公路滑坡工程處治中椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁力學特性分析

戈華

（湖南湘西土家族苗族自治州交通科學技術研究院，湖南 吉首 416000）

滑坡是三大突發性地質災害之一，滑坡體物質一般呈結構松散、土體間黏聚力小、自穩能力弱的特點，在人工切削山體形成高陡的臨空面或雨水大量滲入等不利環境因素條件作用下，易產生順層或牽引式滑坡。對于公路滑坡，我國廣大科研工作者和公路養護部門展開了相關的研究和治理工作。近年來，我國公路建設中的滑坡防治工作已經取得顯著成果，鋼筋混凝土抗滑樁、微型鋼管樁等滑坡工程處治措施得到廣泛應用，并形成許多可借鑒的成功經驗。

近年來，國內學者對椅式樁展開研究和有益探索，楊德健等闡述了基于雙排樁支護結構設計的基本理論、簡化模型及內力計算方法，用ANSYS有限元軟件建立平面應變模型，分析與研究雙排樁支護結構，討論前后排樁排距、樁身剛度等因素對圍護結構側向位移及樁身內力的影響；張禮財等采用有限元軟件Abaqus建立陡坡路基段的椅式樁板三維模型并研究，椅式樁板整體結構具有較強的抗變形能力和整體協同性，能有效維持陡坡的穩定；賀斯頓等提出了椅式雙排樁支護結構內力及變形分析的混合有限元法；楊雪蓮等以成雅高速公路k1921+416處發生大型滑坡災害，采用大直徑旋挖鋼管混凝土樁應急處治滑坡為例，通過三維有限元數值模擬優化鋼管混凝土滑坡加固處治方案，并結合工后滑坡地表位移監測，驗證了滑坡應急處治工程的有效性。但以上研究采用椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁處治滑坡工程的文獻相對較少，本文結合湖南湘西土家族苗族自治州瀘溪能浦公路馬入田滑坡處治工程成果案例，采用理正結構軟件V8.5復合樁基水平承載設計模塊計算分析門式抗滑樁結構樁基內力，分析研究椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁的力學特性。

1 工程概況

瀘溪縣能灘至浦市公路為新建二級公路，其中k8+490～k8+630段（馬入田路段）為挖路槽段，微地貌為一南東向的斜坡，邊坡區物質組成及結構特征在垂直方向自上而下分布的地層有第四系殘坡積粉質黏土、第四系崩坡積塊石及中風化泥質粉砂巖，該段路基最大切深為17.89m，滑坡發生時該處切深為13.79m，還有4.1m沒有挖到位。滑坡頂緣位置距路基中線21.9m，距未形成的開挖面有15.7m高差，形成了高1.3m～15.7m的路塹邊坡，坡率1:1～1:0.5，右側坡體上方出現了數條地表拉張裂縫，后緣規模最大的裂縫呈北西至北東向弧形展布，開口寬0.2m～2m，延長149m，可見深度為0.5m～1.5m，前后緣地面錯落0.50m～4.00m。該滑坡屬于中型牽引式土質滑坡，滑體土主要為塊石，滑帶土為塊石層中的粉質黏土，滑床由塊石及中風化泥質粉砂巖組成。

2 邊坡支護方案分析

根據滑坡路段路塹邊坡高度、坡率及邊坡巖土工程特性，通過卸載、抗滑擋土墻、鋼筋混凝土抗滑樁（單排樁）、椅式鋼管鋼筋混凝土復合抗滑樁（雙排樁）4種方案處治滑坡，綜合比較工程經濟技術后發現，采用椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁方案，具有很好的經濟和社會效益。

用打拔樁錘等小型機械設備將鋼管打入強風化巖層后，再利用鋼管作護壁，挖除鋼管內的土體后，施工嵌巖樁，解決了滑坡工程處治抗滑樁方案成孔施工中易垮孔、塌孔的問題，鋼管鋼筋混凝土復合抗滑樁施工對滑坡體擾動較小，能有效避免二次滑坡災害或次生地質災害的發生，減少財產和經濟損失，提高了滑坡工程處治中抗滑樁施工的安全性。混凝土澆筑樁基時不拔除鋼管，鋼管與鋼筋混凝土嵌巖樁組合成為鋼管鋼筋混凝土復合樁，可作為抗滑支擋工程的承力結構。

椅式樁位布局，前排樁和后排樁協同作用，在鋼筋混凝土嵌巖樁施工前，鋼管可作為勁性骨架承擔施工階段的施工荷載和結構重量，能充分發揮鋼管的力學特性；在鋼管混凝土復合樁形成前，雙排鋼管樁聯合形成超靜定剛架結構，有利于迅速穩定滑坡體。

3 椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁的力學特性分析

3.1 參數取值

鋼管樁徑d=0.92m，壁厚10mm；鋼筋混凝土嵌巖樁樁徑d1=0.8m；橫向樁間凈距取1.5m，橫向樁間距b=2.42m，橫向樁外側間總寬3.34m；縱向樁間距4m；混凝土強度，嵌巖樁采用C30混凝土，鋼管內采用C30微膨脹混凝土；樁的嵌固端位置，樁端嵌入穩定巖層的深度不小于5倍樁直徑；樁頂位移≤ql4/8EI；剩余下滑力725.767kN/m，β=20.376°。

3.2 數值分析模型

圖1 椅式復合樁剖面圖

考慮土體與抗滑樁的共同作用，將樁端彈性嵌固于穩定地層中；計算分析時，將結構分為前排樁（臨空樁）、后排樁（靠邊坡側）、貫梁；將某一深度處最大彎矩作用值的作用點作為固定端梁的簡化計算模型；將整個椅式樁位（門式剛架）作為懸臂梁；先確定土壓力分布情況、嵌固端位置，再計算內力。

3.3 同等樁長工況前排樁與后排樁的力學特性

采用理正結構軟件V8.5復合樁基水平承載設計模塊，計算分析椅式抗滑樁結構樁基內力。

3.3.1 計算簡圖

樁號①為后排樁，樁號②為前排樁。

圖2 椅式樁計算簡圖

3.3.2 內力計算結果簡圖

圖3 內力計算結果簡圖

3.3.3 前排樁與后排樁的力學特性分析

（1）內力分析結果

（2）前排樁和后排樁的聯合作用效應

從表1中可以看出，橫向同一排兩根抗滑樁承擔的水平力不是平均分配，后排樁受水平力要大于前排樁。后排樁承擔水平推力位65.5%，前排樁承擔水平推力為34.5%。后排樁與前排樁承受水平力的比例為1.9∶1。樁頂位移理論值2.25mm＜ql4/8EI=106mm。

表1 抗滑樁內力分析結果

3.4 不同樁長工況前排樁與后排樁的力學特性

根據前排樁、后排樁樁長相同工況結構受力分析結果，后排樁比前排樁承受的軸力、剪力和水平力均要大，把后排樁樁長增加2m后再展開分析。

3.4.1 前、后排樁不同樁長抗滑樁內力分析

將已經計算得到的水平力、彎矩、豎向力，錄入理正結構設計工具箱軟件V8.5復合樁基水平承載設計數據錄入界面中，計算分析結果如下。

3.4.2 前排樁與后排樁力學特性分析

如表2所示，后排樁承擔水平推力的66%，前排樁承擔水平推力的34%。后排樁與前排樁承受水平力的比例為1.94∶1。

表2 不同樁長抗滑樁內力分析結果

3.4.3 前排樁與后排樁不同樁長力學特性分析結論

通過改變樁長，將承受滑坡推力較大的后排樁樁長增長2m，即增加樁的嵌巖深度，通過計算分析和對比可知，后排樁比前排樁承受的滑坡推力要大，后排樁約承擔65%左右，前排樁約承擔35%左右。在后排樁的樁長增加2m時，后排樁所承受的樁身軸力、剪力減小，所承受的水平力增大，增大0.76%，前排樁所承受的水平力減小；后排樁與前排樁分擔水平力的比例略有變化，但仍在2∶1的范圍內。在一定嵌巖深度條件下，通過調整樁長、增加樁基嵌巖深度等措施，前后兩排樁所承受的水平推力變化不顯著。

4 結束語

椅式抗滑樁的樁位布局，鋼管樁頂剛性連接且伸入冠梁，使得抗滑結構體系各構件共同承擔滑坡推力等荷載，充分發揮各構件的最大效能。椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁，后排樁比前排樁承受的滑坡推力要大，后排樁與前排樁分擔水平力的比例約為2∶1。

斜坡地形的巖土質路基邊坡，在前、后排樁的樁長相同工況下，后排樁嵌巖深度一般要大于前排樁。在一定嵌巖深度條件下，通過加長后排樁的樁長方式，前、后2排樁所承受的水平推力變化不顯著。

樁頂的水平位移由前排樁與后排樁協同工作共同控制，因此前排樁與后排樁的抗彎剛度不宜相差太大，即樁截面形狀、截面面積應一致。

鑒于公路邊坡巖土體巖土特性的差異性與復雜性，椅式鋼管鋼筋混凝土復合樁在實際應用中，抗滑樁的樁徑大小、基于土拱效應的樁縱向間距、基于協同工作的樁橫向間距、樁的嵌巖深度等，需采用數值計算分析與成功經驗相結合的方式，以確保邊坡的穩定。