平寨滑坡區樁板結構路基穩定性分析及優化設計

尹 偉，楊 明，姚裕春，尹紫紅

(1.西南交通大學土木工程學院，四川成都 610031;2.高速鐵路線路工程教育部重點實驗室，四川成都 610031;3.中鐵二院工程集團有限責任公司，四川成都 610031)

1 項目概況

平寨滑坡處于貴廣線貴陽至賀州段的麻芝鋪二號隧道與平寨隧道之間，線路沿半山坡行進，滑坡下游800m左右為以高填方通過的既有株六線。屬剝蝕低山地貌，溝谷發育，地形起伏較大。線路左側為一山區河溝，常年有水，植被較發育，灌木較茂密，自然坡度一般25～35°，局部山坡陡峻。前緣及下部左側靠近沖溝，略微向前突出。主軸走向與線路方向基本正交，滑坡范圍沿主軸方向長約220m。中下部為堆積層滑坡，滑體物質成分主要為塊石土;后部為順層基巖滑坡，滑體物質成分主要為基巖巖塊，總厚度6～25m。故該滑坡為多期、多級次的滑坡，前部為堆積層滑坡，后部為基巖順層滑坡。

2 計算模型及材料參數

取平寨滑坡右側滑坡輔軸第一至第三排樁位(圖1)為研究對象，建立有限元計算模型。滑坡主軸方向與線路縱向垂直，并沿線路縱向呈均勻分布且無限延伸(即各斷面形式一致)，考慮模型的對稱性，數值建模計算時取圖2的丙區為研究對象，即沿線路縱向寬度為9 m。

承臺板、托梁、基樁均為C35鋼筋混凝土。

承臺板:左右分幅設置，板寬 2×4.79 m，高1.0m。

圖1 平寨滑坡右側滑坡輔軸3排樁位布置(單位:m)

圖2 有限元計算模型俯視圖(單位:m)

托梁:長10m，高1.2 m，寬1.6 m。基樁:每片托梁下設置2根直徑為1.25m的鉆孔灌注樁，樁長32 m，樁間距9 m。

第一排抗滑樁:截面尺寸為2.25m×1.5m，樁間距6 m，樁長16 m，樁頂埋深4 m。

第二排抗滑樁:截面尺寸為2.75m×1.75m，樁間距6 m，樁長20m，樁頂埋深8 m。

第三排抗滑樁:截面尺寸為2.75m×1.75m，樁間距6 m，樁長23 m，樁頂埋深8.8 m。

各參數取值見表1。

表1 模型參數取值

3 樁板結構受力分析

3.1 基樁內力、位移分析

為做對比分析，將原設計方案稱模型一，在原設計方案上去掉第一排抗滑樁稱模型二，在原設計方案上去掉第二排抗滑樁稱模型三，在原設計方案上去掉第三排抗滑樁稱模型四。因在強度折減系數為1的情況下樁板結構路基基樁(以下簡稱基樁)所受力很小，不影響樁板結構路基的穩定性［1-2］。現對以上四個模型按照強度折減系數為1.20進行折減，模型四在強度折減系數為1.20情況下，后部順層基巖滑坡發生破壞，數值計算不收斂。圖3為模型一、模型二以及模型三的基樁①內力以及位移沿樁身分布圖。計算表明:①號基樁的內力以及位移均大于②號基樁。同時①號、②號基樁剪力值在樁身18 m附近達到最大值;①號和②號基樁彎矩最大值分別在樁身17 m和16 m附近;①號和②號基樁最大位移均在樁頂位置。

3.2 基樁穩定性分析

表2列出了在強度折減系數為1.20情況下，模型一、模型二、模型三的①號、②號基樁最大剪力、彎矩以及樁頂位移值。

基樁采用C35鋼筋混凝土澆注，其軸心抗壓強度fc=167 00 kPa，而斜截面抗剪強度V=4 719.42 kN，大于表2中基樁的最大剪力，因而在強度折減系數1.20的情況下，基樁截面尺寸滿足斜截面抗剪強度的要求。

表2 ①號、②號基樁最大剪力、彎矩以及水平位移

對于樁板結構路基樁頂水平位移限值，目前相關規范尚沒有作出明確規定。從保證行車安全性角度而言，參考《高速鐵路設計規范(試行)》(TB 10020—2009)7.3.9關于橋梁墩臺頂橫向彈性水平位移的規定，即“墩頂橫向水平位移引起的橋面處梁端水平折角應不大于1.0‰弧度”［3］，按樁板結構路基布置間距為9 m，且最不利情況下假定僅有一處樁板結構路基基樁發生水平位移，相鄰樁板結構路基基樁均保持原位，則允許樁頂水平位移限值應為9 mm，因此樁頂水平位移限值定為6～10mm較為合理，也能保證軌道結構的穩定和安全。

若將樁頂水平位移限值定為6～10mm，而由表2中看出，模型二以及模型三樁頂位移均大于16 mm，遠遠超出了10mm的極限值。同時也可看出原設計方案即模型一的基樁樁頂位移均為10mm，在樁頂水平位移極限值的范圍內。因而表明，原設計方案的樁板結構路基的安全系數已接近1.20。

表3為模型一、模型二以及模型三在強度折減系數為1.20的情況下，抗滑樁與樁板結構路基基樁分擔滑坡推力統計。從中可見模型一中樁板結構承擔的滑坡推力最小，表明原設計方案是合理的。

表3 安全系數1.20下抗滑樁與樁板結構路基分擔滑坡推力統計

4 樁板結構優化

通過前面對樁板結構的分析，表明原設計方案在抗滑樁設計布置上為最優。在一般樁板結構實際設計中，樁板結構路基主要由鋼筋混凝土樁基和鋼筋混凝土承臺板組成，其主要的工作機理是，通過承臺板將上部荷載傳到樁體，樁體把荷載擴散到樁間土、下臥層或樁基底巖石層，從而達到控制松軟土路基沉降與變形破壞的目的。對于滑坡體上的樁板結構基樁的設計，按照抗滑樁設計的經驗，嵌入段占全長的1/3～2/5［4］，為驗證滑坡體上樁板結構基樁設計是否也有上述嵌入段的要求，現考慮改變基樁嵌入基巖深度來研究不同嵌入段長度對基樁內力、樁頂位移的影響。

當基樁嵌入基巖深度變化時，①號基樁的內力變化見圖4。可以看出基樁嵌入深度從3.4 m到13.4 m時，基樁彎矩的變化幅值并不算大。計算還表明，①號、②號基樁樁頂位移隨嵌入深度的變化，在同一強度折減系數下樁頂位移的變化在1 mm范圍內。因此可認為基樁嵌入深度對基樁樁頂位移影響不大，但為了安全考慮，建議基樁嵌入深度在3 m左右。

對于本模型而言，樁長設置為21 m，嵌入段長建議為3 m。較原方案樁長32 m縮短了11 m，大大節省造價，同時也不影響基樁的穩定性。

圖4 不同嵌入深度下①號基樁彎矩沿樁身分布

5 結論

對于滑坡體上的樁板結構在自然狀態下所受推力很小，不影響樁板結構的安全性。但對于下滑力增大的情況下，樁板結構路基將分擔一部分滑坡推力。從對實際項目的建模分析中可得出:

1)原實際方案抗滑樁設計及布置為最優，樁板結構路基在強度折減系數1.20下，樁頂位移為10mm，去掉任何一排抗滑樁都將影響樁板結構路基的穩定性。

2)通過對樁板結構基樁嵌入深度的分析，隨著嵌入基巖深度的增大，基樁內力都隨之增大。基樁內力在嵌入基巖深度4 m以后，剪力圖基本上重合，彎矩圖變化不大。

3)樁頂位移隨著基樁嵌入深度變化而改變，但對于同一強度折減系數下樁頂位移變化量在1 mm范圍內。因而綜合考慮到基樁的穩定性，建議基樁嵌入穩定巖層深度以2～4 m為宜。

［1］費康，張建偉.ABAQUS在巖土工程中的應用［M］.北京:中國水利水電出版社，2010.

［2］姜立新.基于強度折減的有限元方法求邊坡穩定安全系數［J］.建筑技術，2009(6):535-538.

［3］中華人民共和國鐵道部.TB 10621—2009 高速鐵路設計規范(試行)［S］.北京:中國鐵道出版社，2009.

［4］鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理［M］.2版.北京:人民交通出版社，2010.