斜坡地形基巖抗滑樁無效嵌固深度

摘要 文章首先根據(jù)抗滑樁在工作過程中的變形特點(diǎn)，分析了樁前楔形體在抗滑樁變形過程中的破壞形式、破壞過程；然后，根據(jù)樁前楔形體的破壞形式、破壞過程，建立了極限平衡方程，求解極值得出抗滑樁的無效嵌固深度計(jì)算公式；最后，根據(jù)不同工況下無效嵌固深度計(jì)算公式的結(jié)果，分析了該公式的特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)。結(jié)果表明，該公式可以快捷有效地計(jì)算出斜坡基巖段抗滑樁的無效嵌固深度，對(duì)指導(dǎo)斜坡基巖段抗滑樁的設(shè)計(jì)和施工具有重要的工程意義。

關(guān)鍵詞 斜坡基巖；抗滑樁；抗滑樁變形特點(diǎn)；極限平衡方程

中圖分類號(hào) TU476.9 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）05-0119-03

0 引言

斜坡基巖段的抗滑樁設(shè)計(jì)，長(zhǎng)期困擾著工程勘察設(shè)計(jì)人員，抗滑樁樁前楔形體由于不滿足地下半無限空間的理想條件，其變形特征、破壞形式、極限承載力等都無法采用常規(guī)方法進(jìn)行分析或計(jì)算。現(xiàn)有研究中得出的明確結(jié)論和計(jì)算公式，一般是分析樁前楔形體在極限狀態(tài)下的自重和抗剪能力，計(jì)算出其最大抗力值，再代入滑坡推力，進(jìn)而求解出無效嵌固深度[1-6]。此類方法有一定的可取之處，但忽略了抗滑樁在工作過程中的變形特點(diǎn)，沒有準(zhǔn)確把握樁前楔形體的破壞形式，由此得出的無效嵌固段的計(jì)算值普遍偏小，該類計(jì)算公式計(jì)算的無效嵌固深度存在明顯的安全隱患。針對(duì)這一點(diǎn)，該文通過分析斜坡地形條件下抗滑樁工作過程中樁前基巖嵌固段的破壞模式，建立了極限平衡方程式，得出更貼合工程實(shí)際的無效嵌固深度計(jì)算公式。

1 抗滑樁變形與樁前楔形體破壞

抗滑樁在滑坡推力的作用下，會(huì)產(chǎn)生一定程度的彎曲變形。由于力矩的作用，樁身變形的水平位移量從樁頂開始向下逐漸減小。而樁前楔形體在不同深度上所受到的水平擠壓也不同，深度越小，其對(duì)應(yīng)的樁身變形水平位移量越大，受到的水平擠壓也就越強(qiáng)烈。而在楔形體中，由于斜坡形態(tài)的存在，深度越小的部分其體積越小，抗剪能力越小，所能提供的極限抗力越小，而深度越小的部分所承受的水平擠壓越強(qiáng)烈，就會(huì)導(dǎo)致在樁身變形的過程中，楔形體深度較小的部分首先產(chǎn)生剪切破壞，導(dǎo)致完全失穩(wěn)，無法為抗滑樁提供抗力。如圖1所示，樁前楔形體中的第一部分會(huì)首先產(chǎn)生破壞失穩(wěn)。

綜上所述，現(xiàn)有研究中將楔形體作為整體，考慮其極限狀態(tài)的穩(wěn)定性不合適，沒有考慮樁身變形過程中樁前楔形體中深度較小部分產(chǎn)生的破壞，計(jì)算所得出的無效嵌固深度偏小，存在安全隱患。

2 無效嵌固深度計(jì)算公式

結(jié)合上一節(jié)的論述，如圖2所示，將樁前楔形體視作不同長(zhǎng)度的條塊堆疊而成，在樁身變形的過程中，首先是1號(hào)條塊承擔(dān)所有推力，產(chǎn)生破壞失穩(wěn)；然后是2號(hào)條塊承擔(dān)所有推力，產(chǎn)生破壞失穩(wěn)；隨后是3號(hào)條塊承擔(dān)所有推力，以此類推。

現(xiàn)假設(shè)10號(hào)條塊所產(chǎn)生的水平抗力和其受到的推力達(dá)到平衡，設(shè)無效嵌固深度為X；10號(hào)條塊受到的推力為f1；斜坡角度為θ；基巖抗剪強(qiáng)度為τ；樁身寬度為D；10號(hào)條塊的長(zhǎng)度為H，面積為S；10號(hào)條塊的極限水平抗力為f，因此：

10號(hào)條塊長(zhǎng)度的計(jì)算公式如下：

H =X/tanθ （1）

10號(hào)條塊面積的計(jì)算公式如下：

S =H×D =X×D/ tanθ （2）

10號(hào)條塊能夠產(chǎn)生的水平抗力，等于其面積和抗剪強(qiáng)度的乘積：

f =S×τ =X×D×τ/ tanθ （3）

10號(hào)條塊受到的推力f1，如圖3所示：

斜坡地段嵌巖抗滑樁工作過程中的受力圖，可簡(jiǎn)化為如圖3所示，F(xiàn)為單根樁所承擔(dān)的水平推力；f1為樁前巖體受到的推力，即上文中10號(hào)條塊受到的推力；f2為樁底后方巖體受到的推力；L1為抗滑樁的受荷段長(zhǎng)度；L2為嵌固段長(zhǎng)度；L3為滑坡推力作用點(diǎn)到滑面的距離?？够瑯对诨峦屏Φ淖饔孟拢曰娓浇臉肚皫r體為旋轉(zhuǎn)點(diǎn)產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)的趨勢(shì)。

由抗滑樁在水平方向的受力平衡，可得：

F+f2=f1 （4）

由抗滑樁的彎矩平衡，可得：

F· L3=f2· L2 （5）

抗滑樁的嵌固段深度L2，一般按受荷段長(zhǎng)度的1/2控制。滑坡推力作用點(diǎn)到滑面的距離L3，按樁后滑坡推力的形態(tài)，一般為受荷段長(zhǎng)度的1/2～1/3，此處出于安全考慮，也考慮無效嵌固段導(dǎo)致的受荷段加長(zhǎng)，按受荷段長(zhǎng)度的1/2考慮。由此可得：

L3=L2 （6）

將式（4）～（6）聯(lián)合計(jì)算，可得：

f1=2F （7）

令式（3）等于式（7），即2F=f，建立極限平衡方程式，可推導(dǎo)出無效嵌固深度的計(jì)算公式如下：

X =2F×tanθ/D×τ （8）

式（8）即無效嵌固深度的計(jì)算公式，該公式結(jié)合了抗滑樁變形過程中樁前楔形體的破壞形式、破壞過程，建立了極限平衡方程式，推導(dǎo)出無效嵌固深度。公式中的參數(shù)在工程中都能準(zhǔn)確獲得，對(duì)斜坡基巖的抗滑樁設(shè)計(jì)具有較強(qiáng)的指導(dǎo)意義。

3 算例分析

為驗(yàn)證無效嵌固深度計(jì)算公式的合理性，該文選取幾種工況對(duì)無效嵌固深度進(jìn)行了計(jì)算：

如表1所示，該文所得的計(jì)算公式在不同工況下的計(jì)算結(jié)果區(qū)分度較高，能較好地反映各參數(shù)對(duì)無效嵌固深度的影響，適應(yīng)不同工況下無效嵌固深度的計(jì)算。

4 工程實(shí)例

將無效嵌固深度計(jì)算公式應(yīng)用到達(dá)州繞城高速西K9+230～K9+290段堆積體的抗滑樁設(shè)計(jì)工作中。

4.1 工點(diǎn)概況

該段挖方邊坡開挖后的地質(zhì)條件與原設(shè)計(jì)地質(zhì)條件存在較大差異，開挖后邊坡揭露覆蓋層的厚度較大，厚2.6～13.0 m，且整體含水量較高，呈軟塑～可塑狀態(tài)，為殘坡積堆積體?？辈靻挝粚?duì)該堆積體進(jìn)行了補(bǔ)充地質(zhì)勘察，該堆積體中上部即廢棄金躍養(yǎng)豬場(chǎng)的后墻區(qū)域明顯鼓脹、擠壓變形，養(yǎng)豬場(chǎng)廠房也出現(xiàn)變形開裂跡象，豬場(chǎng)后山的公路內(nèi)側(cè)可見路面鼓脹、排水溝擠壓及路面破損跡象，推測(cè)該堆積體中上部即廢棄金躍養(yǎng)豬場(chǎng)及其后山區(qū)域處于蠕動(dòng)變形階段。據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)勘察報(bào)告的結(jié)論顯示，該段“右側(cè)挖方邊坡在天然工況和暴雨工況下存在基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定情況，有滑坡風(fēng)險(xiǎn)，建議采取合理的支護(hù)措施”。

經(jīng)過勘察，對(duì)該不良地質(zhì)體判定為殘坡積堆積體：平面形態(tài)呈扇形，分布于擬建道路樁號(hào)K9+230～K9+290右側(cè)，縱長(zhǎng)約20 m，橫寬90 m，整體為斜坡地形，坡度一般為3°～46°；經(jīng)鉆探揭露，推測(cè)其厚度在2.6～13 m之間；由粉質(zhì)黏土組成，局部含泥質(zhì)殘積碎塊，表層含植物根系。堆積體下伏侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組砂質(zhì)泥巖、長(zhǎng)石砂巖，基巖產(chǎn)狀300°∠25°，綜合判斷該堆積體為第四系全新統(tǒng)殘坡積，邊坡開挖后在天然工況和暴雨工況下存在基本穩(wěn)定～欠穩(wěn)定情況，存在滑坡風(fēng)險(xiǎn)。

4.2 地質(zhì)概況

工程區(qū)分布地層主要為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組長(zhǎng)石砂巖、砂質(zhì)泥巖；第四系全新統(tǒng)殘坡積黏土層及崩坡積碎塊石層，各層巖性如下：

粉質(zhì)黏土：黃褐色，軟塑～可塑狀，成分主要以黏粒礦物為主，干強(qiáng)度中等，韌性中等，刀切面稍有光澤，無搖震反應(yīng)，局部含泥質(zhì)殘積碎塊，表層含植物根系，場(chǎng)區(qū)厚度在2.6～13.0 m之間。

碎石土：雜色、結(jié)構(gòu)松散，主要由砂巖塊石及粉質(zhì)黏土組成，塊石粒徑一般為20～200 mm，含量一般在45%～60%之間，粉質(zhì)黏土充填，鉆孔揭露厚度為1.2 m。

粉質(zhì)黏土夾塊石：雜色、結(jié)構(gòu)松散，主要由砂巖塊石及粉質(zhì)黏土組成，塊石粒徑一般為20～200 mm，含量一般在20%～30%之間，粉質(zhì)黏土充填黃褐色，呈可塑狀，厚約6～7 m。

淤泥質(zhì)土：軟塑～可塑狀，成分主要以黏粒礦物為主，韌性低，刀切面稍有光澤，無搖震反應(yīng)，局部含泥質(zhì)殘積碎塊，厚度約3 m。

砂質(zhì)泥巖：紫紅色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，主要由黏土礦物組成，局部夾砂質(zhì)團(tuán)塊或條帶。強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎，成碎塊狀，碎塊手捏易碎，場(chǎng)區(qū)厚度在1.0～2.0 m之間；中風(fēng)化層巖體較完整，通過鉆探揭露多成柱狀、短柱狀。為場(chǎng)區(qū)下伏主要基巖，此次鉆探未揭穿。

長(zhǎng)石砂巖：青灰色、灰色，細(xì)～中粒結(jié)構(gòu)，中～厚層狀構(gòu)造，鈣、泥質(zhì)膠結(jié)，主要由長(zhǎng)石、石英組成，云母、巖屑次之。強(qiáng)風(fēng)化層巖體破碎，成碎塊狀，碎塊手捏易碎，場(chǎng)區(qū)厚度在1.0～1.5 m之間；中風(fēng)化層巖體較完整，通過鉆探揭露多成柱狀、短柱狀。場(chǎng)區(qū)以?shī)A層形式出現(xiàn)于砂質(zhì)泥巖中，鉆孔揭露的最大厚度為9.7 m。

4.3 抗滑樁設(shè)計(jì)

經(jīng)過前期勘察和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查，對(duì)滑坡推力進(jìn)行了計(jì)算，以計(jì)算滑坡推力為依據(jù)，對(duì)抗滑樁進(jìn)行了配筋和設(shè)計(jì)，抗滑樁采用矩形抗滑樁，以中風(fēng)化基巖為持力層，抗滑樁設(shè)計(jì)簡(jiǎn)圖如圖4所示：

如圖4所示，樁身為1.5 m×2.0 m尺寸的矩形抗滑樁，抗滑樁塹固段有一定坡度，為中風(fēng)化長(zhǎng)石砂巖，利用無效嵌固深度計(jì)算公式對(duì)抗滑樁的穩(wěn)定性進(jìn)行了驗(yàn)算，其結(jié)果如表2所示：

由表2可知，該段抗滑樁的無效嵌固深度為1.68 m，結(jié)合該計(jì)算結(jié)果，將原設(shè)計(jì)中的嵌固深度由4 m調(diào)整為如圖4所示的6 m。

5 結(jié)論

（1）通過總結(jié)抗滑樁工作過程中的變形特點(diǎn)，分析了樁前楔形體的破壞形式、破壞過程。

（2）根據(jù)樁前楔形體的破壞形式、破壞過程，建立了極限平衡方程式，推導(dǎo)出無效嵌固深度的計(jì)算公式。

（3）選取幾種不同工況對(duì)無效嵌固深度的計(jì)算公式進(jìn)行了檢驗(yàn)，結(jié)果表明：無效嵌固深度的計(jì)算公式在不同工況下的計(jì)算結(jié)果區(qū)分度較高，能夠較好地反映各參數(shù)對(duì)無效嵌固深度的影響，適應(yīng)不同工況下無效嵌固深度的計(jì)算。

（4）無效嵌固深度的計(jì)算公式所涉及的參數(shù)均可從工程中簡(jiǎn)單獲取，推廣性較好。

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