基于土拱效應的抗滑樁臨界樁間距影響因素研究

艾章嬋,竇 俊,周云東,樊勝興

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098;3.南京誠明建設咨詢有限公司,江蘇南京 210000;4.湖南對外建設有限公司南京分公司,江蘇南京 210000)

基于土拱效應的抗滑樁臨界樁間距影響因素研究

艾章嬋1,2,竇 俊3,周云東1,2,樊勝興4

(1.河海大學巖土力學與堤壩工程教育部重點實驗室,江蘇南京 210098;2.河海大學巖土工程科學研究所,江蘇南京 210098;3.南京誠明建設咨詢有限公司,江蘇南京 210000;4.湖南對外建設有限公司南京分公司,江蘇南京 210000)

合理設置抗滑樁樁間距對確保滑坡穩定具有重要作用。針對土拱理論在抗滑工程中的應用,對抗滑樁工程中土拱效應的影響因素進行了較為詳細的介紹,討論了各影響因素對抗滑樁臨界樁間距的影響,并以工程實例說明了各種算法的差異,對于抗滑樁工程的設計和施工具有一定的指導意義。

土拱效應;抗滑樁;臨界樁間距;影響因素

邊坡滑塌失穩是較常見的災害形式,常會造成災難性的后果[1]。如2012年2月7日甘肅永靖縣鹽鍋峽鎮黑臺臺緣焦家崖根段突發山體滑坡地質災害事故,滑坡土方量約12×104m3,滑坡造成通往鹽鍋峽鎮的主干道路鹽北路完全中斷,嚴重影響到人民的生活及生產安全。如何有效防治滑坡災害,成為巖土工程界普遍關注的重要課題。抗滑樁由于樁身截面大,抗滑能力強,用抗滑樁加固邊坡成為其中的一種重要治理措施。當抗滑樁開始發生作用時,由于抗滑樁的橫向位移小于坡體的橫向位移,造成樁后一定范圍內土體將產生不同的位移:在設樁處位移較小,兩樁位移較大。由于位移的不均一性,致使土顆粒受到壓縮,并互相“楔緊”,在一定范圍的土層中形成土拱。

土拱效應在土力學領域有著廣泛的應用,自1943年Terzaghi通過著名的活動門試驗證實了土力學領域土拱效應的存在[2],許多巖土工程領域的專家學者就對此給予了充分的關注。在試驗研究方面,已有學者[3-7]采用數值分析方法對土拱效應進行了分析。楊明[8-9]通過離心試驗模型和采用數值模擬方法定性的分析了樁間土拱與樁寬度、樁間距的關系。韓愛民[10]采用平面有限元分析,研究表明泊松比小、剪脹角大、強度高、樁土接觸面粗糙的土體易形成土拱?；谕凉靶目够瑯杜R界樁間距的研究越來越多,建立的計算模型不同,所取參數也存在巨大的爭議。賈海莉[11]基于土體的極限平衡條件對滑坡推力作用下土體中的成拱作用進行研究,得出了抗滑樁的最大樁間距公式,討論了樁間距值與滑坡推力、抗滑樁直徑、土體粘聚力和內摩擦角之間的關系。王乾坤[12]提出以樁間土體的摩爾庫倫破壞準則、土體的力學平衡和樁間土體的繞流阻力計算共同控制來確定臨界樁間距的方法,由控制條件得出臨界樁間距隨樁后土體的粘聚力和內摩擦角的增大而增大,隨滑坡推力的增大而減小。

本文基于土拱效應在抗滑樁工程中的研究和應用,結合前人對于樁間土拱效應的研究成果,分析了土拱效應影響因素對抗滑樁臨界樁間距的影響。

1 考慮土拱效應的抗滑樁臨界樁間距探討

樁間距作為抗滑樁設計的重要指標,樁間距過大時不能起到抵擋滑坡推力的作用,樁間距過小又易造成材料的浪費和施工的困難,因此確定抗滑樁的臨界樁間距具有十分重要的意義。下列各式中c為土體的粘聚力,φ為內摩擦角,a為樁寬,b為樁高(側面寬),h為土拱處滑面至坡頂的距離,P為滑坡推力,q為樁后單位厚度坡體線分布力(P=q×h),γ為滑體的重度,S為樁間凈距。

1.1 王成華算法[13]

1.2 李長東算法[14]

李長東等人在王成華[13]的基礎上考慮樁高對樁間距的影響,且考慮了樁后土拱的強度條件。修正了基于土拱效應的抗滑樁最大樁間距計算模型,認為最大樁間凈距S為:

王成華假定滑坡推力過程中無能量損耗且全部滑動推力由側摩阻力承擔。從方樁樁間土拱的形成機理和受力特征等方面探討了土拱的受力變形、力的傳遞路徑和考慮土拱變形破壞的最大樁間距,并建立了最大樁間距估算模型。不足之處在于未考慮土拱的強度條件。

1.3 周德培算法[15]

周德培假定:(1)拱形為拋物線;(2)將土拱問題簡化為樁長方向的平面應變問題;(3)樁后土壓力均勻分布作用于土拱上。但實際上土拱效應沿樁長不是均勻分布的,(2)假定情況夸大了土拱效應。提出以靜力平衡條件、跨中界面強度條件及拱腳處界面強度條件共同控制樁間距的確定。得出了樁間凈距的計算式:

其中α為三角形界面與水平方向的夾角。

1.4 趙明華算法[16]

趙明華假定拱軸線為拋物線,且拱軸線起點切線的傾角β=45°+φ/2,考慮強度條件和土拱的靜力平衡,假定樁為方樁,得出了樁間凈距的一個計算公式:

不足之處在于模型本身簡單,且土體參數的差異很大。假設土拱拱腳處起始切向角的依據不足,且認為最不利截面位置為跨中與工程實際不吻合。

1.5 葉代成算法[17]

葉代成根據樁間土體的側摩阻力的變化和相對變形引起的位移差,提出了用等效抗滑樁模型代替實際抗滑樁的想法,根據樁間土拱的受力特征認為有效土拱的最前端是鍥緊作用最顯著的土拱單元,在這個分析的基礎上認為樁間土拱的拱形為拋物線性,滿足了平衡條件和強度條件,不足之處在于假定土拱沿樁長均勻分布,而實際土拱沿樁長是逐漸減小的,在一定程度上夸大了土拱效應。

2 工程實例對比

目前抗滑樁中的土拱效應研究數量已經相當可觀。在研究抗滑樁中的土拱效應時,由于影響因素的多樣性和復雜性,以及它們與土拱效應之間的非線性和非確定關系,使得臨界樁間距的解析式還不能反映其復雜多變的機理,因此很有必要研究這些因素對臨界樁間距的影響效果。

根據文獻[16]的工程實例,紫陽滑坡位于陜西省紫陽縣城漢江北岸的一級階地上,滑坡體主要組成物質有全新系堆積物,以粘土和亞粘土為主,間雜有碎石,下伏基巖為千枚巖。經勘測表明,滑坡體上緣的四系堆積物中已形成滑動面,而滑坡體下部將沿基巖面滑動。據室內試驗得到滑坡體的粘聚力c為60 kPa,內摩擦角 φ為24°,樁寬a為2 m,樁高b為3 m,抗滑段受荷長h為10.5 m,滑坡推力P為1 040.5 kN/m,q=P÷h=1040.5÷10.5=99.1 kN/m,滑體的重度 γ為20 kN/m3。

各種臨界樁間距公式所需參數不同,得出的樁間凈距值也存在很大差別,詳見表1。

表1 各種算法計算結果對比

2.1 S與P的關系

由表1可知,當其他量不變時,算法1中S與P成反比關系;算法2中S隨P的增大而非線性的減小;算法3和算法4中S與q成反比關系;算法5中S隨P的增大而非線性的減小。

2.2 S與c的關系

由表1可知,當其他量不變時,算法1～5中S與c成正比關系。

2.3 S與φ的關系

由表1可知,當其他量不變時,5種算法中S與φ的關系較為復雜,算法1、2、3和算法5中S與φ呈增函數關系;算法4中S與φ呈非確定關系。

2.4 S與a的關系

由表1可知,當其他量不變時,算法3和算法5中S與a呈正比關系。

2.5 S與b的關系

由表1可知,當其他量不變時,算法1、算法2和算法4中S與b呈正比關系。

2.6 S與γ的關系

由表1可知,當其他量不變時,只有算法1考慮了S與γ的關系,S隨γ的增大而增大。

綜上,算法3、算法4都假設滑坡推力沿樁長均勻分布,與實際存在誤差,在一定程度上夸大了土拱效應。算法1、算法2、算法4以樁間土拱效應為基礎分析臨界樁間距,所得S與b呈正比關系,與a無關;算法3和算法5以樁后土拱效應為基礎分析臨界樁間距,所得S與a呈正比關系,與b無關。

通過工程實例數據的對比分析,所得樁間凈距值相差甚大。在上述5種算法中,筆者認為算法3和算法4更加科學、可靠,接近于實際情況,應結合二者計算模型綜合考慮。上述臨界樁間距的模型都是建立在一定假定基礎上,各個假定情況與實際存在偏差,臨界樁間距公式只反映了臨界樁間距與部分參數的關系,各計算公式尚存不足,都存在一定的局限性?？够瑯杜c滑坡體相互作用是一個復雜的過程,考慮土拱效應的理論分析方面,目前有兩種不同的觀念:(1)以樁后土拱效應傳遞荷載分析臨界樁間距,忽略樁間土拱效應;(2)以樁間土拱效應傳遞荷載分析臨界樁間距,而忽略樁后土拱效應。筆者認為樁土相互作用具有階段性特征,應綜合考慮樁后土拱效應和樁間土拱效應,從而得出臨界樁間距值。

3 結 語

正確認識各參數對土拱效應的影響是確定臨界樁間距的基礎,本文結合目前土拱效應影響因素的研究現狀,在此基礎上分析了土拱效應的影響因素對抗滑工程臨界樁間距的影響,并指出了進一步的研究方向:

(1)土拱效應的影響因素還與土體參數(剪脹角、彈性模量、粒徑、含水率、密度、空隙比等)、拱腳的結構及土壓力的確定有關,因此仍需要在大量試驗或數值模擬的基礎上進一步研究探討。

(2)目前的研究尚未考慮滑坡推力沿樁長的不均勻分布。

(3)樁土相互作用具有階段性的特征,應綜合考慮樁后土拱效應和樁間土拱效應,從而得出臨界樁間距值。

(4)各臨界樁間距計算式具有一定的局限性,在工程實際應用中應結合其他因素綜合考慮。

[1]易順民,晏同珍.滑坡時空結構的分析特征及其意義[C]//滑坡文集(第十三集).北京:中國鐵道出版社,1998:33-37.

[2]Terzaghi K.Theoretical Soilmechanics[M].New Youk:John Wiley&Sons,1943.

[3]姚元鋒,趙曉彥.抗滑樁樁間土拱效應試驗方法的研究[J].路基工程,2010,(2):86-88.

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[5]呂 慶,孫紅月,尚岳全.抗滑樁樁后土拱形狀及影響因素[J].哈爾濱工業大學學報,2010,42(4):629-633.

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[16]趙明華,陳炳初,劉建華.考慮土拱效應的抗滑樁合理樁間距分析[J].中南公路工程,2006,31(2):1-4.

[17]葉代成.抗滑樁樁間土拱效應及合理樁間距的研究[J].土工基礎,2008,22(4):75-79.

Advances on Research about Influencing Factors of Critical Spacing between Anti-slide Piles Based on Soil Arching Effect

AI Zhang-chan1,2,DOU Jun3,ZHOU Yun-dong1,2,FAN Sheng-xing4
(1.Key Laboratory of Geomechanics and Embankment Engineering of Ministry of Education,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;2.Geotechnical Engineering Research Institute,Hohai University,Nanjing,Jiangsu210098,China;3.Nanjing Chengming Construction Consulting Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu210000,China;4.Nanjing Branch Office of Hu'nan Foreign Construction Co.,Ltd.,Nanjing,Jiangsu210000,China)

The reasonable anti-slide pile's spacing setting would play an important role in economy to ensure slope stability.According to the applicatian of soil arch theory in anti-slide projects,the influencing factors for soil arching effect in anti-slide pile engineerings are introduced in detail,and the effects of the influence factorson the critical spacing between anti-slide piles are also discussed.Then,the differences of various calculation algorithms are illustrated by practical projects,which could provide a guiding significance for the design and construction in anti-slide pile engineerings.

soil arching effect;anti-slide pile;critical pile spacing;influence factor

TU443

A

1672—1144(2012)05—0143—04

2012-04-01

2012-04-29

艾章嬋(1987—),女(漢族),重慶梁平人,碩士研究生,研究方向為地基穩定性。