邊坡支護(hù)工程抗滑樁樁間土拱效應(yīng)研究

王正龍WANG Zheng-long；陳春銀CHEN Chun-yin

（中煤長(zhǎng)江基礎(chǔ)建設(shè)有限公司，南京 210046）

0 引言

抗滑樁作為支擋結(jié)構(gòu)，在地質(zhì)災(zāi)害風(fēng)險(xiǎn)防治工程、邊坡工程以及基坑工程等基建工程中，均有著廣泛的應(yīng)用，并且應(yīng)用力度和研究深度日漸增大?；üこ淌┕て陂g，設(shè)計(jì)抗滑樁，須采取非連續(xù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)理念，綜合運(yùn)用土體結(jié)構(gòu)自身所具有的強(qiáng)度，從而形成拱效應(yīng)[1]。通過(guò)抗滑樁樁體之間的土體形成的下滑推力，達(dá)到對(duì)周?chē)馏w進(jìn)行支撐的目的。簡(jiǎn)而言之，在基建工程施工環(huán)節(jié)，加強(qiáng)樁間土拱效應(yīng)利用，可實(shí)現(xiàn)不間斷支護(hù)效果。

1 土拱效應(yīng)現(xiàn)狀分析

土拱效應(yīng)普遍存在于自然界中，在承受外界荷載壓力時(shí)，土拱具有很大應(yīng)用優(yōu)勢(shì)，所以在基建工程施工期間，土拱效應(yīng)原理普遍在隧道拱頂、橋拱等多個(gè)方面有所體現(xiàn)。在十九世紀(jì)八十年代中期，土拱效應(yīng)最早是英國(guó)科學(xué)家經(jīng)過(guò)實(shí)際調(diào)查發(fā)現(xiàn)的“糧倉(cāng)效應(yīng)”。隨著技術(shù)發(fā)展，太沙基通過(guò)實(shí)驗(yàn)探究，從科學(xué)角度印證土拱效應(yīng)存在，自此之后，研究土拱效應(yīng)的規(guī)模逐漸擴(kuò)大，理論成果和實(shí)踐成果增多。

土拱的形成，主要是受到外部荷載介質(zhì)影響，導(dǎo)致土層出現(xiàn)不均勻位置移動(dòng)，導(dǎo)致土層內(nèi)部的應(yīng)力發(fā)生轉(zhuǎn)變，形成新的分布狀態(tài)。除此之外，土體相互之間的粘聚力以及摩擦力，對(duì)土層產(chǎn)生影響，使之變成拱狀結(jié)構(gòu)形態(tài)。土拱效應(yīng)是將壓力通過(guò)拱腳傳輸?shù)椒€(wěn)定介質(zhì)中，介質(zhì)在接受壓力后將其進(jìn)行轉(zhuǎn)化，形成拱軸力，最終形成土拱。

2 土拱效應(yīng)理論分析

基建工程施工期間，若是周?chē)翆映霈F(xiàn)滑動(dòng)趨勢(shì)，施工人員要提前作出勘探，將抗滑樁工程落實(shí)到實(shí)處[2]?？够瑯对谕两üこ淌┕て陂g，會(huì)受到自身因素影響而出現(xiàn)變形，對(duì)土層滑動(dòng)產(chǎn)生阻礙作用?？够瑯吨g的間距不同，其形成的坡體外側(cè)移動(dòng)趨勢(shì)也存在差異性。當(dāng)抗滑樁前方位置的土體開(kāi)挖時(shí)，土層外側(cè)移動(dòng)趨勢(shì)也會(huì)表現(xiàn)出明顯的增加態(tài)勢(shì)。土壓力不均勻的原因，歸根結(jié)底是抗滑樁受到土體的不間斷擠壓，此橫向位移距離比土體位移距離要小，樁體的部分約束為樁間土體，不同的約束壓力下樁體的剝落程度不同。換言之，由于處于不同的地方，相鄰兩樁的位移因此也不同?？够瑯吨?chē)胤降耐馏w出現(xiàn)的不均勻位移，會(huì)在很大程度上對(duì)各位置的土體抗剪作用形成影響，土壤顆粒在土層中形成楔緊作用，因而產(chǎn)生土拱效應(yīng)[3]。

通過(guò)形成土拱來(lái)改變介質(zhì)應(yīng)力是土拱效應(yīng)的特點(diǎn)，當(dāng)應(yīng)力重新分布時(shí)，拱起后層的壓力通過(guò)拱腳傳遞到穩(wěn)定介質(zhì)。造成土拱效應(yīng)存在的原因有三點(diǎn)，第一，土拱的支撐部分要有堅(jiān)固的拱腳。第二，土層存在相對(duì)位移或不均勻位移。第三，拱在土層中的剪力值不應(yīng)低于成土后的抗剪強(qiáng)度。只有當(dāng)土層處于上述環(huán)境時(shí)，才能對(duì)其強(qiáng)度進(jìn)行調(diào)整，以達(dá)到抗剪應(yīng)力、達(dá)到靜力平衡的目的。

在基建工程實(shí)施期間，土拱效應(yīng)會(huì)受到土層內(nèi)部的粘聚力和摩擦角的相互作用影響，造成部分土層出現(xiàn)不均勻位移現(xiàn)象和變形現(xiàn)象，但是其他部門(mén)是會(huì)在一定時(shí)間段內(nèi)保持相對(duì)靜止的。這種情況出現(xiàn)，摩擦力會(huì)在有位移活動(dòng)的土和無(wú)位移活動(dòng)的土之間產(chǎn)生，減少對(duì)有位移土的支撐壓力并增加對(duì)無(wú)位移土的支撐壓力，取得良好的施工效果[4]。

土拱效應(yīng)是通過(guò)調(diào)節(jié)土的抗剪強(qiáng)度，使土拱處的剪應(yīng)力低于土的抗剪強(qiáng)度。在研究土拱效應(yīng)期間，抗滑樁無(wú)論是結(jié)構(gòu)力學(xué)還是定義上都屬于一種承力結(jié)構(gòu)，都可以清楚的發(fā)現(xiàn)，通過(guò)對(duì)抗滑樁土體的滑動(dòng)情況作出控制，抗滑樁兩側(cè)位置能夠?qū)痘蟛糠值钠麦w壓力予以承擔(dān)。兩個(gè)相鄰的抗滑樁與拱腳的作用相似，利用拱將受力情況傳輸?shù)焦澳_位置，實(shí)現(xiàn)抗滑樁的堅(jiān)固性和穩(wěn)定性。

3 土拱效應(yīng)的內(nèi)力特征分析

3.1 研究假設(shè)

綜合考慮土體所有材料的基本性質(zhì)，對(duì)計(jì)算模型作出簡(jiǎn)化處理，可完成以下研究假設(shè)。第一，土拱后土層的推力按照集度分布，與拱跨度方向保持一致，拱前基本保持臨空面。第二，拉應(yīng)力沒(méi)有在拱軸線橫截面的上方位置出現(xiàn)。第三，拱腳可以以相鄰的兩個(gè)抗滑樁為保證，不能存在任何轉(zhuǎn)動(dòng)約束，同時(shí)屬于無(wú)鉸拱[5]。

如圖1 所示，根據(jù)這些假定，如結(jié)構(gòu)力學(xué)中的無(wú)鉸拱原理，懸鏈線是合理拱軸線的基本形式，其關(guān)系表達(dá)式如下所示：

圖1 拱軸線受力分析圖

在公式中，l 為土拱凈跨度，f 為土拱矢高，l 和f 均表示為坐標(biāo)系。

懸鏈線拱的力學(xué)特點(diǎn)受到荷載集度作用影響，在拱軸線的上方位置界面處不存在剪力和彎矩。沿著軸線切線的方向，拱圈會(huì)受到軸向壓力作用，位于單向受壓應(yīng)力的狀態(tài)。根據(jù)靜力平衡可知：

3.2 土拱力學(xué)計(jì)算原理

在土拱效應(yīng)影響之下，抗滑樁具有十分復(fù)雜的受力特性，綜合抗滑樁支座而獲得三角拱。以結(jié)構(gòu)力學(xué)為基礎(chǔ)，運(yùn)用力矩平衡條件和力完成土拱軸線方程建立。

在公式中，h 表示土拱高度，H 表示的含義為水平反力，N 表示的含義為拱頂界面軸力，V 表示的含義為豎向反力。

3.3 確定抗滑樁間距[6]

在抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算中，確定抗滑樁間距是分析抗滑樁力學(xué)特性的關(guān)鍵要素。經(jīng)過(guò)驗(yàn)算兩個(gè)抗滑樁之間的土體抗壓強(qiáng)度值，明確樁間距。拱腳與拱頂兩個(gè)位置最易遭受到毀壞，以土的極限平衡條件為依據(jù)，通過(guò)兩個(gè)截面強(qiáng)度值再次明確樁基之間的間距，完成關(guān)系表達(dá)式建立[7]。

3.3.1 抗滑樁間距的上限解

為保證樁前土體在樁間不滑出，樁前土體的應(yīng)力應(yīng)小于樁前土體的抗滑力。文中還考慮了樁土間摩擦樁的直接作用。依據(jù)在靜力平衡條件下，定量地得到了抗滑樁樁距的上限解。

如圖2 所示，在天然狀態(tài)下，下滑力的曲線為abcdef；在設(shè)計(jì)情況下，曲線為ab’d’e’f’；在斷面1，2，3，……處，總下滑力為p1，p2，p3……；抗滑樁，處于斷面4 處。

圖2 自然情況及設(shè)計(jì)情況下的下滑曲線圖

圖3 中，當(dāng)土體單元1-2-3-4 發(fā)生滑動(dòng)與位移時(shí)，就務(wù)必克服1-2 和3-4 側(cè)的阻力。取得1-2-3-4 上的一塊計(jì)算單元，假定計(jì)算單元的摩擦系數(shù)為f，作用在dy 上的上部應(yīng)力為R，下部應(yīng)力為R+dR。假定水平應(yīng)力和垂直壓力之比為λ，那么1-2，3-4 面上的摩阻力為2fλR，根據(jù)靜力平衡為：

圖3 土體1-2-3-4 的計(jì)算單元

在邊界條件（y=0，R=Pn）下的解為：

式（7）適于任何一單元，將f 和λ 代入上式即可得到R 值。本段之始P0=0，A=P1/S0l，計(jì)算出R 值，把該值賦給下一段的S。重復(fù)使用，最終求解出最后一段的R 值。抗滑樁作用于下塊的全部荷載，需滿(mǎn)足，可化為

其中PS=PS1+PS2，ζ 為樁的傳力比系數(shù)。

3.3.2 抗滑樁間距的下限解

考慮樁土相互作用和土拱效應(yīng)的抗滑樁間距下限解是其獨(dú)有的特點(diǎn)。下限解的核心思想是樁間土體應(yīng)力傳遞為0。通常把樁間土體視為各向同性材料，對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行了簡(jiǎn)化。假定樁和土體間的摩擦力是為水平應(yīng)力和垂直壓力的比值為λ。滑動(dòng)面的摩擦阻力也應(yīng)考慮在內(nèi)。如圖4 所示，為抗滑樁靜力平衡圖。

圖4 抗滑樁靜力平衡圖

條件式為：

其中

E=RLΨ；F=2 （E+γ1h1D）λtanδ+2ch1；W=γ1h1LD；F0=Wtanφ0+c0LD

式中R 是上限解中最后一結(jié)的R；L 表示抗滑樁的中心距；Ψ 表示土拱影響系數(shù)；δ 表示抗滑樁與土體間的摩擦角；D 表示抗滑樁的長(zhǎng)邊長(zhǎng)度；h 表示滑體厚度；γ1表示土體的重度；λ 表示水平應(yīng)力和垂直壓力之比；c 表示樁土之間的粘聚力；φ0表示土體的內(nèi)摩擦角；c0表示土體的粘聚力。

將上述各量代入條件式（9），整理后的：

3.4 被動(dòng)土壓分析

在受到被動(dòng)土壓力的影響后，土的抗剪切力性能會(huì)下降，若被動(dòng)土的影響能力較小時(shí)，當(dāng)滑動(dòng)面傾斜角不超過(guò)5°，那么此時(shí)可利用的土拱壓力與抗變形作用進(jìn)行抵消，但是這種效果比較弱，因此會(huì)減少被動(dòng)土壓力支撐。只有土拱被破壞，被動(dòng)土壓力支撐才能得到充分利用。所以，在分析抗滑樁期間，被動(dòng)土壓力可以忽略不計(jì)。

3.5 分析剩余下滑力

受到滑坡推力影響，土拱沿著滑動(dòng)方向會(huì)出現(xiàn)不同程度的形變問(wèn)題，待變形以后，將會(huì)出現(xiàn)剩余下滑力。將土拱進(jìn)行劃分，使其形成多個(gè)塊狀，在計(jì)算剩余下滑力時(shí)，按照以下公式展開(kāi)：

在公式中，Ri余為土拱在第i 段下的剩余下滑力；Wi表示在第i 段下的土拱重量；αi表示在第i 段下的土拱傾斜角度；ci表示在第i 段下的土拱粘聚力與內(nèi)摩擦角。

3.6 拱腳內(nèi)力表達(dá)式[8]

假設(shè)抗滑樁為單排分布，形成具有連續(xù)性和對(duì)稱(chēng)性的土拱。在同一樁后側(cè)的局部位置，毗鄰的抗滑樁之間形成三角形受壓區(qū)。土拱腳最不利的損傷面位于三角形的兩腰位置。如果拱圈的土壤遭受到破壞，就需要將其剪出到臨空面。分析期間，作了以下假定。首先是土拱的俯視平面應(yīng)變問(wèn)題。其次是位于破壞面位置的應(yīng)力分布處于均勻狀態(tài)。再次是利用莫爾-庫(kù)侖公式作為強(qiáng)度分析準(zhǔn)則。最后根據(jù)三角形破壞面的長(zhǎng)度來(lái)決定樁的寬度和樁的夾角。[9]

在公式中，t′表示的含義為三角形破壞面長(zhǎng)度。t 表示的含義為土拱拱圈厚度。δ 表示的含義為軸向壓力法與破壞面夾角。b 表示的含義為樁身寬度。

以前文的分析與判斷為基礎(chǔ)，分析了樁間土拱承載力與內(nèi)摩擦角之間的關(guān)系，其得到的關(guān)系曲線如圖5 所示。

圖5 樁間土拱承載力與內(nèi)摩擦角關(guān)系曲線圖

4 結(jié)語(yǔ)

抗滑樁在基建工程施工中，具有良好的應(yīng)用價(jià)值，對(duì)處理滑坡、泥石流等問(wèn)題與防治地質(zhì)災(zāi)害具有積極的意義。由于抗滑樁周?chē)恢玫耐馏w具有復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)情況，在計(jì)算和假設(shè)期間也存在著比較多的局限性，導(dǎo)致沒(méi)有徹底解決抗滑樁加固機(jī)理和土工效用相關(guān)問(wèn)題。本文繼于相關(guān)研究者研究成果，通過(guò)數(shù)值算法作出論證，保證工程更加具有安全性和可實(shí)踐性。