淺談圓形抗滑樁在滑坡治理工程中的應用

周健

摘要 隨著滑坡治理工程的增多和機械化水平的提高，圓形截面抗滑樁因其成孔速度快、周期短、施工安全性高的優勢逐步受到更多青睞，但依然存在一些問題。文章針對圓形抗滑樁相較于傳統矩形抗滑樁對比分析，并結合工程實例，指出圓形抗滑樁設計應用方面存在的問題，提出改進建議。

關鍵詞 圓形抗滑樁；矩形抗滑樁；對比分析

中圖分類號 P642.22文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2023）10-0037-04

0 引言

長期以來，抗滑樁作為一種支擋結構經常應用于滑坡整治中，由于其處治效果好、布置靈活、適應條件廣等多方面優點而被廣泛使用。現階段，我國在滑坡整治中多采用矩形抗滑樁，其理論計算和設計方法較為成熟，而對于圓形抗滑樁的研究較少[1]，且當前抗滑樁設計相關規范對圓樁及矩形樁無明確區分，計算時基本將圓樁等效為矩形樁，筆者就受力分析、規范理論結合工程設計經驗，就兩種設計樁型的區別聯系作簡單論述。

抗滑樁自21世紀50年代在國內應用以來，先后經歷了人工挖孔矩形抗滑樁、機械成孔圓形抗滑樁和機械成孔矩形抗滑樁三個主要階段。過去的人工挖孔矩形樁順應了我國20世紀人力資源成本低且矩形截面受力性能更好的各方面需求，而隨著本世紀以來我國人工成本的提高、機械化工業的發展以及對安全生產要求的提高，機械成孔樁比例不斷提高，但現在的圓形截面樁抗彎能力卻不符合有效利用材料的原則。該文將分別從受力分析、土拱效應、配筋計算等方面將圓形抗滑樁與傳統矩形抗滑樁比較分析。

1 兩種抗滑樁對比分析

1.1 受力分析

抗滑樁在滑坡推力的作用下，樁體表現為一側受拉、一側受壓，設計時主要對其抗剪能力和抗彎能力進行結構驗算。眾所周知，結構的抗彎能力取決于慣性矩的大小，一般情況下，抗彎截面模量與截面高度h相關，所以盡量使得截面面積分布在遠離中性軸的地方，才能盡可能地提高抗滑樁抗彎截面模量，從而獲得更大的抗彎能力。

對于常用的矩形截面、圓形截面抗滑樁進行比較分析如下：

設兩種截面的抗滑樁面積相同都為A，矩形截面的寬度為b、長度為h，圓形截面的直徑為d，則兩種現狀的面積和慣性矩可分別如下表示：

再根據材料力學公式：

式中，M——橫截面的彎矩；I——對中軸的慣性矩；W——抗滑樁抗彎截面系數。當假定樁體σmax截面最大應力相等時：

以常用的面積2 m×3 m的矩形抗滑樁為例，在相同面積的情況下，圓形的直徑為2.8 m，分別計算抗彎截面系數結果如下：

由表2可知，在相同截面面積的情況下，矩形抗滑樁相比較于圓形抗滑樁增加的抗彎能力基本和自身的截面高寬比相近，但在設計時不能片面追求抗彎截面系數而采用很大的高寬比，這樣會造成樁體截面高寬比過大失穩，所以規范中給出1.5～1.8為適宜。另一方面可見，圓形抗滑樁的抗彎受力性能只有矩形樁的63%～70%左右，再加上配筋時圓形截面很難將受拉鋼筋都分布在遠離中性軸側，實際抗彎能力會更低。

1.2 土拱效應

在滑坡推力的作用下，樁間巖土體和樁后巖土體由于不均勻變形的存在，出現了應力重分布，從而導致了應力從巖土體向抗滑樁的轉移，這種現象就叫做土拱效應。圓形抗滑樁由于迎土弧面棱角性差，在滑坡體向前移動時，土體發生繞樁移動的現象，較難形成具有較大承載力的土拱，導致下滑力不能轉化為有效的滑坡推力[2]（如圖1所示）。

而矩形抗滑樁由于棱角性強，整個迎土面都可以參與形成承壓拱腳，土體不易發生繞流，樁間土體不能移動，從而被擠壓上鼓，拱高更高，拱腳處的土體強度更高，相較于圓形抗滑樁可以將更多的滑坡推力轉化至抗滑樁上。同時隨著樁間土體位移增大，端承土拱效應破壞而轉為摩擦土拱受力時，圓形抗滑樁只能沿著樁側滑動很短的距離，其拱跨一旦超過樁間凈距，就會徹底失效，所以矩形抗滑樁可以更為有效地抵抗滑坡推力（如圖2所示）。

土拱效應的形成主要和樁間距大小、接觸面形狀、巖土體性質和巖土體蠕變等因素有關[3]。樁間距是影響土拱效應最主要的因素。圓形抗滑樁本身土拱效應較差，為能夠更好地抵抗滑坡推力，需要采用較小的樁間距，增加了抗滑樁數量，經濟效益降低。樁間土容易擠出也是很重要的因素，所以目前圓樁抗滑效果還沒有得到業界的統一認可，難以形成土拱效應，但在某些工況下采用抗滑樁結合擋板設計，可以一定程度上解決圓形抗滑樁土拱效應不足的問題。

1.3 配筋計算

規范中對于矩形抗滑樁受彎正截面承載力公式如下：

規范中對于圓形抗滑樁有均勻配筋和非均勻配筋兩種形式，其中非均勻配筋正截面承載力計算公式如下：

式中，α1——混凝土強度系數（不超過C50時取1）；As、——分別為受拉區、受壓區縱向鋼筋截面積（m2）；h0——截面有效高度（m）；x——混凝土受壓區高度（m）；fy、——分別為鋼筋抗拉強度設計值和抗壓強度標準值（kN·m?2）；fc——混凝土軸心抗壓強度設計值（kN·m?2）；as——縱向受拉鋼筋布置范圍圓心角和2π的比值；——縱向受壓鋼筋布置范圍圓心角和2π的比值。

對于矩形抗滑樁，可以將主要的鋼筋布置在受拉區一側，受壓區按照構造配筋，充分利用鋼筋的抗拉和混凝土的抗壓性能，而圓形抗滑樁若采用均勻配筋，在受壓區或者靠近中心軸的鋼筋都不能有效地發揮鋼筋的受拉性能，只有as受拉區才能充分發揮鋼筋受拉性能。圓形抗滑樁鋼筋受拉區范圍常用取值為120°，受拉鋼筋分布范圍較少、平均受拉鋼筋合力點至中性軸距離較矩形抗滑樁更近，力臂短，提供的抗彎能力更差，為了滿足受力要求，勢必需要增大樁徑，增配更多鋼筋，造成工程造價的提高（如圖3所示）。

計算簡圖對比

2 工程分析

2.1 工程概況

某高速公路樁號ZK79+240～ZK79+324段路基東側山體，現狀地形起伏較大，邊坡坡率15～23°，場地高程40～100 m，屬于浙西北中山地貌單元。根據詳勘結果（如圖4所示），該區域地質條件主要指標如下：⑥1層含角礫粉質黏土、⑨1層粉質黏土、⑨2層含黏性土碎石、⑨3層黏土、層中風化白云質灰巖。土層分布及材料參數見表3：

2.2 滑坡邊坡基本特征

根據鉆探資料及現場調繪資料分析，推測坡積體范圍線，滑坡面積為3 765 m2。該邊坡下部巖石較堅硬，現山坡覆蓋層厚度3.4～9.5 m，由于山體較陡，在誘發因素具備的條件下將會向西側移動，經分析該邊坡僅有可能產生淺層滑動。按照上部土體完全滑動考慮（最不利條件所發生的極限狀態），根據橫斷面計算，該斷面坡積體面積1 191.70 m2，兩翼面積按照附近鉆孔揭示厚度計算（左側為3.4 m，右側為3.5 m），坡積體寬度47.80 m，則整個崩塌危巖體體積為52 586 m?（如圖5所示）。

2.3 滑坡分析穩定性計算

該段滑面位于坡積體較陡上部，按非正常工況Ⅰ下邊坡穩定系數Fs=1.20進行驗算，坡腳部位仍約有789 kN/m下滑推力。該段剩余下滑力較大，基巖面埋深總體較淺、滑體寬度較窄，考慮采用抗滑樁方案。綜合施工安全性影響，采用2 m圓形抗滑樁，按梅花形布置，樁間距4.5 m，樁長15～20 m（如圖6所示）。

上部坡積體設置抗滑樁后非正常工況Ⅰ土體飽和狀態時，邊坡最不利滑動面總下滑力等于1 378.8 kN，抗滑力等于1 668.4 kN，邊坡穩定系數Fs為1.21，滿足規范要求。

2.4 配筋設計

該設計的滑坡方向明確，采用非均勻配筋，受力更為合理，節約造價，利用巖土理正軟件計算，非均勻配筋受拉區范圍取為常用的120°，受壓區90°，其他位置為構造配筋（如圖7所示）。

對于主滑面受拉區配置直徑32 mm的鋼筋，采用內箍加筋的方式，3根一束，共11束33根，兩側20 m范圍，滑坡推力較小的地方采用2根一束的正常配筋方式；受壓區配置直徑32 mm的鋼筋2根一束，共14根；中間構造鋼筋采用直徑28 mm的鋼筋。和矩形抗滑樁不同，圓形抗滑樁在受壓側也會配置較多的鋼筋，是為了充分利用受壓區鋼筋的抗壓作用，減少受壓區截面高度，從而減少受拉區配筋面積[4]。

3 結語

圓形抗滑樁在應急搶險的滑坡治理中，相較于矩形抗滑樁有著更為廣泛的作用。傳統的矩形抗滑樁由于需要采用人工挖孔，施工速度慢，工期長，易發生安全事故，危害人身安全[5]。若地下水豐富，采用人工挖孔需要井點降水，一方面影響工期進度，另一方面引發的流土危害也有較大安全隱患，而采用圓形抗滑樁機械成孔的泥漿護壁，就很好地阻絕了滲流路徑，平衡了水壓差，有較大的臨界水力比，相對更加安全可靠。

所以圓樁的優點主要表現為機械成孔的效率及安全性，而矩形抗滑樁的優點表現為剛度大、抗彎能力強，可承受較大的滑坡推力，未來可以考慮在設計及施工工法上優化，采用多次機械成孔的方式，組合成符合有效利用材料的異形樁（相同面積比下有著較大的彎矩抵抗距），不但能發揮機械施工的長處，也能有效地發揮截面受力性能的優點。

參考文獻

[1]李德宏， 張學， 魏少偉. 圓形錨索抗滑樁在滑坡治理中的應用[J]. 鐵道建筑， 2018（1）： 125-127.

[2]司光武. 矩形與圓形截面抗滑樁離心模型試驗及顆粒流數值模擬研究[D].? 成都：西南交通大學， 2017： 42-45.

[3]熊良宵， 李天斌. 土拱效應在抗滑樁工程中的應用[J]. 防災減災工程學報， 2004（3）： 275-277.

[4]歐陽秋焱. 圓形抗滑樁在某高速公路滑坡治理中的應用[J]. 交通科技， 2014（4）： 94-95.

[5]張秀寶. 雙排抗滑圓樁在某高速公路滑坡治理中的應用[J].? 黑龍江交通科技， 2017（7）： 18-19.