箱型豎向預應力抗滑樁的機理研究

侯小強 ，曹建宇 ，錢普舟 ，孫 泓

（1.甘肅建筑職業(yè)技術學院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅省遠大路業(yè)集團有限公司，甘肅蘭州 730030；3.甘肅交通規(guī)劃設計研究院，甘肅蘭州 730030）

0 引言

抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層的滑坡，是一種抗滑處理的主要措施。抗滑樁對滑坡體的作用，利用抗滑樁插入滑動面以下的穩(wěn)定地層，通過樁的抗力（錨固力）平衡滑動體的推力，增加其穩(wěn)定性，當滑坡體下滑時受到抗滑樁的阻抗，使樁前滑體達到穩(wěn)定狀態(tài)。通常根據(jù)滑體的厚薄、推力大小、防水要求及施工條件等選用木樁、鋼樁、混凝土及鋼筋混凝土樁。普通抗滑樁錨固深度一般根據(jù)地層巖性確定，按一般經(jīng)驗，軟質(zhì)巖層中錨固深度為設計樁長的 1/3，硬質(zhì)巖中為設計樁長的 1/4，土質(zhì)滑床中為設計樁長的 1/2[1-2]。近年來，在傳統(tǒng)抗滑樁基礎上進行了技術改進，在樁頂施加錨索，使得抗滑樁由原來的懸臂式受力狀態(tài)變?yōu)樯喜亢喼Я?，下部為一次超靜定結(jié)構(gòu)[3]。劉小麗等（2004）提出根據(jù)預應力錨索抗滑樁的實際施工過程和受力條件分階段計算樁身內(nèi)力，特別在第一階段計算預應力作用下抗滑樁的內(nèi)力時考慮樁后滑面以上巖土體的反力作用[4-5]。魏寧等（2004）基于 Winkler 假定，采用桿件有限元計算模型模擬預應力錨索抗滑樁，研究其樁身的內(nèi)力和位移[6]。桂樹強等在錨拉樁的結(jié)構(gòu)計算中，采用雙參數(shù)法計算地基系數(shù)，將錨索視為彈性鉸支座，利用抗滑樁和錨索位移變形協(xié)調(diào)條件，計算錨索的設計拉力及樁身的內(nèi)力分布[7-14]。盡管錨索抗滑樁的最大剪力和最大彎矩均比傳統(tǒng)抗滑樁小很多，這樣可以適當減小錨索抗滑樁的幾何尺寸及配筋，然而這些均屬于抗滑樁體外預應力，并沒有更加有效的減小彎矩和工程費用，特別在樁內(nèi)實施有效變形監(jiān)控和維護更加困難。

截至目前，很少有專家學者提出箱型預應力抗滑樁的各種研究成果，基于以上本次提出箱型豎向預應力抗滑樁，充分利用預應力錨固技術和抗滑樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，一方面與一般錨拉樁相比錨索長度大為減少，與懸臂樁相比，由于有了豎向預應力作用，樁身的錨固段減少，可以降低施工難度，同時，豎向預應力荷載施加在樁身上，可以改善混凝土的受力狀態(tài)，從而改善樁體的結(jié)構(gòu)性能，預應力筋在混凝土的受拉區(qū)，可替代部分樁身受拉鋼筋，在結(jié)構(gòu)上采用箱型，進一步節(jié)約成本，在抗滑樁工作期間，可以進入樁心進行監(jiān)測和維護，由此可見該樁是一種值得深入研究的樁型。

1 抗滑樁結(jié)構(gòu)假設及基本假定

1.1 結(jié)構(gòu)假設

本次以箱型豎向預應力、箱型鋼筋混凝土和普通混凝土抗滑樁三者結(jié)合起來進行比較研究。截面尺寸為 1.8 m×2.2 m，其中箱內(nèi)尺寸為 0.8 m ×1.2 m，樁長為 20 m，見圖1?；峦屏Σ捎?1 000 kN/m、1 500 kN/m、2 000 kN/m 三種推力，通過比較樁身最大剪力、最大彎矩及位移變化情況，說明箱型豎向預應力抗滑樁特性，見表1。

1.2 基本假定

（1）巖土體假定為理想彈塑性體，滿足彈性塑應力一應變關系；樁與預應力筋為線彈性體，按彈性受力進行分析。

（2）滑動面是確定的，在整個工作過程中不會改變。

圖1 抗滑樁推力時受力模型

表1 三種推力情況下各節(jié)點力的大小

（3）在滑面以上的樁體施加滑坡推力，根據(jù)戴自航[15]在總結(jié)分析我國大量抗滑樁模型試驗和現(xiàn)場試樁實測試驗資料的基礎上，針對不同的滑坡巖土體性質(zhì)，推導了相應的滑坡推力分布函數(shù)。本次模擬滑坡推力呈梯形分布，假定上、下底滑坡推力之比為 2∶5。

（4）在預應力樁兩端施加一對相向的反力，模擬預應力，預應力的大小為預應力錨索的設計拉力。在樁兩端施加一對彎矩，模擬偏心拉力產(chǎn)生的彎矩，彎矩大小為預應力錨索設計拉力乘以偏心拉力到轉(zhuǎn)點的偏心距。

2 受力分析

假定 20 m 長的抗滑樁，截面尺寸為 1.8 m ×2.2 m，其中箱型結(jié)構(gòu)中箱內(nèi)尺寸為 0.8 m× 1.2 m，樁長為 20 m，分別建立了實心樁、箱型鋼筋混凝土樁和預應力箱型混凝土樁三種結(jié)構(gòu)，根據(jù)滑坡推力為 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 作用下，建立多種工況有限元模型進行數(shù)值分析。

首先確定預應力抗滑樁結(jié)構(gòu)在不同等級混凝土時，對于抗滑能力影響程度，位移主要能反應其抗滑效果，為此通過各節(jié)點和樁頂節(jié)點位移大小來判斷。為此采用工程常用到的 C25、C30、C35、C40、C45、C50 混凝土等級進行抗滑效果分析，根據(jù)位移變化大小分析，C50 抗滑樁位移最小，C25混凝土位移最大，說明隨著混凝土等級強度增加位移減小；為進一步明確不同等級混凝土具體效果，通過位移變化大小來看分析比較合理。由圖2分析可知，C25、C30 和 C35 之間位移較大，比 C35大 12.49%和 4.99%，C35、C40、C45、C50 之間變化較小，分別比 C35 小 3.07%、5.96%和 8.69%。說明采用 C35 混凝土比較適合做預應力抗滑樁。

圖2 不同混凝土等級箱型預應力抗滑樁位移

確定混凝土等級強度為 C35 后，以 C35 混凝土建立三種樁結(jié)構(gòu)有限元模型，在同樣 1 000 kN推力作用下，產(chǎn)生的位移、彎矩和剪力進行分析。由圖3可知，箱型預應力結(jié)構(gòu)位移 3.058 mm,實心結(jié)構(gòu)位移為 5.715 mm,鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)位移為 6.315 mm。說明預應力箱型結(jié)構(gòu)在樁頂最大位移量最小，箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比預應力箱型混凝土結(jié)構(gòu)位移大 106.5%，實心鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)比預應力箱型混凝土結(jié)構(gòu)大 86.9%。

由圖4可知，三種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩變化比較相似，均在 7 m 處彎矩最大，兩端彎矩逐漸減小。在 7 m處，箱型預應力混凝土抗滑樁彎矩為 4 271.44 kN · m，箱型鋼筋混凝土和實心鋼筋混凝土抗滑樁彎矩均6 428.1 kN· m，箱型預應力混凝土抗滑樁彎矩比其他兩種抗滑樁小 50.5%。在 0 到 7 m 之間，實心樁和箱型鋼筋混凝土樁彎矩逐漸增大，變化幅度接近，在 7 m 到 20 m 之間，實心樁和箱型鋼筋混凝土樁彎矩逐漸減小為 0，且大小相等；在箱型預應力混凝土抗滑樁兩端存在負彎矩小，是由于預應力筋在兩端張拉后本身產(chǎn)生，更有利于增加抗滑效果。

圖3 推力1000 kN 時 C35 混凝土抗滑樁位移

圖4 推力1000 kN 時 C35 混凝土抗滑樁彎矩

由圖5可知，在推力 1 000 kN 時，三種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪力變化比較相似，正負剪應力交替位置相同，均在 6 m 處負剪應力最大，7 m 處正剪應力最大。其中箱型預應力混凝土抗滑樁最大負剪應力為-2 105.65 kN，箱型鋼筋混凝土抗滑樁最大負剪應力均為-2 930.73 kN，實心鋼筋混凝土抗滑樁最大負剪應力為-2 930.73 kN，最大負剪應力大小方面，箱型預應力混凝土抗滑樁比箱型鋼筋混凝土抗滑樁和實心鋼筋混凝土小 39.1%，三種最大正剪應力為相同，均為 999.95 kN，說明箱型預應力混凝土結(jié)構(gòu)對于提高整體抗剪效果更加明顯。

圖5 推力1000 kN 時 C35 混凝土抗滑樁剪力

為進一步說明，采用同樣的方法通過加大三種結(jié)構(gòu)抗滑樁的滑坡推力進行驗證，均為 C35 混凝土等級強度，分別采用了 1 500 kN 和 2 000 kN推力計算分析，由圖6可知，其中推力 1 500 kN 箱型鋼筋混凝土位移為 9.47 mm，實心混凝土樁的位移為 8.57 mm，推力 2 000 kN 時箱型預應力結(jié)構(gòu)抗滑樁位移僅為 7.29 mm，比推力 1 500 kN 的實心混凝土和箱型鋼筋混凝土兩種樁都小，說明箱型預應力結(jié)構(gòu)位移一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。由圖7可知，其中推力 1 500 kN 箱型鋼筋混凝土最大負剪力為 4 396.38 kN，實心混凝土樁的最大負剪力為 5 484.87 kN，推力 2 000 kN時箱型預應力結(jié)構(gòu)抗滑樁最大負剪力僅為4 579.82 kN，比推力 1 500 kN 的實心混凝土還小，和箱型鋼筋混凝土比較接近，由圖7可知，箱型預應力結(jié)構(gòu)最大負剪力一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。圖8可知，箱型預應力結(jié)構(gòu)最大負剪力一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。

圖6 1500 kN C35 混凝土不同結(jié)構(gòu)抗滑樁位移

圖7 推力1500 kN 時 C35 混凝土抗滑樁剪力

圖8 推力1500 kN 時 C35 混凝土抗滑樁彎矩

3 結(jié)論

箱型豎向預應力抗滑樁是一種新型抗滑樁，截止目前國內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)此類研究成果，本次通過建立有限元模型，采用三種不同結(jié)構(gòu)抗滑樁，即傳統(tǒng)實心抗滑樁、箱型鋼筋混凝土抗滑樁和箱型豎向預應力混凝土樁，在不同混凝土等級強度和1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 三種滑坡推力等條件下進行計算分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過 6 個不同等級混凝土進行抗滑受力分析，箱型豎向預應力混凝土樁采用 C35 混凝土比較科學合理；

（2）通過三種不同結(jié)構(gòu)抗滑樁受力分析，分別在 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 推力作用下，箱型豎向預應力混凝土結(jié)構(gòu)完全可樁身各節(jié)點位移最小，說明該種抗滑樁比其它抗滑樁抗滑能力要強；

（3）箱型豎向預應力混凝土結(jié)構(gòu)在同樣推力小，其產(chǎn)生的彎矩和剪力比其它兩種抗滑樁要小，這樣不但提高抗滑效果，而且減少抗拉、抗剪鋼筋和混凝土數(shù)量，節(jié)省工程造價；

（4）同樣可以在靠近山體一側(cè)樁壁開設泄水孔，有利于滑坡體內(nèi)排水，進一步提高抗滑效果，在檢測和維護可以直接進入抗滑樁箱內(nèi)進行檢測很有好處。

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