土質(zhì)軟巖塹坡半坡抗滑樁錨固深度數(shù)值分析

葉 鵬

(鐵道第三勘察設(shè)計院集團有限公司地路處,天津 300251)

1 概述

半坡抗滑樁的簡稱為半坡樁,顧名思義是指設(shè)置在鐵(公)路路塹邊坡或陡斜坡上的抗滑樁,滑面較陡,尤其是錨固段樁前部分滑面陡傾,形成一三角形巖體,難以達到樁錨固段半無限體的要求,無法按常規(guī)抗滑樁計算理論進行設(shè)計計算(圖1)。它與坡腳樁(圖2)的主要不同在于：坡腳樁設(shè)在坡腳應(yīng)力集中部位,不僅起到支擋作用,同時對坡腳薄弱部位進行了加固,樁前巖體處于近似半無限體狀態(tài),樁前巖體是穩(wěn)定的,可以為樁提供足夠的抗力,這從一定程度上抑制了樁的側(cè)向變位。而半坡樁的樁前巖體(滑體與滑床)位于斜坡上,對樁提供抗力有限,制約樁的變位能力相對較差,若樁前滑床部分的巖體不穩(wěn),樁將失效,起不到對樁后邊坡土體支擋作用,所以半坡樁的位置選擇必須保證滑面以下巖體也能夠?qū)短峁┳銐虻目沽Α?/p>

圖1 半坡樁示意

圖2 坡腳樁示意

圖3 樁前錨固段達到半無限體的方法

半坡樁能否按普通抗滑樁設(shè)計計算,其最關(guān)鍵的問題之一就是：錨固段樁前土體在什么情況下可以近似按照半無限體來考慮。如圖3所示,半坡樁錨固段樁前巖(土)體難以達到半無限體的條件要求,尤其樁前滑床部分為一三角體,其變形及破壞模式與半無限體的變形及破壞模式相去甚遠,如果按一般的抗滑樁的計算模式進行設(shè)計,則偏于不安全,假如將其錨固段從路基面或地面相對較平緩的位置起算,則可以達到半無限體的要求,然而這種設(shè)計計算方法偏于保守。況且有些情況下(如將抗滑樁設(shè)于三級以上的坡頂)難以達到。因此需要找出一個合理的錨固段深度增加值ΔH和適當(dāng)?shù)腻^固點前邊坡寬度Δd,錨固段樁前巖體既能保證自身穩(wěn)定又能近似達到半無限體,對于指導(dǎo)今后的半坡樁設(shè)計計算,確保工程的安全可靠降低工程造價且具有重要的意義。

2 理論計算模式研究

2.1 增加錨固段長度計算模式

如圖4所示,通過增加錨固段長度ΔH來提高錨固段樁前抗力,以求錨固段樁前巖土體近似半無限體狀態(tài)。

圖4 通過增加樁長達到半無限體狀態(tài)(單位：m)

2.2 增加樁前滑床寬度計算模式

如圖5所示,通過增加錨固段樁前滑床寬度,以達到提高錨固段樁前土體抗力。若Δd無限增大,那么錨固段樁前就會呈現(xiàn)出半無限體狀態(tài)。

圖5 通過增加錨固段滑床寬度達到半無限體狀態(tài)

2.3 綜合計算模式

如圖6所示,結(jié)合圖4、圖5的2種方法,當(dāng)Δd增加到一定寬度時,通過數(shù)值計算得錨固段樁前典型點A處的側(cè)應(yīng)力σA逐漸增大,且當(dāng)Δd增加到某一臨界值時σA趨于平穩(wěn),這時將這種狀態(tài)近似地看作半無限體狀態(tài),那么就將ΔH=tanθ·Δd作為錨固段需增加長度的臨界值,自由段長度不變。在此,假定滑面與坡面平行,所以樁前滑床寬度Δd的增加體現(xiàn)在樁前平臺寬度的增加,如圖7所示。

圖6 綜合計算模式(一)(單位：m)

圖7 綜合計算模式(二)(單位：m)

3 數(shù)值分析研究

3.1 參數(shù)的選取

3.1.1 巖土體參數(shù)的取值

為更好地應(yīng)用于工程實踐,根據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》(TB10025—2001),選取了3種代表性地層類別作為滑床巖土體參數(shù)：密實黏土、軟片巖、普通頁巖。各材料的力學(xué)計算參數(shù)如表1所示。

表1 巖土體材料參數(shù)

3.1.2 結(jié)構(gòu)參數(shù)的取值

C25混凝土半坡樁的彈性模量E=2.65×104MPa,泊松比μ=0.3。

3.2 基本說明及假定

在樁長(全長20 m,錨固段10 m)固定不變的前提下,分別考慮滑面傾角θ為15°、25°、35°、45° 4種工況下(圖8),通過改變滑床寬度Δd(m),得到樁前典型點A處的側(cè)應(yīng)力σA的變化規(guī)律。計算范圍定為：x方向(沿坡面方向)的長度為60 m,y方向為30 m。由于模型所取的計算范圍較大,故將邊界條件取為左右邊界x向約束,底部邊界y向約束。

圖8 數(shù)值計算模式

為了使計算模型既能反映實際地質(zhì)條件又能使計算較為簡單,特作如下調(diào)整假設(shè)。

(1)由于本處計算研究重點是滑帶下部樁體,為簡化分析,僅建立滑帶以下部分模型,故將滑體作用在滑帶上部樁體的作用力考慮為500 kN/m(樁間距為6 m),并通過計算簡化為作用在滑帶處樁體上大小為3 000 kN的集中力和15 000 kN·m的彎矩,不再建立滑體有限元模型。

(2)將上部滑體的重力簡化為作用在滑床上大小為200 kN/m均布荷載。

3.3 計算結(jié)果分析

以巖土體參數(shù)為密實黏土為例。

圖9與圖10分別為滑面傾角為15°時、樁前滑床寬度為1 m和9 m時x方向應(yīng)力云圖,其他寬度不再贅述。圖11為樁前典型點A處巖土體的側(cè)應(yīng)力σA隨樁前滑床寬度Δd變化曲線及擬合后的曲線。

圖9 樁前滑床寬度為1 m時樁側(cè)土應(yīng)力云圖

圖10 樁前滑床寬度為9 m時樁側(cè)土應(yīng)力云圖

圖11 樁前滑床寬度Δd與σA的關(guān)系曲線

圖12 錨固段增加值ΔH與滑面傾角θ變化曲線

從圖11中可以看出,當(dāng)滑面傾角θ為15°時,滑床寬度Δd在3 m以后,樁前典型點A處巖土體的側(cè)應(yīng)力σA趨于穩(wěn)定。因此,按計算模式圖7,相當(dāng)于在常規(guī)抗滑樁(滑面水平)錨固段設(shè)計長度的基礎(chǔ)上增加ΔH=tanθ·Δd=0.8 m,最小平臺寬度為3 m。

如圖12所示,錨固段增加值ΔH與滑面傾角θ的變化曲線,對其進行擬合,得出函數(shù)方程：ΔH=A1exp(θ/t1)+y0；(其中0°≤θ≤45°)

4 結(jié)語

本文通過有限元分析軟件MIDAS/GTS模擬,分別以密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體(取自《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中)為材料參數(shù),考慮滑面傾角變化(15°、25°、35°、45°)組合工況進行檢算,最后得出以下結(jié)論。

(1)半坡樁錨固段處于密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體中,隨滑面傾角變化(0°≤θ≤45°)時,錨固段長度增加值ΔH擬合公式,如表2所示。

表2 不同錨固地層隨滑面傾角變化下錨固段長度增加值ΔH擬合公式

注：其中參數(shù)ΔH為錨固段較常規(guī)抗滑樁設(shè)計增量；θ為滑面傾角(其中0°≤θ≤45°)。

(2)半坡樁錨固段處于密實黏土、軟片巖、普通頁巖3種巖土體中,隨滑面傾角變化(15°、25°、35°、45°)時,最小平臺寬度Δd,如表3所示。

表3 不同錨固地層隨滑面傾角變化下最小平臺寬度Δd m

注：表中數(shù)據(jù)均以懸臂長度為10 m,錨固段長度為10 m為基準。

(3)提出將半坡樁錨固段樁前巖土體近似考慮為半無限體狀態(tài)的理想方法：即通過建立半坡樁錨固深度增加值計算模式,得出最小的錨固段增加值ΔH(表2),通過建立樁前滑床寬度的計算模式,得出最小平臺寬度Δd(表3),且這兩個要求一般均應(yīng)滿足。但是由于計算時假定前提條件為滑面以上土體荷載均布、樁懸臂段受力簡化較為單一等原因,得出的ΔH,Δd是較為理想狀態(tài)下臨界值,可供參考。但為半坡樁設(shè)計提供了一個計算分析的思路,可以以此思路計算分析多種條件下的ΔH,Δd值,實際設(shè)計時還必須考慮留有一定的安全儲備值。

(4)實際工程中塹坡巖土工程性質(zhì)多樣,巖體構(gòu)造面、產(chǎn)狀組合多、節(jié)理裂隙發(fā)育程度不一,巖土體滑面形狀、性質(zhì)、物理力學(xué)參數(shù)多變,塹坡坡度高度、地下水發(fā)育程度、降雨、坡面防護加固形式等也對半坡樁的選擇以及ΔH,Δd確定產(chǎn)生很大影響,同時還必須在詳細查明塹坡巖土體工程地質(zhì)情況下，考慮塹坡整體的安全穩(wěn)定性要求選取較為適宜的各項計算參數(shù),按本文所提出設(shè)計思路,進行分析計算,再經(jīng)過實際工程的試驗完善計算方法,以達到保證塹坡穩(wěn)定節(jié)約投資的目標。

[1]TB10025—2001,鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范[S].

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