弧形排樁—連系梁抗滑結(jié)構(gòu)加固隧道口滑坡應(yīng)用研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張志偉，鄧榮貴，鐘志彬

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

弧形排樁—連系梁抗滑結(jié)構(gòu)加固隧道口滑坡應(yīng)用研究及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張志偉，鄧榮貴，鐘志彬

(西南交通大學(xué)土木工程學(xué)院，成都 610031)

因隧道洞口所在坡體產(chǎn)生滑坡，導(dǎo)致隧道洞口附近襯砌發(fā)生變形破壞。為控制隧道襯砌變形破壞，采取增加型鋼，加強(qiáng)隧道襯砌的補(bǔ)救措施。但在滑坡推力作用下，型鋼發(fā)生不同程度的變形破壞，故此，單獨(dú)加固隧道襯砌并不能有效控制隧道變形。擬采用抗滑樁加固隧道所在滑坡體，通過(guò)增加抗滑力控制隧道變形。因單樁抗滑能力有限，為保證提供足夠的抗滑力，需要加大樁身截面尺寸，增加樁長(zhǎng)，甚至增加樁數(shù)減小樁間距及增加排數(shù)，如此，會(huì)增加施工難度，提高工程造價(jià)；而通過(guò)在樁頂設(shè)置連系梁，使各樁聯(lián)合作業(yè)形成整體，可提高抗滑能力。該庫(kù)岸滑坡坡面與水面交界處成弧形分布，依據(jù)坡面地形將抗滑樁按弧形布置，樁頂設(shè)置弧形連系梁，并在連系梁兩端設(shè)置高強(qiáng)度抗力樁限制其端部位移。通過(guò)具體工程實(shí)例計(jì)算分析，比較連系梁剛度對(duì)抗滑結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布的影響規(guī)律及加固效果。

滑坡隧道；弧形排樁；弧形連系梁；內(nèi)力分布；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1 概述

我國(guó)西部地區(qū)山脈縱橫，地勢(shì)險(xiǎn)峻，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜[1]，為保證線路結(jié)構(gòu)和行車安全，在復(fù)雜地形、地質(zhì)段一般是以隧道通過(guò)，而坡體災(zāi)害會(huì)對(duì)隧道造成變形破壞[2]；在嚴(yán)重偏壓地段修建隧道洞口，且洞口存在滑坡時(shí)，洞口處理措施十分復(fù)雜[3]。如坡體環(huán)境條件發(fā)生變化，如修建水庫(kù)等，會(huì)進(jìn)一步增加滑坡災(zāi)害的發(fā)生幾率。

為整治滑坡地段隧道變形，陶志平等[4]以東榮河隧道滑坡為原型，進(jìn)行了無(wú)樁及樁隧間距變化的室內(nèi)模型試驗(yàn)，研究了滑坡體內(nèi)壓力和位移的變化規(guī)律，并分析了隧道的受力情況；為研究滑坡與隧道之間的相互作用機(jī)理及受力變形規(guī)律，毛堅(jiān)強(qiáng)等[5]應(yīng)用有限元算法對(duì)受力變形特征進(jìn)行了分析。

基于某隧道襯砌發(fā)生變形破壞，增強(qiáng)隧道襯砌對(duì)控制變形效果不佳的工程實(shí)例，分析采用抗滑樁加固滑坡體，以控制隧道變形破壞的可行性。針對(duì)滑坡治理，應(yīng)從地形、地質(zhì)特征等角度確定滑坡體的性質(zhì)，并采取有針對(duì)性的加固措施[6]。根據(jù)滑坡表面的分布形狀，擬采用弧形排樁進(jìn)行加固，為提高抗滑樁的整體穩(wěn)定性，使其聯(lián)合作業(yè)，在樁頂設(shè)置弧形連系梁；為控制弧形連系梁兩端的位移，在端部設(shè)置高強(qiáng)度抗力樁，使連系梁的受力性能類似于拱，如此，可發(fā)揮混凝土的抗壓優(yōu)勢(shì)。根據(jù)地形條件，優(yōu)化連系梁矢跨比及布置形式，并計(jì)算分析連系梁剛度對(duì)其內(nèi)力的影響規(guī)律。

2 工程概況

該隧道全長(zhǎng)1 768 m，洞口施工至200 m時(shí)，受到滑坡影響，洞身設(shè)計(jì)變更為S形。隧道設(shè)計(jì)建筑限界為10.5 m×5.0 m，采用曲邊墻斷面結(jié)構(gòu)形式，洞口采用端墻式，洞身按新奧法施工原理進(jìn)行結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。隧道進(jìn)口端洞口開(kāi)挖后，山體仰坡產(chǎn)生裂縫，長(zhǎng)約15 m，寬度1～3 cm，同時(shí)洞口附近初期支護(hù)發(fā)生開(kāi)裂。2011年水電站蓄水后，隧道自進(jìn)口180 m和380 m處襯砌頂部出現(xiàn)裂縫，側(cè)壁保護(hù)層剝落，鋼筋外露，經(jīng)過(guò)調(diào)查分析，為水庫(kù)蓄水誘發(fā)坡體滑動(dòng)變形所致，隧道與滑坡的位置關(guān)系如圖1所示。

為控制該隧道變形，保證其正常運(yùn)行，采取增加型鋼，補(bǔ)強(qiáng)襯砌的補(bǔ)救措施，具體施工方式如圖2所示。

但采用型鋼加固后，控制隧道變形效果并不明顯，在滑坡推力作用下，部分型鋼發(fā)生變形破壞，破壞形式如圖3所示。

圖1 滑坡隧道地貌

圖2 型鋼加固隧道襯砌

圖3 加固型鋼變形破壞

根據(jù)加固效果，發(fā)現(xiàn)增加襯砌強(qiáng)度不能有效控制隧道變形，所以，擬采用抗滑樁加固滑坡體，控制隧道變形。以下就抗滑樁加固該滑坡的可行性進(jìn)行分析，并對(duì)抗滑結(jié)構(gòu)內(nèi)力進(jìn)行計(jì)算分析。

3 抗滑結(jié)構(gòu)理論分析

抗滑樁通過(guò)平衡滑坡推力，使邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)[7]，進(jìn)而控制隧道變形破壞。S.Hassiotis等[8]根據(jù)圓弧滑動(dòng)模式，分析了抗滑樁對(duì)滑坡的加固效果。Mohamed Ashour和Hamed Ardalan[9]基于樁土相互作用，研究了樁間距對(duì)樁身抗滑能力的影響。R.Kourkoulis等[10]根據(jù)樁身受荷段長(zhǎng)度、及其與錨固段的長(zhǎng)度比及樁間距等影響因素，分析了樁身內(nèi)力及位移。

為優(yōu)化單樁的受力性能，提高整體性，曾慶義等[11]提出了樁頂圈梁可協(xié)調(diào)各樁的受力和變形，使之成為一個(gè)整體。在理論計(jì)算方面，高印立等[12]提出了直線形圈梁-排樁協(xié)同作用的簡(jiǎn)化分析方法，分析計(jì)算了圈梁及樁身的內(nèi)力和位移。張志偉等[13]假定樁頂與連系梁之間的約束冗力為水平集中力，計(jì)算分析了計(jì)算模型為兩鉸拱的連系梁內(nèi)力及抗滑樁的內(nèi)力與位移，表明弧形連系梁彎矩小，受壓為主，且能夠有效約束樁身位移。

為與工程實(shí)際相符，將樁頂弧形連系梁的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為無(wú)鉸拱，假定樁頂與連系梁之間的約束條件為固結(jié)。利用抗滑樁與連系梁之間的變形協(xié)調(diào)，計(jì)算連系梁內(nèi)力，并分析連系梁剛度對(duì)其影響，同時(shí)分析控制點(diǎn)處樁身內(nèi)力及位移。

3.1 抗滑結(jié)構(gòu)構(gòu)造

抗滑結(jié)構(gòu)的具體構(gòu)造示意如圖4所示，圖4中抗滑樁呈弧形布置，樁頂設(shè)置弧形連系梁，二者形成拱形樁梁抗滑結(jié)構(gòu)，為與工程實(shí)踐相符，假定樁頂與連系梁之間的連接條件為固結(jié)。抗滑樁的布樁方式為徑向布樁，即樁身長(zhǎng)邊方向與樁頂處連系梁法線平行。

圖4 弧形排樁-弧形連系梁抗滑結(jié)構(gòu)構(gòu)造

為約束連系梁兩端位移，提高作為拱腳的兩端抗力樁的強(qiáng)度，以提供水平抗力，使連系梁發(fā)揮拱的作用。連系梁與樁頂之間的約束冗力分布形式如圖5、圖6所示。

圖5 i樁樁頂處連系梁受力模型

圖6 i樁樁頂受力模型

i——樁頂與連系梁之間的冗力位置或編號(hào)，其中i包括B端；

k——樁頂與連系梁之間的冗力類型編號(hào)，分為5種類型(k=1，2，3，4，5)，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

1—沿x′軸正方向的集中力；2—沿y′軸正方向的集中力；3—指向x′軸正方向的矩；4—指向y′軸正方向的矩；5—指向z′軸正方向的矩。

以連系梁與樁頂之間的約束冗力為分析對(duì)象，在單一單位冗力作用下，推導(dǎo)連系梁的內(nèi)力計(jì)算公式，計(jì)算柔度系數(shù)，建立柔度矩陣；同時(shí)，在樁頂未知冗力作用下，建立含冗力的樁頂位移表達(dá)式；然后根據(jù)樁頂與連系梁之間的位移協(xié)調(diào)條件，建立典型方程并求解冗力；最后根據(jù)冗力計(jì)算連系梁和抗滑樁的內(nèi)力及位移。

3.2 連系梁內(nèi)力分析

將弧形連系梁的計(jì)算模型簡(jiǎn)化為拱軸在水平面內(nèi)，拱軸作用多余約束的無(wú)鉸拱，計(jì)算模型如圖7所示。

圖7 連系梁計(jì)算模型平面

為便于分析連系梁內(nèi)力，建立整體坐標(biāo)系A(chǔ)xyz，原點(diǎn)為弧形連系梁左端A，x軸為弧形連系梁左右端連線，以指向右端為正，整體坐標(biāo)系中的z軸與局部坐標(biāo)系中的z′軸相互平行，以豎直向上為正，取如圖8所示的以B端的集中力、彎矩及扭矩為多余約束的基本體系。

圖8 無(wú)鉸拱結(jié)構(gòu)基本體系

圖9 連系梁任一點(diǎn)p內(nèi)力

k及i在前文已做說(shuō)明，此處不再贅述，j及p的具體說(shuō)明如下。

p——單一冗力作用力下，需要計(jì)算內(nèi)力的任一點(diǎn)，其中p點(diǎn)包括左端部A。

j——在i處冗力k作用時(shí)，在p點(diǎn)引起的內(nèi)力j，分為5種類型(j=1，2，3，4，5)，具體對(duì)應(yīng)關(guān)系如下。

1—點(diǎn)p處沿x′軸方向的剪力；2—點(diǎn)p處沿y′軸方向的軸力；3—點(diǎn)p處繞x′軸的彎矩；4—點(diǎn)p處繞y′軸的扭矩；5—點(diǎn)p處繞z′軸的彎矩。

3.3 抗滑樁變形位移分析

圖10 抗滑樁計(jì)算模型

抗滑樁計(jì)算模型為如圖10所示的彈性地基梁，圖10中x′軸為樁頂沿連系梁法向位移方向，y′軸為樁頂沿連系梁切向位移方向。抗滑樁在滑動(dòng)面上、下均按彈性地基梁計(jì)算，計(jì)算模型為“m-K”法。

根據(jù)樁底的約束條件，利用彈性樁的計(jì)算方法，可得樁頂位移及轉(zhuǎn)角的計(jì)算表達(dá)式。以樁底為自由端為例，樁頂位移及轉(zhuǎn)角的計(jì)算公式如式(2)所示。

3.4 抗滑結(jié)構(gòu)柔度方程

利用連系梁與樁頂連接處的位移協(xié)調(diào)條件，可建立如式(3)所示的抗滑結(jié)構(gòu)柔度方程

其中，δ為如式(4)所示的柔度系數(shù)矩陣；X為弧形連系梁與樁頂之間的冗力；v為與X所對(duì)應(yīng)的位移。

冗力X為如式(5)所示的分塊矩陣

冗力矩陣X各子塊元素可用式(6)表示

位移矩陣v為如式(7)所示的分塊矩陣

位移矩陣v各子塊元素可用式(8)表示

4 抗滑結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

受荷段樁前土體地基系數(shù)的比例系數(shù)m=4 MN/m4，錨固段地基系數(shù)K=300 MN/m3。如抗滑樁布置為一跨，矢高較大，不利于抗滑結(jié)構(gòu)受力，且難于施工。根據(jù)地形，按5連拱形式布置，每跨按圖4所示弧形布置，具體按y=x(84-x)/126拋物線排列，樁長(zhǎng)24 m，其中受荷段h1=16 m，錨固段h2=8 m，樁間距沿跨度方向?yàn)? m，每跨樁頂連系梁跨度l=14×6 m，滑坡推力按三角形分布，在滑面處的強(qiáng)度Δq=800 kPa。樁截面尺寸2 m×3 m，長(zhǎng)邊與x′軸平行，樁身各面所受滑坡推力為沿弧形系梁法向及切向的分量。樁頂連系梁寬3 m，樁與樁頂連系梁的彈性模量均為E=26 GPa，樁底邊界條件按自由端考慮。

4.1 連系梁內(nèi)力分布特征

圖11 連系梁內(nèi)力圖

由圖11(a)可知，隨連系梁高度增加，剪力數(shù)值整體呈增大趨勢(shì)，但增加并不明顯；由圖11(b)可知，隨連系梁高度增加，軸力整體明顯增加；由圖11(c)可知，隨連系梁高度增加，連系梁繞x′軸彎矩?cái)?shù)值整體增加，且在端部附近增加幅度較大；由圖11(d)可知，隨連系梁高度增加，扭矩?cái)?shù)值整體呈增大趨勢(shì)，且在端部附近增加明顯；由圖11(e)可知，隨連系梁高度增加，彎矩?cái)?shù)值略有增加。

4.2 抗滑樁內(nèi)力及位移分布特征

根據(jù)圖11所示的連系梁內(nèi)力變化趨勢(shì)，內(nèi)力在A端部最大，在1號(hào)樁樁頂處突變最大，因此，將端部A抗力樁及1號(hào)樁取為控制樁。以1號(hào)樁為例，計(jì)算分析連系梁高度h對(duì)樁身在控制方向的內(nèi)力及位移，即沿x′軸方向的剪力、繞y′軸的彎矩及沿x′軸方向的位移的影響規(guī)律，計(jì)算結(jié)果如圖12所示。

圖12 1號(hào)樁樁身內(nèi)力位移圖

由圖12(a)可知，在樁頂連系梁約束下，樁身沿x′軸方向剪力隨連系梁高度增加而增加，尤其對(duì)樁頂部分影響明顯；由圖12(b)可知，在連系梁約束下，樁頂在繞y′軸方向產(chǎn)生反向彎矩，在受荷段，樁身彎矩最大值隨連系梁高度增加而增加，主要為連系梁高度增加，約束效果加強(qiáng)，在錨固段則相反；由圖12(c)可知，連系梁能夠有效約束樁頂在x′軸方向的位移，且隨連系梁高度增加，約束效果明顯增強(qiáng)。

5 結(jié)論

(1)在整治滑坡地段隧道變形破壞時(shí)，采用抗滑樁可限制坡體位移，降低作用于隧道的滑坡推力，改善隧道的受力狀態(tài)。

(2)增加樁頂連系梁，可提高抗滑樁的整體穩(wěn)定性，通過(guò)樁頂連系梁的約束協(xié)調(diào)作用，各樁聯(lián)合作業(yè)，抗滑能力增強(qiáng)。

(3)弧形連系梁能夠有效約束樁身位移，同時(shí)可改變抗滑樁的受力狀態(tài)，使其內(nèi)力分布更加均勻合理，以受壓為主，能夠充分發(fā)揮混凝土的抗壓性能。

(4)在滿足坡體位移要求的前提下，適當(dāng)降低樁頂連系梁的高度，減小其剛度，可大幅減小連系梁和抗滑樁內(nèi)力，對(duì)抗滑結(jié)構(gòu)內(nèi)力分布有利。

[1] 肖鋒，仝浩.七里坪隧道淺埋偏壓段支護(hù)措施優(yōu)化研究[J].現(xiàn)代隧道技術(shù)，2012(1):96-99．

[2] 周德培，毛堅(jiān)強(qiáng)，張魯新，馬惠民.隧道變形與坡體災(zāi)害相互關(guān)系及其預(yù)測(cè)模式[J]. 鐵道學(xué)報(bào)， 2002(1):82-87.

[3] 閆超平.復(fù)雜地形、地質(zhì)情況下隧道洞口段設(shè)計(jì)[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2012(6):117-120.

[4] 陶志平，周德培.用抗滑樁整治滑坡地段隧道變形的模型試驗(yàn)研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2004(3):101-104.

[5] 毛堅(jiān)強(qiáng)，周德培.滑坡-隧道相互作用受力變形規(guī)律的研究[J].西南交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2002(4):21-26．

[6] 周革.山前區(qū)云母石英片巖風(fēng)化層滑坡分析與治理[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，2014(4):14-17．

[7] 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院.抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:中國(guó)鐵道出版社，1983.

[8] Hassiotis， S.， J. Chameau and M. Gunaratne， Design Method for Stabilization of Slopes with Piles[J]. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 1997， 123(4): 314-323．

[9] Ashour， M. and H. Ardalan， Analysis of pile stabilized slopes based on soil-pile interaction[J]. Computers and Geotechnics， 2012(39):85-97．

[10] Kourkoulis， R.， et al. Slope Stabilizing Piles and Pile-Groups: Parametric Study and Design Insights. Journal of Geotechnical and Geoenvironmental Engineering， 2011，137(7):663-677.

[11] 曾慶義，劉明成.支護(hù)樁圈梁的作用機(jī)理與計(jì)算分析[J]. 巖土力學(xué)，1995，16(2):74-82．

[12] 高印立，徐建新，陳環(huán).排樁與圈梁協(xié)同作用下考慮開(kāi)挖過(guò)程的撓曲方程法[J].土木工程學(xué)報(bào)，2001，34(1):67-72．

[13] 張志偉，鄧榮貴.弧形間隔排樁-樁頂拱梁空間抗滑結(jié)構(gòu)理論研究[J].巖土力學(xué)，2013，34(12):3403-3409，3430．

The Application Research and Optimization Design of Row Piles with Coupling Beam Strengthened Structure on Landslide at Tunnel Portal

Zhang Zhiwei， Deng Ronggui， Zhong Zhibin

(School of Civil Engineering， Southwest Jiao tong University， Chengdu 610031， China )

The slope at tunnel portal is likely subject to landslide and lead to deformation and failure of lining around the tunnel portal. In order to control the deformation of the tunnel lining， the measure to strengthen the tunnel lining with additional formed steels is taken. However， the formed steels suffer deformation and failure of different degrees under the landslide thrust， so strengthening the tunnel lining alone cannot control the deformation effectively， while， the anti-slide pile can do the job. As the resistance of single pile is limited， in order to ensure the adequate sliding resistance， it is required to increase the pile section， the length of pile， the number of pile， and even the row of pile， which will result in higher project cost and more difficulties in construction. By adding coupling beam on the top of anti-slide piles can improve the resistance force with the integration of all piles working together. The intersection of the landslide and water surface is distributed in arch form， according to the actual situation， the measure of arc row piles with arc coupling beam on pile top can be taken to strengthen the landslide， at the same time， high strength resistance piles is set up on both ends of the coupling beam to limit the deformation. Through engineering example， the internal forces of the anti-slide structure and the reinforced effect are analyzed under the influence of stiffness of the coupling beam．

Landslide-tunnel; Arch row piles; Arch coupling beam; Internal force distribution; ptimized design

2014-06-30；

：2014-07-04

國(guó)家自然科學(xué)基金資助項(xiàng)目(41272321);高等學(xué)校博士學(xué)科點(diǎn)專項(xiàng)科研基金(20120184110023)

張志偉(1979—)，男，博士研究生，E-mail：zwzhangswjtu@163.com。

1004-2954(2014)11-0108-05

U459.2

：A

10.13238/j.issn.1004-2954.2014.11.025