公路滑坡工程處治中椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁力學(xué)特性分析

戈華

（湖南湘西土家族苗族自治州交通科學(xué)技術(shù)研究院，湖南 吉首 416000）

滑坡是三大突發(fā)性地質(zhì)災(zāi)害之一，滑坡體物質(zhì)一般呈結(jié)構(gòu)松散、土體間黏聚力小、自穩(wěn)能力弱的特點(diǎn)，在人工切削山體形成高陡的臨空面或雨水大量滲入等不利環(huán)境因素條件作用下，易產(chǎn)生順層或牽引式滑坡。對(duì)于公路滑坡，我國廣大科研工作者和公路養(yǎng)護(hù)部門展開了相關(guān)的研究和治理工作。近年來，我國公路建設(shè)中的滑坡防治工作已經(jīng)取得顯著成果，鋼筋混凝土抗滑樁、微型鋼管樁等滑坡工程處治措施得到廣泛應(yīng)用，并形成許多可借鑒的成功經(jīng)驗(yàn)。

近年來，國內(nèi)學(xué)者對(duì)椅式樁展開研究和有益探索，楊德健等闡述了基于雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本理論、簡化模型及內(nèi)力計(jì)算方法，用ANSYS有限元軟件建立平面應(yīng)變模型，分析與研究雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)，討論前后排樁排距、樁身剛度等因素對(duì)圍護(hù)結(jié)構(gòu)側(cè)向位移及樁身內(nèi)力的影響；張禮財(cái)?shù)炔捎糜邢拊浖嗀baqus建立陡坡路基段的椅式樁板三維模型并研究，椅式樁板整體結(jié)構(gòu)具有較強(qiáng)的抗變形能力和整體協(xié)同性，能有效維持陡坡的穩(wěn)定；賀斯頓等提出了椅式雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形分析的混合有限元法；楊雪蓮等以成雅高速公路k1921+416處發(fā)生大型滑坡災(zāi)害，采用大直徑旋挖鋼管混凝土樁應(yīng)急處治滑坡為例，通過三維有限元數(shù)值模擬優(yōu)化鋼管混凝土滑坡加固處治方案，并結(jié)合工后滑坡地表位移監(jiān)測，驗(yàn)證了滑坡應(yīng)急處治工程的有效性。但以上研究采用椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁處治滑坡工程的文獻(xiàn)相對(duì)較少，本文結(jié)合湖南湘西土家族苗族自治州瀘溪能浦公路馬入田滑坡處治工程成果案例，采用理正結(jié)構(gòu)軟件V8.5復(fù)合樁基水平承載設(shè)計(jì)模塊計(jì)算分析門式抗滑樁結(jié)構(gòu)樁基內(nèi)力，分析研究椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁的力學(xué)特性。

1 工程概況

瀘溪縣能灘至浦市公路為新建二級(jí)公路，其中k8+490～k8+630段（馬入田路段）為挖路槽段，微地貌為一南東向的斜坡，邊坡區(qū)物質(zhì)組成及結(jié)構(gòu)特征在垂直方向自上而下分布的地層有第四系殘坡積粉質(zhì)黏土、第四系崩坡積塊石及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，該段路基最大切深為17.89m，滑坡發(fā)生時(shí)該處切深為13.79m，還有4.1m沒有挖到位。滑坡頂緣位置距路基中線21.9m，距未形成的開挖面有15.7m高差，形成了高1.3m～15.7m的路塹邊坡，坡率1:1～1:0.5，右側(cè)坡體上方出現(xiàn)了數(shù)條地表拉張裂縫，后緣規(guī)模最大的裂縫呈北西至北東向弧形展布，開口寬0.2m～2m，延長149m，可見深度為0.5m～1.5m，前后緣地面錯(cuò)落0.50m～4.00m。該滑坡屬于中型牽引式土質(zhì)滑坡，滑體土主要為塊石，滑帶土為塊石層中的粉質(zhì)黏土，滑床由塊石及中風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖組成。

2 邊坡支護(hù)方案分析

根據(jù)滑坡路段路塹邊坡高度、坡率及邊坡巖土工程特性，通過卸載、抗滑擋土墻、鋼筋混凝土抗滑樁（單排樁）、椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合抗滑樁（雙排樁）4種方案處治滑坡，綜合比較工程經(jīng)濟(jì)技術(shù)后發(fā)現(xiàn)，采用椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁方案，具有很好的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。

用打拔樁錘等小型機(jī)械設(shè)備將鋼管打入強(qiáng)風(fēng)化巖層后，再利用鋼管作護(hù)壁，挖除鋼管內(nèi)的土體后，施工嵌巖樁，解決了滑坡工程處治抗滑樁方案成孔施工中易垮孔、塌孔的問題，鋼管鋼筋混凝土復(fù)合抗滑樁施工對(duì)滑坡體擾動(dòng)較小，能有效避免二次滑坡災(zāi)害或次生地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，減少財(cái)產(chǎn)和經(jīng)濟(jì)損失，提高了滑坡工程處治中抗滑樁施工的安全性?；炷翝仓痘鶗r(shí)不拔除鋼管，鋼管與鋼筋混凝土嵌巖樁組合成為鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁，可作為抗滑支擋工程的承力結(jié)構(gòu)。

椅式樁位布局，前排樁和后排樁協(xié)同作用，在鋼筋混凝土嵌巖樁施工前，鋼管可作為勁性骨架承擔(dān)施工階段的施工荷載和結(jié)構(gòu)重量，能充分發(fā)揮鋼管的力學(xué)特性；在鋼管混凝土復(fù)合樁形成前，雙排鋼管樁聯(lián)合形成超靜定剛架結(jié)構(gòu)，有利于迅速穩(wěn)定滑坡體。

3 椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁的力學(xué)特性分析

3.1 參數(shù)取值

鋼管樁徑d=0.92m，壁厚10mm；鋼筋混凝土嵌巖樁樁徑d1=0.8m；橫向樁間凈距取1.5m，橫向樁間距b=2.42m，橫向樁外側(cè)間總寬3.34m；縱向樁間距4m；混凝土強(qiáng)度，嵌巖樁采用C30混凝土，鋼管內(nèi)采用C30微膨脹混凝土；樁的嵌固端位置，樁端嵌入穩(wěn)定巖層的深度不小于5倍樁直徑；樁頂位移≤ql4/8EI；剩余下滑力725.767kN/m，β=20.376°。

3.2 數(shù)值分析模型

圖1 椅式復(fù)合樁剖面圖

考慮土體與抗滑樁的共同作用，將樁端彈性嵌固于穩(wěn)定地層中；計(jì)算分析時(shí)，將結(jié)構(gòu)分為前排樁（臨空樁）、后排樁（靠邊坡側(cè)）、貫梁；將某一深度處最大彎矩作用值的作用點(diǎn)作為固定端梁的簡化計(jì)算模型；將整個(gè)椅式樁位（門式剛架）作為懸臂梁；先確定土壓力分布情況、嵌固端位置，再計(jì)算內(nèi)力。

3.3 同等樁長工況前排樁與后排樁的力學(xué)特性

采用理正結(jié)構(gòu)軟件V8.5復(fù)合樁基水平承載設(shè)計(jì)模塊，計(jì)算分析椅式抗滑樁結(jié)構(gòu)樁基內(nèi)力。

3.3.1 計(jì)算簡圖

樁號(hào)①為后排樁，樁號(hào)②為前排樁。

圖2 椅式樁計(jì)算簡圖

3.3.2 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果簡圖

圖3 內(nèi)力計(jì)算結(jié)果簡圖

3.3.3 前排樁與后排樁的力學(xué)特性分析

（1）內(nèi)力分析結(jié)果

（2）前排樁和后排樁的聯(lián)合作用效應(yīng)

從表1中可以看出，橫向同一排兩根抗滑樁承擔(dān)的水平力不是平均分配，后排樁受水平力要大于前排樁。后排樁承擔(dān)水平推力位65.5%，前排樁承擔(dān)水平推力為34.5%。后排樁與前排樁承受水平力的比例為1.9∶1。樁頂位移理論值2.25mm＜ql4/8EI=106mm。

表1 抗滑樁內(nèi)力分析結(jié)果

3.4 不同樁長工況前排樁與后排樁的力學(xué)特性

根據(jù)前排樁、后排樁樁長相同工況結(jié)構(gòu)受力分析結(jié)果，后排樁比前排樁承受的軸力、剪力和水平力均要大，把后排樁樁長增加2m后再展開分析。

3.4.1 前、后排樁不同樁長抗滑樁內(nèi)力分析

將已經(jīng)計(jì)算得到的水平力、彎矩、豎向力，錄入理正結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工具箱軟件V8.5復(fù)合樁基水平承載設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)錄入界面中，計(jì)算分析結(jié)果如下。

3.4.2 前排樁與后排樁力學(xué)特性分析

如表2所示，后排樁承擔(dān)水平推力的66%，前排樁承擔(dān)水平推力的34%。后排樁與前排樁承受水平力的比例為1.94∶1。

表2 不同樁長抗滑樁內(nèi)力分析結(jié)果

3.4.3 前排樁與后排樁不同樁長力學(xué)特性分析結(jié)論

通過改變樁長，將承受滑坡推力較大的后排樁樁長增長2m，即增加樁的嵌巖深度，通過計(jì)算分析和對(duì)比可知，后排樁比前排樁承受的滑坡推力要大，后排樁約承擔(dān)65%左右，前排樁約承擔(dān)35%左右。在后排樁的樁長增加2m時(shí)，后排樁所承受的樁身軸力、剪力減小，所承受的水平力增大，增大0.76%，前排樁所承受的水平力減??；后排樁與前排樁分擔(dān)水平力的比例略有變化，但仍在2∶1的范圍內(nèi)。在一定嵌巖深度條件下，通過調(diào)整樁長、增加樁基嵌巖深度等措施，前后兩排樁所承受的水平推力變化不顯著。

4 結(jié)束語

椅式抗滑樁的樁位布局，鋼管樁頂剛性連接且伸入冠梁，使得抗滑結(jié)構(gòu)體系各構(gòu)件共同承擔(dān)滑坡推力等荷載，充分發(fā)揮各構(gòu)件的最大效能。椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁，后排樁比前排樁承受的滑坡推力要大，后排樁與前排樁分擔(dān)水平力的比例約為2∶1。

斜坡地形的巖土質(zhì)路基邊坡，在前、后排樁的樁長相同工況下，后排樁嵌巖深度一般要大于前排樁。在一定嵌巖深度條件下，通過加長后排樁的樁長方式，前、后2排樁所承受的水平推力變化不顯著。

樁頂?shù)乃轿灰朴汕芭艠杜c后排樁協(xié)同工作共同控制，因此前排樁與后排樁的抗彎剛度不宜相差太大，即樁截面形狀、截面面積應(yīng)一致。

鑒于公路邊坡巖土體巖土特性的差異性與復(fù)雜性，椅式鋼管鋼筋混凝土復(fù)合樁在實(shí)際應(yīng)用中，抗滑樁的樁徑大小、基于土拱效應(yīng)的樁縱向間距、基于協(xié)同工作的樁橫向間距、樁的嵌巖深度等，需采用數(shù)值計(jì)算分析與成功經(jīng)驗(yàn)相結(jié)合的方式，以確保邊坡的穩(wěn)定。