邊坡抗滑樁優化設計*

董必昌 舒陶浪 安新強 龐建成

(武漢理工大學交通學院1) 武漢 430063) (咸陽水利水電規劃勘測設計研究院2) 咸陽 712000)(武漢華中巖土工程有限公司3) 武漢 430070)

0 引 言

近年來,隨著國家高速公路建設力度的加大,與之相關的邊坡地質災害問題也浮出水面.因此,邊坡的治理與防護也隨之成為工程界的熱點課題之一[1].作為一種邊坡防護手段,抗滑樁近年來在工程中得到廣泛的應用[2-3].然而,對于抗滑樁的設計,目前規范上雖然有一系列條文規定,但是有些條文建立在一些假定的基礎上,且力學機理不太明確.基于這種狀況,本文提出了一種邊坡抗滑樁優化設計方法,并得到工程實例驗證.

1 邊坡抗滑樁設計方法

1.1 傳統抗滑樁設計方法

抗滑樁設計的一般性規定[4]:(1)抗滑樁設計前,應對邊坡進行詳細的工程地質勘察,確定主滑動方向、滑面位置、邊界條件、巖土性質及水文地質條件.(2)抗滑樁的設置必須保證滑坡體不越過樁頂或從樁間滑動,不產生新的滑坡.(3)抗滑樁宜設置在滑坡厚度較薄、推力較小、錨固段地基較高的地段、確定樁的平面位置、樁間距、樁長和截面尺寸時,應綜合考慮,以達到經濟合理并與周圍景觀協調.(4)可采用預應力錨索、抗滑樁或抗滑樁與明洞、排樁等組合使用.

可以看出,規范僅僅對抗滑樁的設計進行了一些原則性規定,不涉及到具體的設計舉措,因此缺乏一定的可操作性.對于抗滑樁的結構構造方面,規范進行了一些具體規定,然而對于其中的結構設計機理方面,其條文說明沒有涉及.對于抗滑樁的設計計算方面有如下規定:(1)作用于抗滑樁的外力有滑坡推力、樁前滑體抗力和錨固段地層的抗力.樁側摩阻力和粘聚力以及樁身重力和樁底反力可不計算.抗滑樁推力按本規范第7.2節的規定采用傳遞系數法計算確定.(2)樁前抗力可按樁前滑體處于極限平衡時的滑坡推力或樁前被動土壓力確定.(3)抗滑樁上滑坡推力可采用矩形分布或梯形分布,當滑體為極松散的土體時,可采用三角形分布.(4)樁底支承可采用自由端,嵌入巖層較深可采用自由端或鉸支.(5)抗滑樁的錨固段長度應滿足樁側最大壓應力不大于地基的橫向容許承載力的要求.(6)滑動面以上的樁身內力,應根據滑坡推力或樁前滑體抗力計算,滑動面以下的樁身變位和內力,應根據滑動面處的彎矩和剪力,可采用地基系數法進行計算,根據巖土條件可選用“K”法或“m”法,地基 K,m 可根據試驗資料和地區經驗、工程類別綜合確定.(7)抗滑樁的混凝土應按現行國家標準《混凝土結構設計規范》(GBJ50010)進行計算.

可以看出,該規定針對抗滑樁力學計算進行了一系列的簡化以及假定,比如作用在抗滑樁上的外力、滑坡推力的分布假定等.有些并不符合實際情況,比如樁底支承情況等.這些都會給實際計算結果帶來一定的誤差.尤為重要的是,上述假定中沒考慮作用土體的實際本構關系,忽略了土體與結構之間的相互作用以及相互影響等因素,因而在理論基礎上存在著缺陷.

1.2 抗滑樁優化設計方法

由于傳統抗滑樁設計方法具有上述缺陷性,因此,本文提出一種抗滑樁設計的優化方法——基于有限元計算結果的抗滑樁優化設計.

具體步驟如下.

步驟1 根據邊坡勘察設計參數,建立有限元模型,確定邊坡穩定安全系數.

步驟2 根據有限元計算結果,確定邊坡位移最大處位置,然后選擇該處作為抗滑樁設計位置.

步驟3 在邊坡位移最大處設置抗滑樁,建立邊坡抗滑樁有限元模型,確定邊坡穩定安全系數.樁身強度等級依據傳統抗滑樁設計方法確定,樁長、樁徑、樁距以及樁身深入滑動面以下深度在傳統設計方法的基礎上依據有限元計算結果最終確定.

步驟4 根據有限元中抗滑樁計算結果,進行抗滑樁配筋設計.

從以上設計步驟可以看出,該方法把抗滑樁和邊坡作為一個整體考慮,考慮了抗滑樁與土體之間的相互作用,同時也考慮了土體的本構關系,真實地考慮了作用在抗滑樁上的全部外力以及樁底支承情況,因而更符合實際情況.

2 工程實例分析

2.1 工程概況

某滑坡體[5]位于滬蓉西高速公路 K177+000—K178+000之間,滑坡平面呈"倒錐形",上部較窄,下部稍寬,主滑動方向160°.滑坡后緣高程780～785 m,前緣高程710～720 m;平均寬度125 m,縱長110 m,總面 1 375 m2;平均厚 11 m,總方量15 125 m3.

根據勘察成果資料,滑坡體處巖土結構較單一,滑體巖土由碎石土組成,碎石呈稍密狀,鎬可挖掘,碎石含量 40%～60%,粒徑一般為2～9 cm,少量碎石粒徑大于15 cm,巖性為紫紅色泥巖、粉砂巖.滑體下面為基巖,巖性為泥質粉砂巖.各土層物理力學參數指標見表1,邊坡截面示意圖見圖1.

表1 巖土層材料參數值

圖1 邊坡剖面示意圖(單位:m)

2.2 有限元建模

對上述滑坡體建立有限元模型,采用plane42單元,共劃分單元1 573個,節點852個.土體采用Drucker-Prager彈塑型模型,見圖2.

圖2 有限元模型示意圖

對圖2所示有限元模型,運用強度折減系數法進行邊坡穩定性分析,求得邊坡穩定系數結果見表2.為了作為參照,表中列出用其他2種方法求出的邊坡穩定系數.

表2 邊坡穩定系數結果對比

由表2可見,該邊坡處于一種非穩定狀態,需要進行邊坡防護設計.

2.3 抗滑樁設計

對上述不穩定邊坡進行抗滑樁設計,由有限元計算結果得出,邊坡最大位移處于坡面中下部,坐標范圍分別為179.18～183.78(X),74.14～77.26(Y).在該處范圍可設立抗滑樁.邊坡坡面位移圖見圖3所示.

圖3 邊坡X方向位移示意圖

由文獻[6]可以知道,將抗滑樁設計在邊坡位移最大位置時,能有效改變邊坡的應力邊界和塑性應變分布,提高邊坡穩定安全系數.綜合考慮技術、安全以及施工等各方面因素并經有限元計算試算后,本次設計共設置兩組雙排樁,一組布置在邊坡坡面最大位移處,樁的平面尺寸為2 000 mm×2 000 mm,樁長18 m;另一組設置在坡面中上部,樁的平面尺寸同上,樁長20 m;二者上部均設置冠梁,冠梁截面尺寸為2 000 mm×2 000 mm.樁身以及冠梁混凝土強度等級為C30.上述有限元模型中,樁擬定為線彈性體,彈性模量為30 000 MPa,泊松比為 0.2;土體擬定為彈塑體,采Druker-Prager模型,相關參數見表1.最后邊坡安全系數提高到1.30以上.

圖4、圖5分別為設置抗滑樁后的邊坡位移示意圖,邊坡等效塑性應變圖.由圖上可以看出7,設置抗滑樁后坡面位移減小;等效塑性應變帶從抗滑樁處斷開且塑性應變值減小,提高了邊坡的穩定安全系數.其變化規律與文獻[6]的結論一致.

圖4 邊坡X方向位移示意圖

圖5 邊坡等效塑性應變圖

2.4 抗滑樁配筋計算

利用上述有限元模型計算,求得雙排樁受力結果如下:第一組,左樁,拉力2 797.8 kN,彎矩2 884.8 kN ?m,剪 力 360.6 kN;右 樁,拉力480 kN,彎矩 4 093.4 kN ?m,剪力657 kN;第二組 ,左樁,拉力3 006 kN,彎矩 2 849.4 kN ?m,剪力1 364.6 kN;右樁,壓力 -5 360 kN,彎矩8 946.6 kN?m,剪力1 213 kN.第一組雙排樁對應于坡面中上部位置,第二組雙排樁對應于坡面最大位移處.對于上述計算結果運用結構計算軟件進行配筋計算,配筋結果如表3所列.

表3 抗滑樁配筋量表

3 結 論

1)傳統抗滑樁設計方法由于在機理上將抗滑樁人為分成自由端和嵌固端且進行了一系列假定因此在理論基礎上存在先天局限性.

2)考慮土體本構關系、考慮樁土共同作用基于有限元計算結果的抗滑樁設計方法具有優越性.

[1]黃 強.深基坑支護技術[M].北京:中國建材工業出版社,1997.

[2]劉協強.抗滑樁在公路邊坡加固治理中的應用研究[D].長沙:中南大學地學與環境工程學院,2007.

[3]劉小麗,周德培,楊 濤.加固土坡的抗滑樁內力計算新方法[J].工業建筑,2003,33(4):39-42.

[4]中交第二公路勘察設計研究院.公路路基設計規范(JTG D30-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5]廣西水文地質與工程地質勘查院.滬蓉西高速公路K177+000～K178+400段滑坡工程地質勘查報告[R].南寧:廣西水文地質與工程地質勘查院,2004.

[6]董必昌,邱紅勝.雙排樁對邊坡穩定分析影響的仿真研究[J].武漢理工大學報:交通科學與工程版,2007,31(2):502-505.