抗滑樁預(yù)加固邊坡的能量分析研究

宋迎軍

(貴州橋梁建設(shè)集團(tuán)有限責(zé)任公司)

抗滑樁是建設(shè)工程中常用的一種結(jié)構(gòu)，主要用于邊坡加固，是將樁插入到滑動面或者潛在滑動面以下的穩(wěn)定地層中，使用穩(wěn)定地層巖土錨固作用來抵抗下滑推力，據(jù)此穩(wěn)定滑體或者潛在滑體的一種技術(shù)，抗滑樁的設(shè)置能夠明顯提高滑體的抗滑性能，是提高整體穩(wěn)定性的必要措施。本研究結(jié)合強(qiáng)度折減技術(shù)以及極限分析上限理論，討論了一種基于失穩(wěn)狀態(tài)能耗最小原理的抗滑樁加固方法，采用內(nèi)點(diǎn)優(yōu)化方法進(jìn)行優(yōu)化參數(shù)分析，研究抗滑樁加固措施下邊坡的穩(wěn)定性特征，建立了抗滑樁預(yù)加固邊坡上限破壞形式，是一種比較準(zhǔn)確的抗滑樁能量分析方法。

1 抗滑樁預(yù)加固邊坡穩(wěn)定性能量分析

1.1 破壞模式

如果考慮單根抗滑樁的加固效應(yīng)，邊坡破壞面可視作螺旋結(jié)構(gòu)進(jìn)行分析。實際應(yīng)用中，需要重點(diǎn)考慮樁側(cè)有效土壓力分布模式，有水平方向、平行滑裂面切線方向兩種分布模式。

1.2 能耗計算

簡單邊坡如果抗滑樁預(yù)加固不會對邊坡潛在滑動面狀態(tài)產(chǎn)生影響，考慮自重，依據(jù)能量分析方法破壞機(jī)構(gòu)能耗計算主要有重力做功、抗滑樁抗力做功和滑動面能量耗散三方面，其計算公式如下

式中:r0為OB 長度;γ 為巖土重度;Ω 為角速度;f1～f4為相關(guān)函數(shù)，不表。

內(nèi)部損耗能夠由損耗面微分面積和粘聚力以及切向間斷速度連乘得到，其總內(nèi)部能量損耗為

借助樁側(cè)有效土壓力分布模式計算抗滑樁阻力，選擇上限法破壞模式和有效土壓力和切線方向平行的分布模式，考慮有效土對樁的彎矩效應(yīng)，其他樁側(cè)的有效土壓力分布模式下抗滑樁阻力作用使用同樣的方法也可獲得。

抗滑樁距離坡趾一定水平距離下，任意抗滑樁位置都滿足

樁側(cè)土壓力和滑面作用模式平行的作用方式下，通過建立上限破壞模式，就能夠計算抗滑樁提供抗滑力和與之對應(yīng)的彎矩M 的外力功。

2 穩(wěn)定性分析

2.1 強(qiáng)度折減

在邊坡穩(wěn)定性問題中，安全系數(shù)的定義尚未統(tǒng)一，公認(rèn)的主要有如下三種:

(1)基于強(qiáng)度儲備的安全系數(shù);

(2)超載儲備安全系數(shù);

(3)下滑力超載儲備安全系數(shù)。

Zienkiewicz 關(guān)于抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)的定義是:恒定外部載荷條件下，邊坡土體能夠發(fā)揮的最大抗剪強(qiáng)度和外部載荷產(chǎn)生邊坡內(nèi)實際剪應(yīng)力之比。Duncan 則在1996年提出，F(xiàn)s就是穩(wěn)定狀態(tài)下邊坡失穩(wěn)情況下的抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)

式中:Fs為抗剪強(qiáng)度折減系數(shù)。

強(qiáng)度折減是在土體參數(shù)(c，φ)值上除以一個折減系數(shù)，并將其作為材料核算參數(shù)。邊坡臨界狀態(tài)下，邊坡將發(fā)生破壞，巖土體也將產(chǎn)生剪切破壞。

2.2 樁側(cè)有效土壓力上限解答

為了提高邊坡穩(wěn)定性系數(shù)到一個確定的安全系數(shù)值，可進(jìn)行邊坡原始抗剪強(qiáng)度折減，仍然通過上限方法計算能耗，可以最終獲得抗滑樁樁側(cè)的有效抗力

式中:cf=c/Fs;Φf為arctan(tan(φ/Fs));f1、f2、f3、f4為使用

按照極限分析上限定理，式(5)就是邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)極值，樁側(cè)有效抗力上限的優(yōu)化工作就是抗滑樁方案的設(shè)計工作，抗滑樁有效土壓力的無量綱形式

式(6)給出了滿足設(shè)計要求的邊坡安全系數(shù)和單位寬度上抗滑樁需要提供抗滑合力。為了準(zhǔn)確確定抗滑樁需要抗滑力，同時充分考慮樁間土土拱效應(yīng)。

2.3 安全系數(shù)計算

按照上限法能耗計算過程，施加和內(nèi)能耗相當(dāng)?shù)耐廨d荷，按照上一節(jié)分析過程折減原始強(qiáng)度指標(biāo)，使折減后邊坡臨界自穩(wěn)高度和原始高度相同，從而獲得提供一定有效樁側(cè)抗力的抗滑樁加固邊坡安全系數(shù)

式(7)即為極限分析上限定理推導(dǎo)獲得的抗滑樁預(yù)加固情況下的邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)解。但是該式中的安全系數(shù)其實是一個隱函數(shù)，需要通過進(jìn)一步的迭代運(yùn)算來進(jìn)行優(yōu)化計算。

3 參數(shù)優(yōu)化

工程經(jīng)驗和理論經(jīng)驗均表明，抗滑樁的設(shè)計方案會對巖土邊坡穩(wěn)定性產(chǎn)生顯著影響，為了提高抗滑樁的最佳加固效果，通過失穩(wěn)狀態(tài)能量最小原理就能夠指導(dǎo)進(jìn)行抗滑樁的設(shè)計優(yōu)化工作。樁身設(shè)計參數(shù)既定的情況下，調(diào)整抗滑樁到最佳位置，是為了能夠獲得最大的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，也可以在設(shè)計安全系數(shù)一定的情況下通過抗滑樁位置的優(yōu)化來降低抗滑樁承受的有效抗力。傳統(tǒng)的分析方法中過分重視最佳位置的確定，充分考慮到了抗滑樁進(jìn)行邊坡加固的整體穩(wěn)定性，但是對邊坡可能出現(xiàn)的局部失穩(wěn)問題研究不足。

使用單根抗滑樁進(jìn)行邊坡加固試驗，假定抗滑樁側(cè)有效壓力一定。采用考慮和不考慮邊坡局部穩(wěn)定性兩種方法進(jìn)行邊坡安全系數(shù)計算，對比計算結(jié)果。單根抗滑樁加固如果僅考慮邊坡整體穩(wěn)定性，抗滑樁設(shè)置位置變動會顯著影響邊坡安全系數(shù)以及臨界滑裂面?？够瑯段恢脧钠轮褐饾u移向坡頂，邊坡安全系數(shù)越來越小，而從坡趾角逐漸移向坡頂角時，臨界滑裂面有變小趨勢，而在接近坡頂時又會逐漸加深，說明潛在滑動體和臨界滑裂面存在著明顯的對應(yīng)變化規(guī)律。

如果使用抗滑樁作為預(yù)加固措施，潛在滑裂面的分布對抗滑樁設(shè)置長度有著直接影響。忽略局部穩(wěn)定性問題，抗滑樁設(shè)置不同位置，會明顯影響臨界滑裂面以上樁長，從而對抗滑樁整體長度造成影響。抗滑樁整體長度最終會造成工程造價的升高，所以考慮到抗滑樁設(shè)置位置對安全系數(shù)和樁長的影響，將其設(shè)置在邊坡中下部區(qū)域是比較合理的。

在工程建設(shè)中，如果使用單樁加固邊坡，抗滑樁過于接近坡角，可能會因為邊坡最危險滑移面上移，從而造成邊坡局部失穩(wěn)，但是實際上應(yīng)用此方法計算獲得的安全系數(shù)并不會產(chǎn)生明顯變化。出現(xiàn)這種問題，可能的原因是局部失穩(wěn)機(jī)構(gòu)就是能耗最小機(jī)構(gòu)，抗滑樁加固區(qū)域內(nèi)整體耗能機(jī)構(gòu)會滯后于局部失穩(wěn)機(jī)構(gòu)發(fā)生破壞，在這種情況下考慮局部失穩(wěn)的邊坡安全系數(shù)值會產(chǎn)生變化。

如果面臨這種問題，一排抗滑樁無法平衡下滑推力，可設(shè)置多排抗滑樁。

4 結(jié)束語

基于強(qiáng)度折減技術(shù)以及極限分析上限理論，應(yīng)用失穩(wěn)狀態(tài)最小原理建立了抗滑樁加固邊坡穩(wěn)定性的能量分析方法，對采用單根抗滑樁加固的邊坡整體安全系數(shù)和局部失穩(wěn)之間的矛盾進(jìn)行了分析，不考慮局部失穩(wěn)的安全系數(shù)不能處理局部滑移問題，對于抗滑樁過于坡角或者坡頂情況，可以通過布設(shè)多排抗滑樁進(jìn)行解決。

［1］年廷凱，欒茂田，楊慶.抗滑樁加固土坡穩(wěn)定性分析與樁基的簡化設(shè)計［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，24(19):3427－3433.

［2］欒茂田，黎勇，楊慶.非連續(xù)變形計算力學(xué)模型在巖體邊坡穩(wěn)定性分析中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012，19(3):289－294.

［3］朱大勇，錢七虎，周早生，等.巖體邊坡臨界滑動場計算方法及其在露天礦邊坡設(shè)計中的應(yīng)用［J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2011，18(5)，567－572.

［4］朱大勇，錢七虎，周早生.基于余推力法的邊坡臨界滑動場［J］.巖土力學(xué)與工程學(xué)報，2012，(6):667－670.

［5］譚捍華，羅斌，趙煉恒，等.路基塌方沉陷快速修復(fù)技術(shù)研究報告［R］.貴陽:貴州省交通規(guī)劃勘察設(shè)計研究院，2010.