抗滑樁的優化設計研究

【摘?要】本文主要研究抗滑樁與土相互作用的理論，樁間及樁后土拱效應，在此基礎上考慮抗滑樁的設計參數樁間距、樁截面、錨固深度對抗滑樁的工作性能的影響，提出優化設計方法。

【關鍵詞】抗滑樁;土拱效應;優化設計

抗滑樁是利用穩定地層的錨固作用和被動抗力來平衡滑坡推力。具有抗滑能力強、施工安全，地質條件準確等優點，廣泛應用于邊坡加固工程中。

1.樁與土的相互作用

研究抗滑樁根本在于它與滑坡體之間受力與變形的作用過程。從理論角度，目前抗滑樁研究主要有兩大類方法，一類是以抗滑樁與滑坡體的應力分析為主的壓力法;另一類是以抗滑樁與滑坡體的位移分析為主的位移法。

目前，抗滑樁與巖土體的相互作用主要通過文克勒地基模型理論來確定，滑坡巖土體與抗滑樁的相互作用主要通過不均勻變形引起的的土拱效應來實現。對于整體，土拱效應就是通過調整內部應力分布把滑坡推力傳遞到抗滑樁上的現象。對于土體，土拱效應實質上是土體充分調動自身抗剪性能以抵抗滑坡推力的現象。抗滑樁樁后土拱效應的研究：一是對土拱效應形成機理和影響因素的研究;二是運用結構力學方法，建立數學或數值模型，綜合分析整體穩定性問題。

2.樁的設計參數的計算

2.1合理間距及其公式推導

（1）基本假定：樁間土拱為對稱于跨中的拋物線形，并且相鄰兩樁間的土拱主要形成于樁間后側坡體中;土拱自重不計，忽略土拱效應由上而下逐漸減弱的情況，土拱問題近似簡化為沿樁長方向的平面應變問題;樁后坡體壓力沿樁間均勻分布，并且以均勻分布的形式作用于土拱上。

（2）計算模型及樁間距的確定

常見抗滑樁的截面形狀有矩形、圓形等，這里以矩形截面抗滑樁分析后得到樁間凈距表達式：

在其他因素不變，樁間凈距與土體粘聚力、內摩擦角應成正比。因此，考慮到邊坡抗滑樁加固工程的可靠性，在實際應用中可對式中土體粘聚力和內摩擦角值進行折減，計算得出的樁間凈距即為實際采用的樁間凈距。折減系數取值：

2.2 樁的截面

抗滑樁的截面形狀包括矩形和圓形，但考慮到樁的受力條件和施工方便，抗滑樁以采用正面一邊較短、側面一邊較長的矩形截面為好。尺寸大小根據下滑力大小、樁距以及錨固段的側壁容許壓應力等因素綜合考慮。

2.3 樁的錨固深度

錨固深度是抗滑樁發揮抵抗滑體推力的賴以生存的前提和條件。當錨固段地層為土層及嚴重風化破碎巖層時，樁身對地層的側壓力應符合下列條件：

式中：-樁身對地層的側壓應力，kPa;-地層巖（土）的重度，kN/m3;

-地層巖（土）的內摩擦角，°;-地層巖（土）粘聚力，kPa;-地面至計算點的深度，m。樁底可按自由支承處理，即令=0，=0。當錨固段地層為比較完整的巖質、半巖質地層時，樁身對圍巖的側向壓應力應符合下列條件：

式中：-樁身對圍巖的側壓應力，kPa;-折減系數，根據巖層產狀的傾角大小，取0.5～1.0;-折減系數，根據巖層的破碎和軟化程度，取0.3～0.5;-圍巖巖石單軸抗壓極限強度，kPa。樁底可按鉸支承情況處理，即令=0，=0。根據經驗，對于土層或軟質巖層，錨固深度取l/3～1/2樁長比較合適，對于完整、較堅硬的巖層可取1/4樁長。

3.抗滑樁優化設計

在抗滑樁與滑坡體相互作用機理的基礎上，考慮工程安全和經濟雙重標準要求，根據基于土拱效應的樁間距計算模型確定抗滑樁間距，保證樁后土拱和樁間土拱共同分擔滑坡推力荷載，使抗滑樁發揮更好的抗滑效果。同時，要將抗滑樁的樁型參數與布設參數同時考慮，方可以實現抗滑樁優化。

3.1單因素法

單因素法分為兩類：同時試驗設計和序貫試驗設計。序貫試驗設計要求分批進行試驗，后批試驗需根據前批試驗結果進一步優化后序貫進行，直到獲取最佳試驗結果。現就以一維黃金分割法的原理進行優化設計。

黃金分割試驗設計就是在預定試驗范圍內采用0.618黃金分割原理安排新試驗點，直到找到最佳試驗結果為止。黃金分割就是在特定范圍內尋求黃金分割點（k）及對稱點（1-k）。涉及兩個層面：一是已知試驗范圍內的黃金分割點的尋求，二是新試驗范圍的確定與進一步尋優。首先在試驗范圍（a，b）內，按照0.618黃金分割原理安排兩個試驗點x1、x2，然后根據試驗結果確定進一步的試驗范圍。如此不斷地進行下去，直到找到最優點為止。

3.2多因素法

單因素法是針對于其他因素固定的單因素分析的結果，根據設計參數的性質，可分為樁型參數和布設參數，前者主要指抗滑樁截面尺寸和錨固比，而后者主要指抗滑樁的樁間距。首先研究樁型參數對布設參數的影響，在基于土拱的最大樁凈距計算模型有抗滑樁截面高度，因此在確定最大或最小樁間距時是針對抗滑樁截面尺寸已經確定的模型而言。其次研究抗滑樁布設參數對樁型參數的影響，例如在進行抗滑樁截面尺寸和錨固比計算時，必須首先確定樁間距，根據樁間距和滑坡縱剖面單寬的推力確定單個抗滑樁所承受的滑坡推力。

綜合單因素法和樁型參數與布設參數之間的關系，根據不等樁間距布設原則，首先根據滑坡推力的大小給定初始樁間距，然后通過已知樁間距的前提下進行抗滑樁截面尺寸和錨固比優化，根據確定的截面尺寸和錨固比又反過來驗算初始樁間距是否合適，如果不合適，將進一步根據建立的抗滑樁最小樁間距模型和最大樁間距模型提出合理的樁間距，同時復核截面尺寸和錨固比。通過上述的循環迭代，可以根據對于抗滑樁樁間距模型的研究、截面尺寸優化研究和錨固比研究的相關成果，為抗滑樁優化提供了一個切實可行的綜合優化方案。

4結論

根據抗滑樁與滑坡體相互作用機理。在進行單樁工程投資優化的同時，考慮抗滑樁樁排的平面綜合布設，根據提出的不等樁間距布設原則，進一步使抗滑樁與滑坡體實現協同工作的最佳狀態，以實現工程安全和投資經濟的雙重目標。

參考文獻：

[1]吳鵬.考慮樁土滑移和整體剛度動態調整的群樁分析方法[J].巖土工程學報，2007.

[2]王成華.抗滑樁間土拱力學特性與最大樁間距分析[J].山地學報，2001.

[3]周德培.邊坡工程中抗滑樁合理樁間距的探討[J].巖土工程學報，2004.

作者簡介：

劉偉（1989.11-今），男，漢族，四川內江，碩士研究生，研究方向：巖土工程

（作者單位：1重慶市地質礦產勘查開發局208水文地質工程地質隊;2重慶市地質災害防治工程勘查設計院）