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摘 要：滑坡是目前发生频率最高、危害很严重的地质灾害之一。抗滑桩是滑坡治理最常见的工程措施之一，它能够起到很好的阻滑作用。冻融多出现在北方寒冷地区，往往会对许多工程结构带来一定的破坏。处于寒冷地区的抗滑桩结构常因发生冻融循环作用而使结构性能退化，严重影响结构的长期使用和安全运行。针对冻融对抗滑桩结构破坏问题，以大前石岭隧道进口滑坡工程为例，重点探讨了不同冻融循环次数下的悬臂式抗滑桩的变形和受力情况，得出抗滑桩的桩身强度和位移均受冻融循环次数的影响较大的结论，为冻融环循环条件下抗滑桩的设计提供理论支持。
关键词：冻融循环;滑坡治理;抗滑桩;数值模拟;有限差分
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.109
冻融是一种频发的自然现象，其发生条件包括正负温差与吸水饱和，会对许多混凝土工程结构带来不可逆转的破坏。目前，大多数研究是通过混凝土的快速冻融实验和暴露实验，研究混凝土抵抗冻融循环破坏的能力和冻融对混凝土材料的微观破坏影响。2013年，张泽等研究了冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理。同年，Wu Q L等探讨了水分含量对高寒地区路基冻融性能的影响。2014年，Omran H Y和El-Hacha R研究了冻融循环暴露对弯曲加固钢筋混凝土梁弯曲行为的影响。同年，Wang Z D等研究了冻融循环负荷下混凝土内部相对湿度及其变质的演变过程。2015年，葛文杰等对混凝土梁试件进行了不同次数的冻融循环，研究了预应力钢筋混凝土结构的耐久性。同年，Xu H N等采用了X射线断层扫描技术对三种沥青混合料进行扫描，以确定冻融周期内沥青混合料的内部结构演化。2016年，Cheng Y C等研究了裂缝、冻融循环和碳酸化对钢筋混凝土的力学性能和耐久性的影响。同年，Jamshidi J R等以塑料和压实土-水泥混合物为样本，研究了在冻融环境对水泥砂浆性能和结构的影响。2017年，Ma Z M等进行了冻融循环、抗压强度和断裂性能试验，研究冻融损伤对混凝土断裂行为的影响。同年，Rosa M G等比较了不同地质材料的抗冻融性能，研究了粉煤灰的类型及含量对稳定土工材料的抗冻融性能的影响。
目前，针对冻融对抗滑桩结构破坏的研究少之又少，且绝大多数模拟软件缺乏直接对混凝土结构在冻融条件下进行数值模拟的能力。基于此，本文依托大前石岭隧道进口滑坡工程，重点探讨不同冻融循环次数下的悬臂式抗滑桩的变形和受力情况。
1 数值模拟模型設计
1.1 模型参数选择
为了便于计算，本文采用Ottosen屈服准则的弹塑性本构模型，探讨冻融循环次数对抗滑桩力学性能的影响。由施士升的实验理论可知，当混凝土冻融循环的次数发生改变时，混凝土的弹性模量和泊松比会发生改变，并可通过公式1和公式2分别对其进行折减。其中参数a、b、p、q可通过表1拟合得出。
根据已得到的参数a、b、p、q，可反算得出冻融循环30次、60次、90次后的混凝土弹性模量及泊松比。本文旨在分析冻融循环30次、60次、90次的应力与位移变化，所需滑坡体与稳定基岩的物理力学参数如表2、表3和表4所示。
1.2 计算模型
由于实体滑坡体积过大，本文采用FLAC3D软件对模型进行处理，截取滑坡前缘部分进行计算，再对实体模型进行网格划分。因此，必须先确定滑坡整体模型的尺寸范围、边界条件以及网格划分类型。
1.2.1 模型尺寸
综合考虑边界对计算结果的影响，本文的计算模型选取范围为桩前20m，桩后37.5m，地面以下延伸至地下30m。模型的总体尺寸为：长×宽×高=60.0m×21.6m×54.0m，对称布置。模型整体分为以下三个部分：第一，稳定基岩模型：由六面体单元和四面体单元构成，单元最小尺寸为0.5m。第二，滑坡模型：由六面体单元构成，单元最小尺寸为1m。第三，抗滑桩模型：由六面体单元构成，最小尺寸为0.5m，最大尺寸为1m，如图1所示。整个模型的边界三维坐标区间为X=（0，60），Y=（-10.8，10.8），Z=（0，54）。其中，抗滑桩的边界三维坐标区间为：X=（20，22.5），Y=（-10.8，10.8），Z=（22，40）。
1.2.2 网格及边界条件
模型采用添加外荷载的形式改变其静力平衡，所以抗滑桩采用静力计算。因为本文主要研究抗滑桩在冻融条件下的变形情况，因此固定Z=0的平面，同时限制X轴与Y轴的位移。在确定计算范围的基础上，为使模型更接近于真实状态，我们指定采用位移条件来约束模型的变形，假定边界条件如下：约束滑坡整体模型底面Z方向的位移;两侧面施加X方向位移约束;前后面施加Y方向的位移约束，其他边界采用自由边界。
1.2.3 网格划分及接触面
为了体现建模真实性而对模型细部构造细化，加上模型本身尺寸较大，直接导致滑坡整体网格划分量加大。经过不断调整划分精度、最小网格尺寸和接触面形式，最终对滑坡整体模型实体单元网格划分后，得到单元体27360个，节点31002个。同时抗滑桩与岩土体之间设置无厚度的接触面单元，对边界条件进行约束。本文设置的接触面共28个，接触面示意图如图2所示。
1.3 冻融循环次数确定
由抗滑桩的设计规范可知，其设计使用年限一般为50年。根据施氏实验，取12h为一个冻融周期，试件的冻融幅度为+10℃至-30℃。但在自然状态下，很难在几天的时间内出现如此剧烈的温度变化。综合考虑混凝土的抗冻等级、抗滑桩的设计使用年限及当地温度变化，恒仁市一年中冻融循环次数为6次。
由此可知，恒仁市5年内的冻融循环次数约为30次，10年内的冻融循环次数为60次，15年内的冻融循环次数为90次。本文所取冻融循环30次、60次和90次三种情况，分别模拟5年、10年和15年后抗滑桩的形变及位移情况。
关键词：冻融循环;滑坡治理;抗滑桩;数值模拟;有限差分
中图分类号：TB 文献标识码：A doi：10.19311/j.cnki.1672-3198.2019.20.109
冻融是一种频发的自然现象，其发生条件包括正负温差与吸水饱和，会对许多混凝土工程结构带来不可逆转的破坏。目前，大多数研究是通过混凝土的快速冻融实验和暴露实验，研究混凝土抵抗冻融循环破坏的能力和冻融对混凝土材料的微观破坏影响。2013年，张泽等研究了冻融循环作用下土体结构演化规律及其工程性质改变机理。同年，Wu Q L等探讨了水分含量对高寒地区路基冻融性能的影响。2014年，Omran H Y和El-Hacha R研究了冻融循环暴露对弯曲加固钢筋混凝土梁弯曲行为的影响。同年，Wang Z D等研究了冻融循环负荷下混凝土内部相对湿度及其变质的演变过程。2015年，葛文杰等对混凝土梁试件进行了不同次数的冻融循环，研究了预应力钢筋混凝土结构的耐久性。同年，Xu H N等采用了X射线断层扫描技术对三种沥青混合料进行扫描，以确定冻融周期内沥青混合料的内部结构演化。2016年，Cheng Y C等研究了裂缝、冻融循环和碳酸化对钢筋混凝土的力学性能和耐久性的影响。同年，Jamshidi J R等以塑料和压实土-水泥混合物为样本，研究了在冻融环境对水泥砂浆性能和结构的影响。2017年，Ma Z M等进行了冻融循环、抗压强度和断裂性能试验，研究冻融损伤对混凝土断裂行为的影响。同年，Rosa M G等比较了不同地质材料的抗冻融性能，研究了粉煤灰的类型及含量对稳定土工材料的抗冻融性能的影响。
目前，针对冻融对抗滑桩结构破坏的研究少之又少，且绝大多数模拟软件缺乏直接对混凝土结构在冻融条件下进行数值模拟的能力。基于此，本文依托大前石岭隧道进口滑坡工程，重点探讨不同冻融循环次数下的悬臂式抗滑桩的变形和受力情况。
1 数值模拟模型設计
1.1 模型参数选择
为了便于计算，本文采用Ottosen屈服准则的弹塑性本构模型，探讨冻融循环次数对抗滑桩力学性能的影响。由施士升的实验理论可知，当混凝土冻融循环的次数发生改变时，混凝土的弹性模量和泊松比会发生改变，并可通过公式1和公式2分别对其进行折减。其中参数a、b、p、q可通过表1拟合得出。
根据已得到的参数a、b、p、q，可反算得出冻融循环30次、60次、90次后的混凝土弹性模量及泊松比。本文旨在分析冻融循环30次、60次、90次的应力与位移变化，所需滑坡体与稳定基岩的物理力学参数如表2、表3和表4所示。
1.2 计算模型
由于实体滑坡体积过大，本文采用FLAC3D软件对模型进行处理，截取滑坡前缘部分进行计算，再对实体模型进行网格划分。因此，必须先确定滑坡整体模型的尺寸范围、边界条件以及网格划分类型。
1.2.1 模型尺寸
综合考虑边界对计算结果的影响，本文的计算模型选取范围为桩前20m，桩后37.5m，地面以下延伸至地下30m。模型的总体尺寸为：长×宽×高=60.0m×21.6m×54.0m，对称布置。模型整体分为以下三个部分：第一，稳定基岩模型：由六面体单元和四面体单元构成，单元最小尺寸为0.5m。第二，滑坡模型：由六面体单元构成，单元最小尺寸为1m。第三，抗滑桩模型：由六面体单元构成，最小尺寸为0.5m，最大尺寸为1m，如图1所示。整个模型的边界三维坐标区间为X=（0，60），Y=（-10.8，10.8），Z=（0，54）。其中，抗滑桩的边界三维坐标区间为：X=（20，22.5），Y=（-10.8，10.8），Z=（22，40）。
1.2.2 网格及边界条件
模型采用添加外荷载的形式改变其静力平衡，所以抗滑桩采用静力计算。因为本文主要研究抗滑桩在冻融条件下的变形情况，因此固定Z=0的平面，同时限制X轴与Y轴的位移。在确定计算范围的基础上，为使模型更接近于真实状态，我们指定采用位移条件来约束模型的变形，假定边界条件如下：约束滑坡整体模型底面Z方向的位移;两侧面施加X方向位移约束;前后面施加Y方向的位移约束，其他边界采用自由边界。
1.2.3 网格划分及接触面
为了体现建模真实性而对模型细部构造细化，加上模型本身尺寸较大，直接导致滑坡整体网格划分量加大。经过不断调整划分精度、最小网格尺寸和接触面形式，最终对滑坡整体模型实体单元网格划分后，得到单元体27360个，节点31002个。同时抗滑桩与岩土体之间设置无厚度的接触面单元，对边界条件进行约束。本文设置的接触面共28个，接触面示意图如图2所示。
1.3 冻融循环次数确定
由抗滑桩的设计规范可知，其设计使用年限一般为50年。根据施氏实验，取12h为一个冻融周期，试件的冻融幅度为+10℃至-30℃。但在自然状态下，很难在几天的时间内出现如此剧烈的温度变化。综合考虑混凝土的抗冻等级、抗滑桩的设计使用年限及当地温度变化，恒仁市一年中冻融循环次数为6次。
由此可知，恒仁市5年内的冻融循环次数约为30次，10年内的冻融循环次数为60次，15年内的冻融循环次数为90次。本文所取冻融循环30次、60次和90次三种情况，分别模拟5年、10年和15年后抗滑桩的形变及位移情况。