳固边坡,其工作机理是利用抗滑键的抗剪切能力平衡滑坡推力。为探究不同长度抗滑键的承载特性,最终选取KH J-14共4种钢筋混凝土抗滑键进行研究,抗滑键尺寸说明见表1。表1 抗滑键尺寸说明参数KH J-1KH J-2KH J-3KH J-4长度/m6432直径/m1.51.51.51.5嵌固段长度/m321.51悬臂段长度/m321.51长径比42.6 721.3 32.2 本构模型及力学参数岩体和软弱夹层采用M o h r-C o u l o m b模型。鉴于本文研究重点为抗滑键的损伤破坏特征和承载特性,必须考虑抗滑键(钢筋混凝土构件)自身的破坏行为,因此对抗滑键(C 3 0混凝土)赋予塑性损伤模型,钢筋(HR B 4 0 0热轧钢筋)赋予P l a s-t i c i t y模型。材料参数见表2。表2 材料参数参数岩体软弱夹层C 3 0混凝土HR B 4 0 0密度/(k gm-3)26 0 018 0 024 0 078 0 0弹性模量/MP a7.01 033.21 03.01 042.01 05泊松比0.2 50.3 00.20.3黏聚力/k P a3 0 01 4内摩擦角/()3 5.01 2抗压强度fc k/MP a2 0.1抗拉强度ft k/MP a2.0 1屈服强度fy k/MP a4 0 0极限强度fs t k/MP a5 4 02.3 钢筋与混凝土之间的相互作用为更好地分析抗滑键的损伤破坏过程,抗滑键中的混凝土和钢筋分别采用C 3 D 8 R实体单元和T 3 D 2桁架单元建立,钢筋混凝土抗滑键模型见图3,钢筋与混凝土之间的相互作用采取软件自带的内置区域(e m b e d e d)技术进行自由度耦合。图3 钢筋混凝土抗滑键模型(以KH J-2为例)2.4 抗滑键与岩体的接触抗滑键与周围岩土体的相互作用定义为接触,切向行为的摩擦属性选为P e n a l t y,摩擦系数为t a n(0.7 5),其中为抗滑键周围岩体的内摩擦角,法向行为指定为硬接触,离散化方法选用表面-表面接触。2.5 边界条件位移边界条件。边坡底部边界采取了固定约束,左侧边界(X=0)、右侧边界(X=5 0)约束X方向位移、前侧边界(Y=0)、后侧边界(Y=4.0)约束Y方向位移,坡体表面为自由边界。计算模型边界条件示意图见图4。图4 计算模型边界条件示意图03陈权川等:缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究2 0 2 3年第1期应力边界条件。在上覆坡体后缘逐级施加均布荷载以模拟下滑推力。2.6 分析步设置本次模型除i n i t i a l分析步以外,增加了3个分析步,分别是初始地应力平衡分析步、开挖坡体后抗滑键承担后侧坡体自重作用下的分析步及施加附加荷载分析步。3 计算结果分析为研究抗滑键在极限荷载作用下的破坏模式,沿软弱夹层对边坡模型逐级施加向下的附加荷载,直至抗滑键完全破坏,模型不收敛,抗滑键退出工作。特别地,抗滑键与岩土体之间的接触方式对计算结果影响很小,基于篇幅限制,并未就不同接触方式的影响展开分析。3.1 抗滑键桩身位移分析不同荷载作用下抗滑键桩身X方向位移曲线见图5。图5 不同荷载作用下抗滑键桩身X方向位移曲线 由图5可见,不同长径比抗滑键的变形有所差别,当抗滑键长径比为4,2.6 7时,抗滑键的变形方式以自身的挠曲变形为主且处于低荷载水平时,抗滑键仅发生微小变形,承载效果良好,随着荷载的不断增加,抗滑键的挠曲变形愈加明显,当荷载增加至极限荷载时,变形在滑面处出现突变,软弱夹层以上桩身位移发生显著变化,桩顶位移量突增,整体表现为沿潜在滑动面处的剪切变形,抗滑键最终将在软弱夹层处发生剪切破坏,进而承载失效。当抗滑键长径比为2,1.3 3时,抗滑键的变形方式为绕桩底的刚性变形,且处于低荷载水平时,抗滑键仅发生微小变形,承载效果良好,随着荷载的不断增加,抗滑键的刚性变形愈加明显,当荷载增加至极限荷载时,抗滑键最终将由于刚性变形量过大而导致承载失效。3.2 抗滑键的损伤破坏分析混凝土的损伤和塑性变形是评判混凝土是否发生破坏的重要指标,为进一步验证抗滑键在极限荷载作用下的破坏模式,提取抗滑键的拉伸损伤、受压损伤、钢筋应力和塑性应变云图进行分析,限于篇幅,仅展示典型荷载下的损伤特征,模拟结果见表3表6。132 0 2 3年第1期陈权川等:缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究表3 不同荷载下K H J-1抗滑键的损伤、钢筋应力、塑性应变状态荷载/MP a抗滑键拉伸损伤抗滑键受压损伤钢筋应力/P a塑性应变表4 不同荷载下K H J-2抗滑键的损伤、钢筋应力、塑性应变状态荷载/MP a抗滑键拉伸损伤抗滑键受压损伤钢筋应力/P a塑性应变23陈权川等:缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究2 0 2 3年第1期表5 不同荷载下K H J-3抗滑键的损伤、钢筋应力、塑性应变状态荷载/MP a抗滑键拉伸损伤抗滑键受压损伤钢筋应力/P a塑性应变表6 不同荷载下K H J-4抗滑键的损伤、钢筋应力、塑性应变状态荷载/MP a抗滑键拉伸损伤抗滑键受压损伤钢筋应力/P a塑性应变 由表36可见,不同长径比的抗滑键的损伤破坏过程也有所不同,抗滑键的工作状态见表7、表8。表7 不同荷载作用下K H J-1、K H J-2的工作状态附加荷载抗滑键工作状态弹性阶段 未出现拉压损伤、钢筋应力水平远低于屈服强度初始破坏阶段 混凝土初步进入塑性状态,拉压损伤、塑性区零星出现,局部发生微小裂纹,钢筋应力相对较小,尚未屈服加速破坏阶段 混凝土拉伸损伤横向延伸,压缩损伤、塑性区加速扩展,塑性应变增大,钢筋应力大幅增大,但仍未屈服完全破坏阶段 混凝土拉压损伤、塑性区贯通,塑性应变增大,软弱夹层处混凝土完全屈服,软弱夹层处的箍筋也率先屈服,随后纵筋屈服,抗滑键破坏,承载失效,退出工作 从表7KH J-1、KH J-2抗滑键的损伤破坏形态可以看出,这类抗滑键的破坏形式表现为剪切破坏,并伴有局部的拉张破坏,总体表现为斜压破坏形态。其裂缝形式表现为横向张拉裂缝和剪切裂缝。表8 不同荷载作用下K H J-3、K H J-4的工作状态附加荷载抗滑键工作状态弹性阶段 未出现拉压损伤、钢筋应力水平远低于屈服强度初始破坏阶段 桩底受压侧出现零星压缩损伤、塑性区零星出现,受压处的钢筋应力大幅提升,但仍未屈服完全破坏阶段 混凝土拉压损伤、塑性区在滑面处贯通,软弱夹层处混凝土完全屈服,软弱夹层处箍筋率先屈服,随后纵筋屈服,同时抗滑键被向前推倒,抗滑键破坏,承载失效,退出工作 从表8KH J-3、KH J-4抗滑键的损伤破坏形态可以看出,这类抗滑键的破坏形式表现为剪切破坏,但由于桩身短,长径比较小,抗滑键刚性强,整体表现为向前倾倒的剪切破坏,裂缝形式表现为剪切裂缝。3.3 抗滑键承载性能优化探讨针对抗滑键不被推倒时,为寻求提高抗滑键承载性能的方法,以KH J-1为例,对抗滑键承载性能优化进行探讨。332 0 2 3年第1期陈权川等:缓倾顺层岩质边坡中抗滑键的承载性能及破坏模式研究 1)增加配筋率模拟结果表明,增加钢筋的配筋率并不能很好地提高抗滑键的承载力,抗滑键的破坏过程首先是在弯矩最大处发生混凝土开裂,然后在软弱夹层处发生压剪破坏,当压剪破坏区贯通后,钢筋应力迅速上升,随后发生屈服,承载失效,退出工作,即钢筋混凝土抗滑键的破坏过程是一个由混凝土再到钢筋的递进式破坏过程。2)提高混凝土等级上述分析指出,抗滑键的损伤破坏是在最大弯矩处开始受拉,然后在软弱夹层处受剪,随后抗滑键发生剪切破坏,退出工作。由于混凝土等级的提高可以有效地提升混凝土的受压、受拉性能,为探讨提高混凝土等级对抗滑键承载性能的影响,将混凝土提升至C 4 0混凝土,将附加荷载设置为0.2 5MP a(C 3 0混凝土的极限荷载)