全埋式抗滑樁合理樁長(zhǎng)研究

劉軍武

0 引言

自然界中存在著大量的滑坡，坡體的滑動(dòng)給人類帶來了巨大損失。滑坡治理是巖土工程的主要任務(wù)之一，從20世紀(jì)30年代開始，抗滑樁便成為重要的支擋結(jié)構(gòu)形式，在鐵路、公路、廠礦等滑坡中有著廣泛的應(yīng)用[1］。

根據(jù)抗滑樁樁頂是否到達(dá)滑坡體地表可將抗滑樁分為普通抗滑樁和全埋式抗滑樁(見圖1，圖2)，全埋式抗滑樁的樁頂距滑坡體表面有一定距離，樁頂上的部分推力轉(zhuǎn)移到滑體上，充分的利用了滑坡體的自身抗力，相對(duì)于普通抗滑樁不僅樁長(zhǎng)減短，而且其彎矩、剪力也減小，更經(jīng)濟(jì)合理[2］。目前，對(duì)普通抗滑樁的研究較多，而對(duì)全埋式抗滑樁研究較少。文獻(xiàn)[3］利用模型試驗(yàn)對(duì)樁體受力分布形式和規(guī)律進(jìn)行了研究;文獻(xiàn)[4］利用模型試驗(yàn)對(duì)全埋式抗滑樁的樁前和樁后坡體受力狀態(tài)及樁長(zhǎng)變化時(shí)坡體破壞形式等進(jìn)行了研究。

全埋式抗滑樁的關(guān)鍵問題是樁長(zhǎng)的確定，當(dāng)樁長(zhǎng)較短樁頂距離坡體表面較深時(shí)，滑坡容易產(chǎn)生越頂破壞;當(dāng)距離較淺時(shí)，則樁體彎矩較大，材料用量較多造成浪費(fèi)。本文在有限元的基礎(chǔ)上，利用強(qiáng)度折減法分析研究全埋式抗滑樁合理的嵌固長(zhǎng)度及自由段長(zhǎng)度。

1 分析方法

研究滑坡穩(wěn)定性的方法很多，如條分法、斯賓塞法、傳遞系數(shù)法等都是基于極限平衡理論，其優(yōu)點(diǎn)可以直接的給出邊坡或者滑坡的安全系數(shù)，概念明確便于工程應(yīng)用，其缺點(diǎn)也非常明顯，由于假設(shè)土體為剛塑體，不能計(jì)算出土體的變形及土體內(nèi)部的應(yīng)力分布，特別是有支擋結(jié)構(gòu)時(shí)，不能得出支擋結(jié)構(gòu)的內(nèi)力及其位移。有限單元法不僅考慮了力的平衡條件，還考慮了土體的本構(gòu)關(guān)系，可以考慮土體的非線性、復(fù)雜邊界條件等。同時(shí)，在有限元中使用強(qiáng)度折減法不僅可以計(jì)算出應(yīng)力和位移分布，還可以得出安全系數(shù)。

由Zienkiewicz提出強(qiáng)度折減法，其原理是將土體參數(shù)強(qiáng)度c，φ同時(shí)除以一個(gè)折減系數(shù)Fr折減后的土體強(qiáng)度參數(shù)為:

其中，cr，φr均為折減后的土體強(qiáng)度參數(shù)。

計(jì)算時(shí)，假設(shè)不同的強(qiáng)度折減系數(shù)，根據(jù)折減后的土體參數(shù)進(jìn)行有限元分析，當(dāng)達(dá)到臨界破壞時(shí)的強(qiáng)度折減系數(shù)就是邊坡的穩(wěn)定性安全系數(shù)Fs。判斷土體到達(dá)臨界破壞狀態(tài)的標(biāo)準(zhǔn)有多種，本文采用土體是否產(chǎn)生的連續(xù)的貫通區(qū)作為判斷標(biāo)準(zhǔn)。

2 計(jì)算模型

本文以陜西南部某一滑坡為研究對(duì)象，將滑坡簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，建立二維有限元模型，模型單元?jiǎng)澐秩鐖D3所示。

滑坡體的土層采用摩爾—庫(kù)侖本構(gòu)模型，各層巖土參數(shù)見表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

布置抗滑樁處的滑坡體厚度為12 m，抗滑樁間距4 m，對(duì)抗滑樁不同自由段長(zhǎng)度和嵌固段長(zhǎng)度進(jìn)行計(jì)算分析，以便得出全埋式抗滑樁合理樁長(zhǎng)。

3 合理樁長(zhǎng)

全埋式抗滑樁的樁長(zhǎng)包括兩個(gè)部分:滑裂面上的自由段長(zhǎng)度和滑裂面下的嵌固端長(zhǎng)度。為了研究其合理的長(zhǎng)度，本文分別對(duì)自由段長(zhǎng)度和嵌固端長(zhǎng)度進(jìn)行研究。

3.1 自由段長(zhǎng)度

為了確定全埋式抗滑樁安全經(jīng)濟(jì)的自由段長(zhǎng)度，需對(duì)設(shè)置了不同自由段長(zhǎng)度的全埋式抗滑樁邊坡進(jìn)行計(jì)算，得出不同情況下邊坡的安全系數(shù)。

圖4，圖5給出了嵌固端為6 m和8 m時(shí)，不同自由段長(zhǎng)度對(duì)滑坡安全系數(shù)的影響。

從圖4，圖5中可以看出，在不同的嵌固端下，安全系數(shù)都隨著自由段長(zhǎng)度的增加而增加。但當(dāng)自由段大于8 m時(shí)，滑坡的安全系數(shù)趨于穩(wěn)定，增加不明顯，說明增加自由段的長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)影響不大。當(dāng)自由段大于3 m時(shí)，即當(dāng)自由段大于滑體厚度的1/4時(shí)，加固后的邊坡安全系數(shù)均大于1.25，邊坡穩(wěn)定，滿足滑坡的治理要求。

3.2 嵌固端長(zhǎng)度

為了分析確定合理的嵌固端長(zhǎng)度，本文計(jì)算了一系列自由段長(zhǎng)度下，不同嵌固端長(zhǎng)度對(duì)滑坡安全系數(shù)的影響。圖6僅給出了自由段長(zhǎng)度為5 m時(shí)，不同嵌固端長(zhǎng)度對(duì)安全系數(shù)的影響。其余的規(guī)律與之相似。

從圖6中可以看出，當(dāng)自由段長(zhǎng)度一定時(shí)，滑坡的安全系數(shù)隨著嵌固端長(zhǎng)度的增加而增加，到達(dá)7 m后，安全系數(shù)增加較小，說明嵌固端大于一定長(zhǎng)度后，對(duì)滑坡的安全系數(shù)影響較小。嵌固端長(zhǎng)度大于6 m，滑坡的安全系數(shù)大于1.25，說明嵌固端大于滑體厚度1/2，滿足滑坡的治理要求。

4 結(jié)語

通過計(jì)算分析，可以得出如下結(jié)論:

1)相較于傳統(tǒng)的普通抗滑樁，全埋式抗滑樁樁長(zhǎng)較短，受力更為合理，花費(fèi)更為經(jīng)濟(jì);

2)滑坡的安全系數(shù)隨著全埋式抗滑樁自由段長(zhǎng)度和嵌固端長(zhǎng)度增加而增加，當(dāng)大于一定長(zhǎng)度后安全系數(shù)變化不大;

3)全埋式抗滑樁自由段長(zhǎng)度不宜小于所在位置的滑坡體厚度的1/4;

4)全埋式抗滑樁嵌固端長(zhǎng)度不宜小于所在位置的滑坡體厚度的1/2。

[1]李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M］.北京:人民交通出版社，2004.

[2]雷 用，趙尚毅.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工[M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

[3]熊治文.深埋式抗滑樁的受力分布規(guī)律[J］.中國(guó)鐵道科學(xué)，2000，21(1):48-56.

[4]雷文杰，鄭穎人，王恭先.沉埋樁加固滑坡體模型試驗(yàn)的機(jī)制分析[J］.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)，2002，102(6):5-11.

[5]熊治文，馬 輝，朱海東.全埋式雙排抗滑樁的受力分布[J］.路基工程，2002，26(7):1347-1351.