全埋式抗滑樁合理樁長研究

劉軍武

0 引言

自然界中存在著大量的滑坡，坡體的滑動給人類帶來了巨大損失。滑坡治理是巖土工程的主要任務(wù)之一，從20世紀(jì)30年代開始，抗滑樁便成為重要的支擋結(jié)構(gòu)形式，在鐵路、公路、廠礦等滑坡中有著廣泛的應(yīng)用[1］。

根據(jù)抗滑樁樁頂是否到達滑坡體地表可將抗滑樁分為普通抗滑樁和全埋式抗滑樁(見圖1，圖2)，全埋式抗滑樁的樁頂距滑坡體表面有一定距離，樁頂上的部分推力轉(zhuǎn)移到滑體上，充分的利用了滑坡體的自身抗力，相對于普通抗滑樁不僅樁長減短，而且其彎矩、剪力也減小，更經(jīng)濟合理[2］。目前，對普通抗滑樁的研究較多，而對全埋式抗滑樁研究較少。文獻[3］利用模型試驗對樁體受力分布形式和規(guī)律進行了研究;文獻[4］利用模型試驗對全埋式抗滑樁的樁前和樁后坡體受力狀態(tài)及樁長變化時坡體破壞形式等進行了研究。

全埋式抗滑樁的關(guān)鍵問題是樁長的確定，當(dāng)樁長較短樁頂距離坡體表面較深時，滑坡容易產(chǎn)生越頂破壞;當(dāng)距離較淺時，則樁體彎矩較大，材料用量較多造成浪費。本文在有限元的基礎(chǔ)上，利用強度折減法分析研究全埋式抗滑樁合理的嵌固長度及自由段長度。

1 分析方法

研究滑坡穩(wěn)定性的方法很多，如條分法、斯賓塞法、傳遞系數(shù)法等都是基于極限平衡理論，其優(yōu)點可以直接的給出邊坡或者滑坡的安全系數(shù)，概念明確便于工程應(yīng)用，其缺點也非常明顯，由于假設(shè)土體為剛塑體，不能計算出土體的變形及土體內(nèi)部的應(yīng)力分布，特別是有支擋結(jié)構(gòu)時，不能得出支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及其位移。有限單元法不僅考慮了力的平衡條件，還考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系，可以考慮土體的非線性、復(fù)雜邊界條件等。同時，在有限元中使用強度折減法不僅可以計算出應(yīng)力和位移分布，還可以得出安全系數(shù)。

由Zienkiewicz提出強度折減法，其原理是將土體參數(shù)強度c，φ同時除以一個折減系數(shù)Fr折減后的土體強度參數(shù)為:

其中，cr，φr均為折減后的土體強度參數(shù)。

計算時，假設(shè)不同的強度折減系數(shù)，根據(jù)折減后的土體參數(shù)進行有限元分析，當(dāng)達到臨界破壞時的強度折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。判斷土體到達臨界破壞狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)有多種，本文采用土體是否產(chǎn)生的連續(xù)的貫通區(qū)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 計算模型

本文以陜西南部某一滑坡為研究對象，將滑坡簡化為平面應(yīng)變問題，建立二維有限元模型，模型單元劃分如圖3所示。

滑坡體的土層采用摩爾—庫侖本構(gòu)模型，各層巖土參數(shù)見表1。

表1 計算參數(shù)

布置抗滑樁處的滑坡體厚度為12 m，抗滑樁間距4 m，對抗滑樁不同自由段長度和嵌固段長度進行計算分析，以便得出全埋式抗滑樁合理樁長。

3 合理樁長

全埋式抗滑樁的樁長包括兩個部分:滑裂面上的自由段長度和滑裂面下的嵌固端長度。為了研究其合理的長度，本文分別對自由段長度和嵌固端長度進行研究。

3.1 自由段長度

為了確定全埋式抗滑樁安全經(jīng)濟的自由段長度，需對設(shè)置了不同自由段長度的全埋式抗滑樁邊坡進行計算，得出不同情況下邊坡的安全系數(shù)。

圖4，圖5給出了嵌固端為6 m和8 m時，不同自由段長度對滑坡安全系數(shù)的影響。

從圖4，圖5中可以看出，在不同的嵌固端下，安全系數(shù)都隨著自由段長度的增加而增加。但當(dāng)自由段大于8 m時，滑坡的安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，增加不明顯，說明增加自由段的長度對安全系數(shù)影響不大。當(dāng)自由段大于3 m時，即當(dāng)自由段大于滑體厚度的1/4時，加固后的邊坡安全系數(shù)均大于1.25，邊坡穩(wěn)定，滿足滑坡的治理要求。

3.2 嵌固端長度

為了分析確定合理的嵌固端長度，本文計算了一系列自由段長度下，不同嵌固端長度對滑坡安全系數(shù)的影響。圖6僅給出了自由段長度為5 m時，不同嵌固端長度對安全系數(shù)的影響。其余的規(guī)律與之相似。

從圖6中可以看出，當(dāng)自由段長度一定時，滑坡的安全系數(shù)隨著嵌固端長度的增加而增加，到達7 m后，安全系數(shù)增加較小，說明嵌固端大于一定長度后，對滑坡的安全系數(shù)影響較小。嵌固端長度大于6 m，滑坡的安全系數(shù)大于1.25，說明嵌固端大于滑體厚度1/2，滿足滑坡的治理要求。

4 結(jié)語

通過計算分析，可以得出如下結(jié)論:

1)相較于傳統(tǒng)的普通抗滑樁，全埋式抗滑樁樁長較短，受力更為合理，花費更為經(jīng)濟;

2)滑坡的安全系數(shù)隨著全埋式抗滑樁自由段長度和嵌固端長度增加而增加，當(dāng)大于一定長度后安全系數(shù)變化不大;

3)全埋式抗滑樁自由段長度不宜小于所在位置的滑坡體厚度的1/4;

4)全埋式抗滑樁嵌固端長度不宜小于所在位置的滑坡體厚度的1/2。

[1]李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M］.北京:人民交通出版社，2004.

[2]雷 用，趙尚毅.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與施工[M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]熊治文.深埋式抗滑樁的受力分布規(guī)律[J］.中國鐵道科學(xué)，2000，21(1):48-56.

[4]雷文杰，鄭穎人，王恭先.沉埋樁加固滑坡體模型試驗的機制分析[J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2002，102(6):5-11.

[5]熊治文，馬 輝，朱海東.全埋式雙排抗滑樁的受力分布[J］.路基工程，2002，26(7):1347-1351.