預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁對某滑坡治理設(shè)計

傅 鵬，賀中統(tǒng)

(1.中交路橋華北工程有限公司;2.長安大學(xué)公路學(xué)院)

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁對某滑坡治理設(shè)計

傅 鵬1，賀中統(tǒng)2

(1.中交路橋華北工程有限公司;2.長安大學(xué)公路學(xué)院)

針對S333線K80+214段路塹高邊坡滑塌變形現(xiàn)象，通過預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計與計算，了解到預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的樁身受力狀態(tài)更趨合理，并具有主動加固滑坡體的作用和功能，體現(xiàn)出這種抗滑結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性。

邊坡;預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁;治理;加固機(jī)理

1 滑坡段自然地質(zhì)條件及巖土特征

滑坡區(qū)屬亞熱帶濕潤性季風(fēng)氣候，夏長冬短，氣溫高，雨季長，光照充足，雨量充沛，年平均氣溫為21.7℃，極端最低氣溫為-2.4℃，年均降雨量1 304.9 mm。該地段山坡陡峻，第四季覆蓋層遍布，滑坡所在山體呈圈椅狀，坡度呈上部陡、中部平緩而下部又變陡的老滑坡地貌特點。地形坡角一般為33°～45°，局部陡坡地段為45°～56°，中上部平緩地段為25°左右。碎石土主要分布于滑坡中部、下部和滑坡周界以外，厚0.0～12.5 m，一般厚6.0～9.5 m。碎石粒徑為20～60 mm，含量不均，在10% ～80%之間，其中碎石粒徑一般為1～15 mm，含量為60% ～86%;塊石粒徑一般為20～60 mm，含量約10%，充填粉質(zhì)粘土。滑坡上部中部碎石土為中密狀態(tài)，滑坡下部、坡腳及基巖面附近以松散狀態(tài)為主。滑坡周界以外碎石土厚2 m左右，結(jié)構(gòu)密實。

2 預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的設(shè)計與計算

2.1 確定樁間坡體推力的平均集度Eq和樁后坡體壓力q(y)

通常情況下，由于抗滑樁樁頭附近位移比下部大，因而受力要比下部小，又由于滑梯與滑動帶之間存在摩擦阻力作用，所以滑動帶附近坡體壓力應(yīng)比其上部略小，假定作用于抗滑樁滑動帶上的坡體壓力分布為形心偏下的拋物線。樁后坡體壓力q(y)隨變量y(由樁頂向下沿樁身變化的高度)的變化曲線方程為

式中:a，b，d 為待定常數(shù)。

樁的非錨固段分布荷載合力為Eq，作用點B到滑動帶的高度為hc，如圖1所示。

式中:hi為各巖層重心至滑動帶的高度;ti，γi為第i層巖層的平均厚度和容重。

圖1 樁后坡體壓力計算模型示意圖

假設(shè)坡體壓力最大值點到滑動帶距離為合力Eq作用點B到滑動帶距離hc的一半，則

由靜力平衡條件，本段樁上分布力q(y)的合力應(yīng)等于相鄰兩樁“中—中”部分的坡體作用于本樁上的推力，分布力q(y)對滑動帶A處的合力距應(yīng)等于Eq對A的力矩，有

2.2 相應(yīng)計算參數(shù)的確定

由(1)、(2)、(3)式求得 ha=14 m，Eq=463.76 kN/m，q(y)=-1.35y2+27.73y+96.25。

抗滑樁截面2 m×3 m，樁長為28 m，錨固段為8 m，伸入基巖。樁頂部加三排Φ15.24預(yù)應(yīng)力錨索，錨索張力設(shè)計值為500 kN/根，錨索與水平面的夾角從頂排向下分別為25°，30°，35°，第一排錨索距樁頂為2 m，自由段長為19.82 m，錨固段8 m，第二排錨索距樁頂為3 m，自由段長為18.37 m，錨固段8 m，第三排錨索距樁頂為4 m，自由段長為15.21 m，錨固段8 m，布置簡圖如圖2所示。

圖2 錨索樁結(jié)構(gòu)計算簡圖

2.3 錨索拉力的確定

假定每根錨索樁承受相鄰抗滑樁樁心距滑坡推力或巖土側(cè)向壓力，作用于樁上的力主要有滑坡推力或巖土側(cè)向壓力、錨索拉力及錨固段樁周巖土作用力，不計樁體自重、樁底反力及樁與巖土間的摩阻力。圖3為錨索樁結(jié)構(gòu)計算圖式，設(shè)樁的非錨固段OA上有n跟錨索，OA為n次超靜定結(jié)構(gòu)，樁錨固段O點處的剪力及彎矩的計算式如下

圖3 錨索樁結(jié)構(gòu)計算圖式

式中:M，Q為分別為巖土壓力作用于O點的彎矩和剪力;Rj，Lj為分別為j點錨索拉力和j點到O點的距離。

由于變形協(xié)調(diào)遠(yuǎn)離，每根錨索伸長量Δi與該錨索所在點樁的水平位移fi相等，建立位移平衡方程

X0，Φ0分別為樁錨固段頂端O點樁的位移及轉(zhuǎn)角;Δiq，Δij分別為巖土壓力及錨索拉力Ri作用于 i點樁的位移，Δij=Riδij，δij為錨索拉力 Rj作用于 i點的位移系數(shù);Ri0第 i跟錨索的初始預(yù)應(yīng)力;δi第i跟錨索的柔度系數(shù)，按式δi=4li/NEgπd2

i計算，li，di分別為錨索自由段長度及每束錨索直徑，Eg為錨索彈性模量，N為每孔錨索束數(shù)。Δij和δij可由結(jié)構(gòu)力學(xué)計算確定

X0和Φ0由地基系數(shù)法確定

式中:Φ1，Φ2，Φ3為無量綱系數(shù);β，E，I為樁的變形系數(shù)，彈性模量和截面慣性矩。

由(5)、(6)、(11)得

由(13)可以求得錨索拉力Ri。

2.4 抗滑樁的樁身內(nèi)力計算

錨索設(shè)計拉力Ri確定后，便可將其視為外力作用在抗滑樁上，用抗滑樁的設(shè)計計算方法求出樁身內(nèi)力。

(1)非錨固段OA樁身內(nèi)力計算

令 L0=0，Ln+1=L，Rn+1=0。當(dāng) y=L-Li時，取從樁頂往下數(shù)第i根錨索支撐點的個數(shù)k=n+1-i(i=1，2，…，n)，有

Qy，My即為所求的樁身剪力和彎矩，Q(y)，M(y)為巖土壓力作用于樁上的剪力和彎矩，其中Q(y)=ay3/3+by2/2+dy，M(y)=ay4/12+by3/6+dy2/2。

(2)錨固段樁身內(nèi)力計算

錨固段樁身內(nèi)力按普通抗滑樁計算，采用多段地基系數(shù)法，將錨固段樁身等分成若干小段，每小段地基系數(shù)視為矩形分布。

設(shè)計中按錨索未設(shè)初始預(yù)張拉力考慮，經(jīng)過計算，對于三排預(yù)應(yīng)力錨索自由段長度Lf分別為19.82 m，18.37 m和15.21 m時所對應(yīng)的錨索張拉力R1、R2、R3及樁與滑動帶交點處的剪力Q0與彎矩M0結(jié)果如表1所示。進(jìn)而樁在滑動帶以下部分便可按普通抗滑樁的方法計算出來，該預(yù)應(yīng)力錨索樁的剪力Q、彎矩M分布近似如圖4和圖5所示。

表1 K80+214段錨索樁設(shè)計計算結(jié)果

圖4 沿樁長樁身彎矩分布圖

可見，對于邊坡加固工程中的錨索樁，錨索與樁的內(nèi)力除與滑坡推力大小有關(guān)外，還受錨索自由段長度的影響。錨索自由段長度減小，錨索拉力增大，樁身內(nèi)力(剪力、彎矩)減小，對于樁發(fā)揮其承載力有利;反之，錨索自由段長度增大，錨索拉力減小，樁身內(nèi)力增加，對于樁發(fā)揮其承載力不利，所以在設(shè)計錨索樁時，在保證基本的錨固長度條件下，應(yīng)適當(dāng)減小自由段長度，這可以通過注漿實現(xiàn)，雖然可能造成工程造價增大，但從結(jié)構(gòu)受力及坡體長期安全穩(wěn)定性角度來說是合理的。

圖5 沿樁長樁身剪力分布圖

美國標(biāo)準(zhǔn)(ASTM A461-90a)270級公稱直徑15.24 mm的預(yù)應(yīng)力錨索的屈服荷載為234.6 kN，大于抗滑樁計算得到的錨索的最大拉力119.55 kN，設(shè)計滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

對S333線K80+214滑坡段設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁是一種有效的整治滑坡的手段，改變了普通抗滑樁的懸臂錨固梁柱結(jié)構(gòu)為近似彈性支座簡支梁柱結(jié)構(gòu)，樁身受力狀態(tài)更趨合理，并具有主動加固滑坡體的作用和功能，在同等邊坡受力條件下，預(yù)應(yīng)力抗滑樁比普通抗滑樁可以節(jié)約工程造價約15%～30%，是一種具有廣泛發(fā)展前途的新一代抗滑結(jié)構(gòu)。

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U418.9

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1008-3383(2013)07-0047-02

2013-03-13

傅鵬(1985-)，男，山西大同人，助理工程師，主要從事道路與橋梁工程的研究。