微型樁在地災加固應用中的抗滑穩(wěn)定性淺析

陳國棟

(中鐵二院成都勘察設計研究院有限責任公司，四川成都610081)

微型樁(micro－pole)一般指樁徑在70～300mm，長徑比較大(＞30)，采用鉆孔、強配筋和壓力注漿工藝施工的灌注樁。微型樁早期主要用于地基加固。上個世紀末期迅速發(fā)展，廣泛用于邊坡治理、滑坡修復和深基坑支護等工程實踐，引起了國內(nèi)外學術界的高度重視。如今在滑坡治理工程中，特別是應急搶修工程中，微型抗滑樁因施工方便、迅速，施工后樁體與巖土體形成復合土工材料，可充分發(fā)揮巖土體自身的抗滑力等優(yōu)點而得到廣泛應用，并取得了預期的治理效果。

在成都鐵路局管轄范圍內(nèi)的地災搶險中應用微型樁實例較多，不勝枚舉。如:內(nèi)六線Dk229+070～+122加固工程等，絕大部分發(fā)揮了應有作用，但也有個別失敗案例。國內(nèi)的微型樁多作為應急災害中的補充措施，沒有較為完整的體系。

1 微型樁的結構計算分析

有關微型抗滑樁與周圍巖(土)體的共同作用還沒有形成系統(tǒng)深入的理論認識，對于微型抗滑樁的設計、計算大多借用普通抗滑樁的計算模式。在工程應用中，一些重要參數(shù)的選取通常是通過試樁試驗或參照其他工程的經(jīng)驗取值來確定。

獨立微型抗滑樁內(nèi)力計算方法主要有兩類:壓力法和數(shù)值計算方法。

壓力法簡單，并且能快捷地估算出樁的最大彎矩和樁身位移，所以工程設計一般以該法為主，但是計算結果偏差較大，一般偏于保守。

數(shù)值計算方法主要包括有限差分法、有限單元法等，是最有發(fā)展?jié)摿Φ脑O計計算方法。但是由于實際情況復雜，模型參數(shù)選取不當就會對最終的計算結果產(chǎn)生較大的影響。

解決上述問題均需要對微型抗滑樁的抗滑作用機制及其破壞模式進行系統(tǒng)的研究。

2 工程實例

2.1 工程概況

本設計位于內(nèi)六線DK229+070～+122路段，該路段為右堤左塹，鐵路位于直線上。牽引變電所位于路線右側，原設計牽引變電所場坪外側設擋土墻，其中DK229+050～+132段為樁基托梁路肩擋土墻(圖1)。該路段牽引變電所場坪擋土墻外側岸坡于2004年被河水沖刷導致嚴重坍塌。2004年5月鐵二院對岸坡采取抗滑樁對其進行設計加固，后來鹽津縣交通局在距變電所上游70m處建橋，加劇了橫江河水直接沖擊變電所外坡，河岸受到?jīng)_刷嚴重，導致原有河岸加固的抗滑樁剪壓破壞、變電所場坪擋土墻外側岸坡嚴重坍塌，硬化場坪有整體下沉的趨勢，已經(jīng)嚴重威脅供電設備的安全使用，急需進行整治。后來在DK229+070～+122范圍牽引變電所硬化場坪內(nèi)采用鋼管樁加固措施。

圖1 DK229+070斷面(單位:m)

2.2 地質(zhì)資料

工程所在處地質(zhì)資料見表1。

表1 計算參數(shù)

2.3 微型樁抗滑穩(wěn)定性分析

本文采用GEO－SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊對該工點路基穩(wěn)定性進行了評估。

2.3.1 極限平衡法基本原理

極限平衡法是建立在摩爾一庫侖強度準則基礎上的，其特點是只考慮靜力平衡條件和土的摩爾一庫侖破壞準則，通過分析土體在破壞瞬間的平衡來求得問題的解。極限平衡理論的主要思路是將滑動土體進行條分，由極限狀態(tài)下土條所受力和力矩的平衡來分析邊坡穩(wěn)定性。它是目前應用最多的一種分析方法。

2.3.1.1 摩爾一庫侖強度準則

由庫侖理論可知，采用總應力指標時，土的抗剪強度公式:

式中:τf為土的抗剪強度;σn為剪切滑動面上的法向總應力。

采用有效應力指標時，土的抗剪強度公式:

式中:τ'f為土的有效抗剪強度;σ'n為剪切滑動面上的法向有效應力;u為孔隙水壓力。

2.3.1.2 關于安全系數(shù)的定義

在圓弧滑動安全系數(shù)Fs的計算中，相應的計算公式如下:

式中:c、φ為土的粘聚力、內(nèi)摩擦角(有效抗剪強度);W為土條的總重量;l為土條的圓弧長;b為土條寬度;u0為由天然地下水引起的初始孔隙水壓力;Tr為加筋材強度;α為土條圓弧的切線方向與水平面的夾角(圖2)。

土坡沿著某一滑裂面滑動的安全系數(shù)k也可以這樣定義，將土的抗剪強度指標降低為c/k和tan φ/k，土體沿著此滑裂面處達到極限平衡，即:

上述將強度指標的儲備作為安全系數(shù)定義的方法(強度折減法)是經(jīng)過多年的實踐被工程界廣泛承認的一種作法。采用這一定義，在數(shù)值計算方面，會增加一些迭代、收斂方面的問題。

圖2 圓弧滑動法計算圖示

2.3.1.3 靜力平衡條件

將滑動土體分成若干土條，每個土條和整個滑動土體都要滿足力和力矩平衡條件。在靜力平衡方程組中，未知數(shù)的數(shù)目超過了方程式的數(shù)目，解決這一問題的辦法是對多余未知數(shù)作假定，使剩下的未知數(shù)和方程式數(shù)目相等，從而解出安全系數(shù)的值。

2.3.1.4 合理性要求

對多余未知數(shù)的假定方案是多種多樣的，但也不是任意的。它必須使獲得的解符合土和巖石的力學特性。目前，被普遍接受的合理性條件是:

(1)沿著劃分的土條兩側面上的剪應力不能超過在這個面上所能發(fā)揮的抗剪能力。

(2)土條接觸面上不能產(chǎn)生拉應力，作用在土條上的有效應力的合力作用點不應落在土條垂直面的外面。

在此原則基礎上，有很多穩(wěn)定性分析方法，包括Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法等。

2.3.2 工點DK229+070陡坡斷面穩(wěn)定性評估

2.3.2.1 未設置微型樁加固措施前的陡坡穩(wěn)定性分析

(1)穩(wěn)定性分析參數(shù)取值見表2;

表2 參數(shù)取值

(2)穩(wěn)定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法;

(3)假定:不考慮孔隙壓力，不使用概率統(tǒng)計分析;

(4)計算結果見圖3～圖6。

圖3 加固前最危險滑面形狀位置(Morgenstern－price法)

圖4 加固前最危險滑面形狀位置(Bishop法)

圖5 加固前最危險滑面形狀位置(Janbu法)

圖6 加固前最危險滑面形狀位置(Ordinary法)

各計算方法得到的最小安全系數(shù)如表3所示

表3 微型樁加固前陡坡最小安全系數(shù)

本工點陡坡在不采取微型樁加固措施的情況下，由于事先采用了抗滑樁加固，安全系數(shù)為1.7～1.8。

2.3.2.2 設置微型樁加固措施后的陡坡穩(wěn)定性分析

(1)穩(wěn)定性分析參數(shù)見表4。

表4 參數(shù)取值

(2)穩(wěn)定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法。

(3)計算結果見圖7～圖10。

圖7 加固后最危險滑面形狀位置(Morgenstern－price法)

圖8 加固后最危險滑面形狀位置(Bishop法)

圖9 加固后最危險滑面形狀位置(Janbu法)

圖10 加固后最危險滑面形狀位置(Ordinary法)

各計算方法得到的最小安全系數(shù)如表5所示

表5 微型樁加固后陡坡最小安全系數(shù)

2.4 計算結果分析

對比表4和表5可以看出，在采取微型樁結構工程措施情況下，本段陡坡穩(wěn)定性得到了較大的提高。因此在本路段采取微型樁結構加固是可行的。

3 結論

查閱國內(nèi)外大量參考文獻及其成都鐵路局在搶險加固中大量應用微型樁的實踐證明，微型樁在鐵路地災搶險中的應用前景廣闊，能達到良好的工程和經(jīng)濟效果。

［1］ 夏永承．土力學［M］．成都:西南交通大學出版社，1990

［2］ 徐岳良．數(shù)值分析［M］．成都:西南交通大學出版社，2000