排水抗滑樁設計及驗證★

汪思聰 朱劍鋒 艾述剛 鄧岳保

(寧波大學建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

·巖土工程·地基基礎·

排水抗滑樁設計及驗證★

汪思聰 朱劍鋒 艾述剛 鄧岳保

(寧波大學建筑工程與環境學院，浙江 寧波 315211)

提出了排水抗滑樁排水系統設計的理論基礎，并以此為依據設計了一種集排水與抗滑為一體的新型抗滑樁系統，基于理正軟件，開展了新型抗滑樁和傳統抗滑樁的對比分析。數值模擬結果表明：新型的排水抗滑樁排水效果顯著，對滑坡穩定性提高可起到重要作用。

抗滑樁，排水系統，模擬試驗，CFRP

0 引言

在巖土工程中，對失穩邊坡或滑坡進行有效治理是一項重要工作。當前，對滑坡的治理方法很多，如：擋土墻、錨桿、削坡減載和反壓、抗滑樁等。其中，抗滑樁具有布置靈活、施工簡單、對滑坡擾動小等優點，因此受到工程界和學術界的廣泛關注[1]。

20世紀70年代末以來，國內外許多研究者對抗滑樁的設計理論、計算方法和參數進行了研究，并結合實際工程進行了現場測試，使得抗滑樁設計理論日趨完善[2]。但是，在分析、校核滑坡穩定性時，地下水的不利影響因素卻常被忽視，認為沒有必要精心布置疏排水，甚至認為有無疏排水都無關緊要。但由李新強等人[2]對滲流與抗滑樁抗滑穩定性的分析結果可知，抗滑樁在提高滑坡體抗滑穩定性的同時，也減少了坡體內部水的滲流通道，從而在一定程度上增加了潛在的滑坡危險。盧應發等人[1]的研究也指出，抗滑樁對滑體滲流具有阻滲作用，抬高了滑體水位，增加了滑體自重，并使得滑體、滑床粘聚力和內摩擦角下降，滑坡穩定性下降，下滑力增加。因此，做好滑坡體的疏水和坡體排水布置，對于確保滑坡體的穩定具有重要的作用。

本文擬在傳統抗滑樁基礎上，設計一種集抗滑和排水為一體的新型排水抗滑樁，并借助理正軟件開展新型排水抗滑樁和傳統抗滑樁的對比研究，進而獲得排水抗滑樁設計的意義。

1 抗滑樁排水系統設計

1.1 樁身設計

排水抗滑樁系統示意圖如圖1，圖2所示。其中包括圓筒形樁體，樁體內設置有圓柱形空腔，樁體上沿軸向均布有若干個濾水孔，圓柱形空腔內設置有排水管，圓柱形空腔的空隙處填充有碎石，排水管的出水口與外部的真空泵連接。

在樁體樁壁內縱向設置有若干個碳纖維筋(CFRP)，碳纖維筋沿樁體截面圓周均勻分布；濾水孔的兩側孔端包裹有用于反向濾除雜質的土工布；濾水孔沿樁體徑向交錯分布。

真空泵與用來控制排水管抽水量的閥門連接；樁體采用混凝土材料制作而成。

1.2 抗滑樁排水孔布置

空心抗滑樁在成樁之前，可由強降雨或持續降雨條件下水體在邊坡的流速，利用達西定律，根據流量相等原則計算出濾水孔孔徑，并綜合考慮現場實測地下水位情況，在樁身合理間距處預留適當數量的濾水孔，孔端作反濾層并用土工布包扎，防止堵塞。然后預制成抗滑樁管節，在擬加固邊坡采用機械鉆孔，下預制碳纖維混凝土空心抗滑樁管節至開挖深度，空心部分用碎石填充，并且引排水管，在保證樁體良好抗彎性能的前提下增強樁的排水能力。

排水抗滑樁濾水孔設計。首先，由達西定律可知：

V=KI

(1)

由邊坡坡面深入到邊坡內的水量為：

ΔQ1=A1V1Δt=A1K1IΔt

(2)

由排水孔排出的水量：

ΔQ2=A2V2Δt=A2K2IΔt

(3)

根據出水量與入水量相等，即：

ΔQ1=ΔQ2

(4)

可得：

A1K1=A2K2

(5)

由此可得，當孔徑數n=15時，re=2.3 cm；當孔徑數n=10時，re=2.8 cm。

另外，假設孔徑數n=10時，re=2.8 cm，分析此時開孔對抗滑樁剛度的影響。由孔直徑可得：孔體積V孔=0.015 m3。

假設樁為單位體積，則：

m′/m=(1-0.015)/1=0.985

(6)

由量綱分析，有：長度L(m)、體積V(m3)、抗彎剛度I(m4)，可得：

V′/V=0.9853=0.994

(7)

I′/I=0.9943=0.980或I′=0.980I

(8)

上面的計算過程表明，開設濾水孔后，抗滑樁抗彎剛度改變很微小。

設計總結如下：抗滑樁開設10個～15個濾水孔，孔直徑5 cm(半徑2.5 cm)，可滿足邊坡排水要求，且幾乎不影響抗滑樁的抗彎剛度。

2 數值模擬及驗證

2.1 邊坡模型

滑動體重度18.0 kN/m3，滑動體飽和重度18.0 kN/m3，安全系數為1.0，考慮動水壓力和浮托力，滑體土的孔隙度0.8，不考慮承壓水的浮托力與坡面外的靜水壓力的作用，不考慮地震力。

簡單邊坡模型見圖3。坡面數據、水面數據、滑動面數據及滑體推力計算如表1～表5所示。

表1 坡面數據

坡面線段數1起始點標高/m8.0段號投影Dx/m投影Dy/m附加力數110.05.00

表2 水面數據

表3 滑動面數據

表4 滑體推力計算(一)

2.2 算例

通過一個算例來分析抗滑樁增設排水功能后的意義。算例示意圖見圖4。算例基本參數：

1)樁混凝土強度等級：C30；2)樁縱筋合力點到外皮距離：35 mm；3)樁縱筋級別：HRB335；4)樁箍筋級別：HPB235；5)樁箍筋間距：200 mm；6)樁配筋形式：縱筋均勻配筋；7)抗滑樁類型：一般抗滑樁；8)樁背與樁后填土摩擦角：15.0°；9)樁后填土容重：18.0 kN/m3；10)橫坡角以上填土的土摩阻力：25.0 kPa；11)橫坡角以下填土的土摩阻力：25.0 kPa。

2.3 抗滑樁驗算

2.3.1 不排水時抗滑樁數值模擬

1)樁身尺寸:樁總長：11.0 m；嵌入深度：3.0 m；截面形狀：圓樁；樁徑：1.0 m；樁間距：5.0 m；嵌入段土層數：1；樁底支撐條件：固定；計算方法：K法[3]。

2)坡體參數：土層厚：20.0 m；內摩擦角：20.0°；重度：18.00 kN/m3；土摩阻力：25.0 kPa；K：10.0；被動土壓力調整系數：1.0；樁前滑動土層厚：8.0 m；坡線與滑坡推力：坡面線段數：1；地面橫坡角度：20.0°；墻頂標高：0.0 m;水平投影長：10.0 m；豎向投影長：5.0 m。

表5 滑體推力計算(二)

3)樁身內力計算。計算方法：K法；庫侖土壓力計算，計算過程如圖5所示。

計算高度為8.0 m處的庫侖主動土壓力；第1破裂角：50.0°；Ea=583.180,Ex=563.309,Ey=150.938 kN；土壓力合力作用點高度Zy=2.667 m；背側為擋土側；面側為非擋土側。

背側最大彎矩Mdmax=4 302.999 kN·m；距離樁頂10.786 m。

面側最大彎矩Mfmax=602.488 kN·m，距離樁頂5.111 m。最大剪力Vmax=1 339.502 kN，距離樁頂8.000 m；最大位移Smax=53 mm。

結論為：超筋，且為縱筋超筋，即該抗滑樁屬于脆性破壞類型。

2.3.2 排水情況下抗滑樁數值模擬

排水樁利用排水原理將邊坡土體中的大部分水通過排水管向外排出，土體參數中的內摩擦角度將變大，不排水時為20°，排水時取值為25°。抗滑樁及土體其他條件相同(由于土體內摩擦角的改變，滑坡剩余下滑力將改變，采用庫侖土壓力計算)。計算過程和結果如下：

庫侖土壓力計算：計算高度為8.0 m；第1破裂角：50.0°；Ea=439.634,Ex=424.654,Ey=113.786 kN；土壓力合力作用點高度Zy=2.667 m。

樁身內力計算。計算方法：K法；背側為擋土側；面側為非擋土側。背側最大彎矩Mdmax=3 243.845 kN·m；距離樁頂10.786 m；面側最大彎矩Mfmax=454.190 kN·m；距離樁頂5.111 m；最大剪力Vmax=1 009.79 kN；距離樁頂8.0 m；最大位移Smax=40 mm。根據《鐵路路基支擋結構設計規范》可知，懸臂式抗滑樁樁頂位移應小于樁懸臂端長度的1/100，且不宜大于10 cm，此處Smax=40 mm<110 mm，且小于10 cm，故符合設計規范要求。

綜上，數值模擬對比分析表明：同等條件下，當采用不排水樁時，抗滑樁超筋；當采用排水樁時，抗滑樁適筋。因此排水樁更加合理，具有較好的支擋效果，從而證明了抗滑樁增設排水功能的意義。

3 結語

1)文中根據達西定律和流量相等原理設計的具有排水功能的抗滑樁，并詳細闡述了抗滑樁濾水孔的設計方案和其在樁身的具體布設情況。

2)文中在對樁身設計時，用CFRP筋替代鋼筋，可提高抗滑樁的耐腐蝕性，進而可延長樁體的使用壽命。

3)本文提出的抗滑樁排水系統，經數值模擬，驗證了其排水的意義。

[1] 盧應發，周盛沛，羅先啟，等.滲流對抗滑樁加固滑坡后的影響效果評價[J].巖石力學與工程學報，2007(9)：1840-1846.

[2] 李新強，楊 健，陳祖煜.滲流與抗滑樁的抗滑穩定性分析[J].水文地質工程地質，2004(3)：66-68.

[3] 吳新星.邊坡抗滑樁受力分析與結構優化[D].宜昌：三峽大學碩士學位論文，2010.

[4] 古 浩.邊坡穩定及抗滑樁加固研究[D].南京：河海大學碩士學位論文，2006.

[5] 胡成寶，朱劍鋒，諸葛萍，等.一種排水抗滑樁：中國專利，ZL201220581962.7[P].2013-07-25.

[6] TB 10025-2006,鐵路路基支擋結構設計規范[S].

The design of an anti-slide pile with drainage function and its verification★

WANG Si-cong ZHU Jian-feng AI Shu-gang DENG Yue-bao

(FacultyofArchitecturalCivilEngineeringandEnvironment,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

This paper put forward the theoretical basis of drainage anti slide pile drainage system design, based on this designed a new anti slide pile system integration of drainage and anti slide, based on the software, developed the compare and analysis on new anti slide pile and traditional anti slide pile. The numerical simulation results showed that: the new drainage anti slide pile drainage had obvious effect, had important role to improve the landslide stability.

anti slide pile, drainage system, simulation test, CFRP

1009-6825(2014)13-0061-03

2014-02-20★：浙江省科技廳公益項目(項目編號：2012C21058)；寧波市自然科學基金項目(項目編號：2012A610160)

汪思聰(1992- )，男，在讀本科生； 朱劍鋒(1982- )，男，講師； 艾述剛(1992- )，男，在讀本科生； 鄧岳保(1981- )，男，講師

TU473

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