路基滑坡中抗滑樁的設(shè)計(jì)思路與計(jì)算

文/云南省保山公路局 趙富超

抗滑樁是利用樁埋入穩(wěn)固的巖體中，使其承受滑體的部分下滑力，并將其傳遞到下部穩(wěn)固巖體中，以起到穩(wěn)固滑體的作用?？够瑯犊够芰?qiáng)，能克服擋土墻在滑面較深時(shí)難以抵擋的困難；樁位靈活，可根據(jù)滑坡剩余推力結(jié)合場(chǎng)地條件選擇抗滑樁最佳部位；可以單獨(dú)設(shè)置，也可與其他治理工程配合使用，安全可靠；依據(jù)彎矩大小合理配筋，依據(jù)滑坡推力大小和滑動(dòng)面深度變化設(shè)計(jì)樁的截面尺寸和樁長(zhǎng)。

抗滑樁設(shè)置位置

近年來(lái)，云南省保山公路局所管轄的部分路段發(fā)生路基坍塌，多數(shù)是由于滑動(dòng)面較深而既有路堤擋土墻埋置深度難以到達(dá)滑動(dòng)面造成。因此，抗滑樁作為一種理想深層支擋方案的優(yōu)勢(shì)格外明顯。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在路堤下側(cè)時(shí)，能獲得抗滑和擋土兼?zhèn)涞男Ч?，此時(shí)地表至滑動(dòng)面的距離較薄，樁前傳遞滑坡推力經(jīng)過(guò)路基的抵抗，有所折減，而樁后土體較薄，貢獻(xiàn)抗力有限，且樁后土體往往不穩(wěn)定，一般不能考慮抗力作用，此時(shí)抗滑樁按懸臂樁計(jì)算。當(dāng)抗滑樁設(shè)置在路堤上側(cè)時(shí)，滑坡推力較大，但樁前亦有路基提供剩余抗力或被動(dòng)土壓力，所以滑動(dòng)面以上地層對(duì)樁的整體外力較小，此時(shí)抗滑樁整體截面和樁長(zhǎng)往往可以得到節(jié)約。

滑坡推力計(jì)算

滑坡剩余下滑力采用傳遞系數(shù)法計(jì)算，從第一塊滑體向下傳遞，直到抗滑樁設(shè)置樁位，即為抗滑樁所承擔(dān)的滑坡推力。

抗滑樁的計(jì)算

滑動(dòng)面以上土層對(duì)樁的作用按外力考慮，滑坡推力及剩余抗滑力，可沿樁身按矩形分布，當(dāng)滑體為極松散的土體時(shí)，可采用三角形分布。確定滑坡推力及抗滑力完成后，在滑動(dòng)面處將外力換算成剪力Q0和彎矩M0。

剛性樁和彈性樁

按剛度大小，抗滑樁可分為剛性樁和彈性樁：αh≤2.5為剛性樁，αh＞2.5為彈性樁。其中，h為樁在滑動(dòng)面以下的埋深，α為樁的變形系數(shù)，

側(cè)向地基抗力系數(shù)c可根據(jù)巖性采用適當(dāng)方法，當(dāng)巖質(zhì)均勻，巖層整體較厚且為塊狀時(shí)，可認(rèn)為側(cè)向地基彈性抗力隨深度不變；當(dāng)巖質(zhì)破碎，或?yàn)轲ね辽巴習(xí)r，可認(rèn)為樁側(cè)地基彈性抗力隨深度變化，采用m法，即c=my。采用m法時(shí)，對(duì)于樁埋深位于兩層或兩層不同土層時(shí)，各層土mi應(yīng)換算成一個(gè)m－值，此時(shí)計(jì)算出的彎矩應(yīng)乘以系數(shù)進(jìn)行調(diào)整。地層巖性由軟變硬的過(guò)程中，地基土層的m值由小變大，α值也相應(yīng)變大；同時(shí)，隨著埋置深度h的增大，αh也越大，表現(xiàn)為抗滑樁整體趨向于彈性樁。故在初選樁型方案時(shí)，可參考地層巖性m值與樁截面大小，然后結(jié)合經(jīng)驗(yàn)初定滑床以下的樁長(zhǎng)，初步假定樁為剛性樁或彈性樁。

樁側(cè)應(yīng)力

樁側(cè)應(yīng)力不大于地基土的側(cè)向抗力，以避免過(guò)大的塑性變形。根據(jù)公式可知地基側(cè)向承載力是一個(gè)隨深度變化的過(guò)程，當(dāng)解出樁身位移后，乘以該深度對(duì)應(yīng)的側(cè)向地基抗力系數(shù)C，即可判斷樁側(cè)土應(yīng)力的大小是否在容許范圍內(nèi)。

樁長(zhǎng)計(jì)算

剛性樁的內(nèi)力計(jì)算可參考《均質(zhì)巖土層中剛性抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算》，其計(jì)算理念及方法簡(jiǎn)單易行，所需設(shè)計(jì)參數(shù)較少。特別是在確定為剛性樁的前提下，只需要下滑力和基巖側(cè)壁容許應(yīng)力（側(cè)壁巖土容許抗壓強(qiáng)度）即可設(shè)計(jì)計(jì)算。而在彈性樁的計(jì)算分析中，通常采用側(cè)向彈性地基梁理論，即將樁視作彈性地基上的彈性地基梁，此時(shí)樁在水平外力作用下的撓曲微分方程為其中，p為土作用在樁上的水平反力，x為樁在滑動(dòng)面下y點(diǎn)處的水平位移（m），可見在求得x后，即可得到σy=myx，進(jìn)而可以根據(jù)樁在滑床頂部的位移控制要求及側(cè)向地基承載力要求確定樁長(zhǎng)，一般要求抗滑樁滑床頂部位移小于10mm。

樁的內(nèi)力位移計(jì)算

通過(guò)對(duì)撓曲微分方程的求解，可得以下計(jì)算式：

其中A、B、C、D為系數(shù)，與α、y相關(guān)，可以通過(guò)查表獲得。通過(guò)滑動(dòng)面處換算成剪力Q0和彎矩M0，求解x0和y0，此時(shí)根據(jù)樁底邊界條件來(lái)確定。當(dāng)樁埋于土層或風(fēng)化破碎巖層內(nèi)時(shí)，樁底可視為自由端，即邊界條件Qh和Mh=0。此時(shí)，A、B、C、D為樁底所對(duì)應(yīng)的系數(shù)。解得至此，可以得出所設(shè)抗滑樁在滑動(dòng)面下每一深度所對(duì)應(yīng)的內(nèi)力和位移。

工程實(shí)例

云南省保山公路局所管養(yǎng)的公路一處路基下側(cè)滑塌，地質(zhì)判斷為滑坡，地層巖性為砂礫石，采用單排抗滑樁處治，樁位設(shè)置在路基下側(cè)?；瑒?dòng)面以上樁長(zhǎng)為12m，滑動(dòng)面以下樁長(zhǎng)初定為10m，根據(jù)傳遞系數(shù)法可算得每根樁滑坡推力為：1069.3kN。M取值為30000（kN/m4），樁身直徑為2m，計(jì)算寬度為2.7m，樁身E為32370000（kN/m2），樁底視為自由端。將計(jì)算系數(shù)A、B、C、D提前錄入數(shù)據(jù)庫(kù)，然后根據(jù)控制參數(shù)αh，自動(dòng)查找調(diào)用相應(yīng)A、B、C、D，可直接得出樁身位移和內(nèi)力，生成圖表（見表1）。結(jié)合滑動(dòng)面位移控制要求，可以快速得出理想方案。

表2 樁身內(nèi)力位移計(jì)算

圖3 滑動(dòng)面以下樁側(cè)土應(yīng)力

表1 滑坡推力計(jì)算

樁身內(nèi)力位移計(jì)算見表2、圖1、圖2、圖3。由計(jì)算結(jié)果可見，滑動(dòng)面以下樁身最大位移在滑動(dòng)面處，為7mm，符合小于10mm的一般要求。而樁身的最大正彎矩6956kNm，距離滑動(dòng)面為3m，最大負(fù)彎矩為-332kNm，位于靠近樁底的部位。說(shuō)明采用滑動(dòng)面以下樁長(zhǎng)10m的方案合理，位移和內(nèi)力處于較理想?yún)^(qū)間范圍。

樁的入土深度h≥4/α?xí)r，y=4/α深度以下樁身截面作用效果應(yīng)可忽略不計(jì)。樁埋入巖土部分截面配筋率≥0.6。