土質軟巖塹坡半坡抗滑樁錨固深度數值分析

葉 鵬

(鐵道第三勘察設計院集團有限公司地路處,天津 300251)

1 概述

半坡抗滑樁的簡稱為半坡樁,顧名思義是指設置在鐵(公)路路塹邊坡或陡斜坡上的抗滑樁,滑面較陡,尤其是錨固段樁前部分滑面陡傾,形成一三角形巖體,難以達到樁錨固段半無限體的要求,無法按常規抗滑樁計算理論進行設計計算(圖1)。它與坡腳樁(圖2)的主要不同在于：坡腳樁設在坡腳應力集中部位,不僅起到支擋作用,同時對坡腳薄弱部位進行了加固,樁前巖體處于近似半無限體狀態,樁前巖體是穩定的,可以為樁提供足夠的抗力,這從一定程度上抑制了樁的側向變位。而半坡樁的樁前巖體(滑體與滑床)位于斜坡上,對樁提供抗力有限,制約樁的變位能力相對較差,若樁前滑床部分的巖體不穩,樁將失效,起不到對樁后邊坡土體支擋作用,所以半坡樁的位置選擇必須保證滑面以下巖體也能夠對樁提供足夠的抗力。

圖1 半坡樁示意

圖2 坡腳樁示意

圖3 樁前錨固段達到半無限體的方法

半坡樁能否按普通抗滑樁設計計算,其最關鍵的問題之一就是：錨固段樁前土體在什么情況下可以近似按照半無限體來考慮。如圖3所示,半坡樁錨固段樁前巖(土)體難以達到半無限體的條件要求,尤其樁前滑床部分為一三角體,其變形及破壞模式與半無限體的變形及破壞模式相去甚遠,如果按一般的抗滑樁的計算模式進行設計,則偏于不安全,假如將其錨固段從路基面或地面相對較平緩的位置起算,則可以達到半無限體的要求,然而這種設計計算方法偏于保守。況且有些情況下(如將抗滑樁設于三級以上的坡頂)難以達到。因此需要找出一個合理的錨固段深度增加值ΔH和適當的錨固點前邊坡寬度Δd,錨固段樁前巖體既能保證自身穩定又能近似達到半無限體,對于指導今后的半坡樁設計計算,確保工程的安全可靠降低工程造價且具有重要的意義。

2 理論計算模式研究

2.1 增加錨固段長度計算模式

如圖4所示,通過增加錨固段長度ΔH來提高錨固段樁前抗力,以求錨固段樁前巖土體近似半無限體狀態。

圖4 通過增加樁長達到半無限體狀態(單位：m)

2.2 增加樁前滑床寬度計算模式

如圖5所示,通過增加錨固段樁前滑床寬度,以達到提高錨固段樁前土體抗力。若Δd無限增大,那么錨固段樁前就會呈現出半無限體狀態。

圖5 通過增加錨固段滑床寬度達到半無限體狀態

2.3 綜合計算模式

如圖6所示,結合圖4、圖5的2種方法,當Δd增加到一定寬度時,通過數值計算得錨固段樁前典型點A處的側應力σA逐漸增大,且當Δd增加到某一臨界值時σA趨于平穩,這時將這種狀態近似地看作半無限體狀態,那么就將ΔH=tanθ·Δd作為錨固段需增加長度的臨界值,自由段長度不變。在此,假定滑面與坡面平行,所以樁前滑床寬度Δd的增加體現在樁前平臺寬度的增加,如圖7所示。

圖6 綜合計算模式(一)(單位：m)

圖7 綜合計算模式(二)(單位：m)

3 數值分析研究

3.1 參數的選取

3.1.1 巖土體參數的取值

為更好地應用于工程實踐,根據《鐵路路基支擋結構設計規范》(TB10025—2001),選取了3種代表性地層類別作為滑床巖土體參數：密實黏土、軟片巖、普通頁巖。各材料的力學計算參數如表1所示。

表1 巖土體材料參數

3.1.2 結構參數的取值

C25混凝土半坡樁的彈性模量E=2.65×104MPa,泊松比μ=0.3。

3.2 基本說明及假定

在樁長(全長20 m,錨固段10 m)固定不變的前提下,分別考慮滑面傾角θ為15°、25°、35°、45° 4種工況下(圖8),通過改變滑床寬度Δd(m),得到樁前典型點A處的側應力σA的變化規律。計算范圍定為：x方向(沿坡面方向)的長度為60 m,y方向為30 m。由于模型所取的計算范圍較大,故將邊界條件取為左右邊界x向約束,底部邊界y向約束。

圖8 數值計算模式

為了使計算模型既能反映實際地質條件又能使計算較為簡單,特作如下調整假設。

(1)由于本處計算研究重點是滑帶下部樁體,為簡化分析,僅建立滑帶以下部分模型,故將滑體作用在滑帶上部樁體的作用力考慮為500 kN/m(樁間距為6 m),并通過計算簡化為作用在滑帶處樁體上大小為3 000 kN的集中力和15 000 kN·m的彎矩,不再建立滑體有限元模型。

(2)將上部滑體的重力簡化為作用在滑床上大小為200 kN/m均布荷載。

3.3 計算結果分析

以巖土體參數為密實黏土為例。

圖9與圖10分別為滑面傾角為15°時、樁前滑床寬度為1 m和9 m時x方向應力云圖,其他寬度不再贅述。圖11為樁前典型點A處巖土體的側應力σA隨樁前滑床寬度Δd變化曲線及擬合后的曲線。

圖9 樁前滑床寬度為1 m時樁側土應力云圖

圖10 樁前滑床寬度為9 m時樁側土應力云圖

圖11 樁前滑床寬度Δd與σA的關系曲線

圖12 錨固段增加值ΔH與滑面傾角θ變化曲線

從圖11中可以看出,當滑面傾角θ為15°時,滑床寬度Δd在3 m以后,樁前典型點A處巖土體的側應力σA趨于穩定。因此,按計算模式圖7,相當于在常規抗滑樁(滑面水平)錨固段設計長度的基礎上增加ΔH=tanθ·Δd=0.8 m,最小平臺寬度為3 m。

如圖12所示,錨固段增加值ΔH與滑面傾角θ的變化曲線,對其進行擬合,得出函數方程：ΔH=A1exp(θ/t1)+y0；(其中0°≤θ≤45°)

4 結語

本文通過有限元分析軟件MIDAS/GTS模擬,分別以密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體(取自《鐵路路基支擋結構設計規范》中)為材料參數,考慮滑面傾角變化(15°、25°、35°、45°)組合工況進行檢算,最后得出以下結論。

(1)半坡樁錨固段處于密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體中,隨滑面傾角變化(0°≤θ≤45°)時,錨固段長度增加值ΔH擬合公式,如表2所示。

表2 不同錨固地層隨滑面傾角變化下錨固段長度增加值ΔH擬合公式

注：其中參數ΔH為錨固段較常規抗滑樁設計增量；θ為滑面傾角(其中0°≤θ≤45°)。

(2)半坡樁錨固段處于密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體中,隨滑面傾角變化(15°、25°、35°、45°)時,最小平臺寬度Δd,如表3所示。

表3 不同錨固地層隨滑面傾角變化下最小平臺寬度Δd m

注：表中數據均以懸臂長度為10 m,錨固段長度為10 m為基準。

(3)提出將半坡樁錨固段樁前巖土體近似考慮為半無限體狀態的理想方法：即通過建立半坡樁錨固深度增加值計算模式,得出最小的錨固段增加值ΔH(表2),通過建立樁前滑床寬度的計算模式,得出最小平臺寬度Δd(表3),且這兩個要求一般均應滿足。但是由于計算時假定前提條件為滑面以上土體荷載均布、樁懸臂段受力簡化較為單一等原因,得出的ΔH,Δd是較為理想狀態下臨界值,可供參考。但為半坡樁設計提供了一個計算分析的思路,可以以此思路計算分析多種條件下的ΔH,Δd值,實際設計時還必須考慮留有一定的安全儲備值。

(4)實際工程中塹坡巖土工程性質多樣,巖體構造面、產狀組合多、節理裂隙發育程度不一,巖土體滑面形狀、性質、物理力學參數多變,塹坡坡度高度、地下水發育程度、降雨、坡面防護加固形式等也對半坡樁的選擇以及ΔH,Δd確定產生很大影響,同時還必須在詳細查明塹坡巖土體工程地質情況下，考慮塹坡整體的安全穩定性要求選取較為適宜的各項計算參數,按本文所提出設計思路,進行分析計算,再經過實際工程的試驗完善計算方法,以達到保證塹坡穩定節約投資的目標。

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