邊坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)*

董必昌 舒陶浪 安新強(qiáng) 龐建成

(武漢理工大學(xué)交通學(xué)院1) 武漢 430063) (咸陽水利水電規(guī)劃勘測設(shè)計(jì)研究院2) 咸陽 712000)(武漢華中巖土工程有限公司3) 武漢 430070)

0 引 言

近年來,隨著國家高速公路建設(shè)力度的加大,與之相關(guān)的邊坡地質(zhì)災(zāi)害問題也浮出水面.因此,邊坡的治理與防護(hù)也隨之成為工程界的熱點(diǎn)課題之一[1].作為一種邊坡防護(hù)手段,抗滑樁近年來在工程中得到廣泛的應(yīng)用[2-3].然而,對(duì)于抗滑樁的設(shè)計(jì),目前規(guī)范上雖然有一系列條文規(guī)定,但是有些條文建立在一些假定的基礎(chǔ)上,且力學(xué)機(jī)理不太明確.基于這種狀況,本文提出了一種邊坡抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法,并得到工程實(shí)例驗(yàn)證.

1 邊坡抗滑樁設(shè)計(jì)方法

1.1 傳統(tǒng)抗滑樁設(shè)計(jì)方法

抗滑樁設(shè)計(jì)的一般性規(guī)定[4]:(1)抗滑樁設(shè)計(jì)前,應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行詳細(xì)的工程地質(zhì)勘察,確定主滑動(dòng)方向、滑面位置、邊界條件、巖土性質(zhì)及水文地質(zhì)條件.(2)抗滑樁的設(shè)置必須保證滑坡體不越過樁頂或從樁間滑動(dòng),不產(chǎn)生新的滑坡.(3)抗滑樁宜設(shè)置在滑坡厚度較薄、推力較小、錨固段地基較高的地段、確定樁的平面位置、樁間距、樁長和截面尺寸時(shí),應(yīng)綜合考慮,以達(dá)到經(jīng)濟(jì)合理并與周圍景觀協(xié)調(diào).(4)可采用預(yù)應(yīng)力錨索、抗滑樁或抗滑樁與明洞、排樁等組合使用.

可以看出,規(guī)范僅僅對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)進(jìn)行了一些原則性規(guī)定,不涉及到具體的設(shè)計(jì)舉措,因此缺乏一定的可操作性.對(duì)于抗滑樁的結(jié)構(gòu)構(gòu)造方面,規(guī)范進(jìn)行了一些具體規(guī)定,然而對(duì)于其中的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)機(jī)理方面,其條文說明沒有涉及.對(duì)于抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算方面有如下規(guī)定:(1)作用于抗滑樁的外力有滑坡推力、樁前滑體抗力和錨固段地層的抗力.樁側(cè)摩阻力和粘聚力以及樁身重力和樁底反力可不計(jì)算.抗滑樁推力按本規(guī)范第7.2節(jié)的規(guī)定采用傳遞系數(shù)法計(jì)算確定.(2)樁前抗力可按樁前滑體處于極限平衡時(shí)的滑坡推力或樁前被動(dòng)土壓力確定.(3)抗滑樁上滑坡推力可采用矩形分布或梯形分布,當(dāng)滑體為極松散的土體時(shí),可采用三角形分布.(4)樁底支承可采用自由端,嵌入巖層較深可采用自由端或鉸支.(5)抗滑樁的錨固段長度應(yīng)滿足樁側(cè)最大壓應(yīng)力不大于地基的橫向容許承載力的要求.(6)滑動(dòng)面以上的樁身內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)滑坡推力或樁前滑體抗力計(jì)算,滑動(dòng)面以下的樁身變位和內(nèi)力,應(yīng)根據(jù)滑動(dòng)面處的彎矩和剪力,可采用地基系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算,根據(jù)巖土條件可選用“K”法或“m”法,地基 K,m 可根據(jù)試驗(yàn)資料和地區(qū)經(jīng)驗(yàn)、工程類別綜合確定.(7)抗滑樁的混凝土應(yīng)按現(xiàn)行國家標(biāo)準(zhǔn)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GBJ50010)進(jìn)行計(jì)算.

可以看出,該規(guī)定針對(duì)抗滑樁力學(xué)計(jì)算進(jìn)行了一系列的簡化以及假定,比如作用在抗滑樁上的外力、滑坡推力的分布假定等.有些并不符合實(shí)際情況,比如樁底支承情況等.這些都會(huì)給實(shí)際計(jì)算結(jié)果帶來一定的誤差.尤為重要的是,上述假定中沒考慮作用土體的實(shí)際本構(gòu)關(guān)系,忽略了土體與結(jié)構(gòu)之間的相互作用以及相互影響等因素,因而在理論基礎(chǔ)上存在著缺陷.

1.2 抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)方法

由于傳統(tǒng)抗滑樁設(shè)計(jì)方法具有上述缺陷性,因此,本文提出一種抗滑樁設(shè)計(jì)的優(yōu)化方法——基于有限元計(jì)算結(jié)果的抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì).

具體步驟如下.

步驟1 根據(jù)邊坡勘察設(shè)計(jì)參數(shù),建立有限元模型,確定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù).

步驟2 根據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果,確定邊坡位移最大處位置,然后選擇該處作為抗滑樁設(shè)計(jì)位置.

步驟3 在邊坡位移最大處設(shè)置抗滑樁,建立邊坡抗滑樁有限元模型,確定邊坡穩(wěn)定安全系數(shù).樁身強(qiáng)度等級(jí)依據(jù)傳統(tǒng)抗滑樁設(shè)計(jì)方法確定,樁長、樁徑、樁距以及樁身深入滑動(dòng)面以下深度在傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法的基礎(chǔ)上依據(jù)有限元計(jì)算結(jié)果最終確定.

步驟4 根據(jù)有限元中抗滑樁計(jì)算結(jié)果,進(jìn)行抗滑樁配筋設(shè)計(jì).

從以上設(shè)計(jì)步驟可以看出,該方法把抗滑樁和邊坡作為一個(gè)整體考慮,考慮了抗滑樁與土體之間的相互作用,同時(shí)也考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系,真實(shí)地考慮了作用在抗滑樁上的全部外力以及樁底支承情況,因而更符合實(shí)際情況.

2 工程實(shí)例分析

2.1 工程概況

某滑坡體[5]位于滬蓉西高速公路 K177+000—K178+000之間,滑坡平面呈"倒錐形",上部較窄,下部稍寬,主滑動(dòng)方向160°.滑坡后緣高程780～785 m,前緣高程710～720 m;平均寬度125 m,縱長110 m,總面 1 375 m2;平均厚 11 m,總方量15 125 m3.

根據(jù)勘察成果資料,滑坡體處巖土結(jié)構(gòu)較單一,滑體巖土由碎石土組成,碎石呈稍密狀,鎬可挖掘,碎石含量 40%～60%,粒徑一般為2～9 cm,少量碎石粒徑大于15 cm,巖性為紫紅色泥巖、粉砂巖.滑體下面為基巖,巖性為泥質(zhì)粉砂巖.各土層物理力學(xué)參數(shù)指標(biāo)見表1,邊坡截面示意圖見圖1.

表1 巖土層材料參數(shù)值

圖1 邊坡剖面示意圖(單位:m)

2.2 有限元建模

對(duì)上述滑坡體建立有限元模型,采用plane42單元,共劃分單元1 573個(gè),節(jié)點(diǎn)852個(gè).土體采用Drucker-Prager彈塑型模型,見圖2.

圖2 有限元模型示意圖

對(duì)圖2所示有限元模型,運(yùn)用強(qiáng)度折減系數(shù)法進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析,求得邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果見表2.為了作為參照,表中列出用其他2種方法求出的邊坡穩(wěn)定系數(shù).

表2 邊坡穩(wěn)定系數(shù)結(jié)果對(duì)比

由表2可見,該邊坡處于一種非穩(wěn)定狀態(tài),需要進(jìn)行邊坡防護(hù)設(shè)計(jì).

2.3 抗滑樁設(shè)計(jì)

對(duì)上述不穩(wěn)定邊坡進(jìn)行抗滑樁設(shè)計(jì),由有限元計(jì)算結(jié)果得出,邊坡最大位移處于坡面中下部,坐標(biāo)范圍分別為179.18～183.78(X),74.14～77.26(Y).在該處范圍可設(shè)立抗滑樁.邊坡坡面位移圖見圖3所示.

圖3 邊坡X方向位移示意圖

由文獻(xiàn)[6]可以知道,將抗滑樁設(shè)計(jì)在邊坡位移最大位置時(shí),能有效改變邊坡的應(yīng)力邊界和塑性應(yīng)變分布,提高邊坡穩(wěn)定安全系數(shù).綜合考慮技術(shù)、安全以及施工等各方面因素并經(jīng)有限元計(jì)算試算后,本次設(shè)計(jì)共設(shè)置兩組雙排樁,一組布置在邊坡坡面最大位移處,樁的平面尺寸為2 000 mm×2 000 mm,樁長18 m;另一組設(shè)置在坡面中上部,樁的平面尺寸同上,樁長20 m;二者上部均設(shè)置冠梁,冠梁截面尺寸為2 000 mm×2 000 mm.樁身以及冠梁混凝土強(qiáng)度等級(jí)為C30.上述有限元模型中,樁擬定為線彈性體,彈性模量為30 000 MPa,泊松比為 0.2;土體擬定為彈塑體,采Druker-Prager模型,相關(guān)參數(shù)見表1.最后邊坡安全系數(shù)提高到1.30以上.

圖4、圖5分別為設(shè)置抗滑樁后的邊坡位移示意圖,邊坡等效塑性應(yīng)變圖.由圖上可以看出7,設(shè)置抗滑樁后坡面位移減小;等效塑性應(yīng)變帶從抗滑樁處斷開且塑性應(yīng)變值減小,提高了邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù).其變化規(guī)律與文獻(xiàn)[6]的結(jié)論一致.

圖4 邊坡X方向位移示意圖

圖5 邊坡等效塑性應(yīng)變圖

2.4 抗滑樁配筋計(jì)算

利用上述有限元模型計(jì)算,求得雙排樁受力結(jié)果如下:第一組,左樁,拉力2 797.8 kN,彎矩2 884.8 kN ?m,剪 力 360.6 kN;右 樁,拉力480 kN,彎矩 4 093.4 kN ?m,剪力657 kN;第二組 ,左樁,拉力3 006 kN,彎矩 2 849.4 kN ?m,剪力1 364.6 kN;右樁,壓力 -5 360 kN,彎矩8 946.6 kN?m,剪力1 213 kN.第一組雙排樁對(duì)應(yīng)于坡面中上部位置,第二組雙排樁對(duì)應(yīng)于坡面最大位移處.對(duì)于上述計(jì)算結(jié)果運(yùn)用結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件進(jìn)行配筋計(jì)算,配筋結(jié)果如表3所列.

表3 抗滑樁配筋量表

3 結(jié) 論

1)傳統(tǒng)抗滑樁設(shè)計(jì)方法由于在機(jī)理上將抗滑樁人為分成自由端和嵌固端且進(jìn)行了一系列假定因此在理論基礎(chǔ)上存在先天局限性.

2)考慮土體本構(gòu)關(guān)系、考慮樁土共同作用基于有限元計(jì)算結(jié)果的抗滑樁設(shè)計(jì)方法具有優(yōu)越性.

[1]黃 強(qiáng).深基坑支護(hù)技術(shù)[M].北京:中國建材工業(yè)出版社,1997.

[2]劉協(xié)強(qiáng).抗滑樁在公路邊坡加固治理中的應(yīng)用研究[D].長沙:中南大學(xué)地學(xué)與環(huán)境工程學(xué)院,2007.

[3]劉小麗,周德培,楊 濤.加固土坡的抗滑樁內(nèi)力計(jì)算新方法[J].工業(yè)建筑,2003,33(4):39-42.

[4]中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院.公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(JTG D30-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5]廣西水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘查院.滬蓉西高速公路K177+000～K178+400段滑坡工程地質(zhì)勘查報(bào)告[R].南寧:廣西水文地質(zhì)與工程地質(zhì)勘查院,2004.

[6]董必昌,邱紅勝.雙排樁對(duì)邊坡穩(wěn)定分析影響的仿真研究[J].武漢理工大學(xué)報(bào):交通科學(xué)與工程版,2007,31(2):502-505.