淺析門架式雙排抗滑樁結構參數的影響

王 豐

(重慶市市政設計研究院,重慶 400020)

1 門架式雙排抗滑樁簡介

門架式雙排抗滑樁是從20世紀50年代開始研究的一種支擋結構。他是在滑坡地段的適當位置設置前、后兩排鋼筋混凝土樁，并在樁頂用剛性連梁把前、后兩排樁聯結起來，形成一種雙排支護的空間結構，其形狀與傳統的門框相似，所以稱為門架式雙排抗滑樁[1]，結構形式如圖1。

圖1 門架式雙排抗滑樁示意

該結構為一空間結構，可以不需要內支撐(如錨桿等)，僅靠自身的空間組合效應來抵抗滑坡推力；在滑坡推力的作用下，后排樁向滑坡前緣運動，由于結構自身的空間性，將使得樁間土體受壓縮；因此后排樁就要受到樁間土體的抗力作用，而前排樁也將受到由樁間土體傳遞的滑坡推力作用；前排樁埋入穩定基層中，通過穩定基層提供的抗力來維持樁體的穩定。

2 計算模型

為了更好的模擬門架式雙排抗滑樁的受力機理，本文在傳統的平面剛架模型[2]、平面桿系模型[3]的基礎上提出了一種新的計算模型，如圖2所示。

圖2 門架式雙排抗滑樁有限元模型

該模型將前后排樁嵌入穩定基層中，利用接觸單元來模擬滑動面以下樁—土之間的相互作用，利用彈簧模擬滑動面以上的土體對前后排樁的作用，利用等參四邊形單元模擬穩定基層的土體，利用梁單元模擬門架式雙排抗滑樁，從而分析門架式雙排抗滑樁在滑坡推力作用下的變形，確定其合理的結構形式。

為了更好的模擬門架式雙排抗滑樁的受力情況，針對該模型提出以下假定：

(1) 假定滑動面為平面；

(2)連梁和前后排樁剛性連結，但連梁不是絕對剛體，可以發生變形但不發生轉動。

3 結構參數影響分析

根據門架式雙排抗滑樁的結構特性，本文認為影響其結構受力的主要參數有排距、連梁的剛度以及樁間土的作用。本文將利用有限元模型及軟件，結合工程算例對門架式雙排抗滑樁的結構參數影響進行分析。

工程算例：

(1) 土的指標：滑體為碎、塊石土的堆積層，自上而下變形增大，φ1=25°，γ1=21kN/m3, 滑動面以下的滑床為密實黏土層c=20kPa，φ=25°，泊松比μ=0.3，重度γ=19.0kN/m3，變形模量E=10MPa。

(2) 樁體采用C30鋼筋混凝土，彈性模量E=3×104MPa，樁長22m，其中受荷段h1=12.0m，錨固段h2=10.0m，樁間距(中至中)L=6m，樁的截面尺寸b×h=2m×2.5m，梁長度可以變化。

3.1 排距對門架式雙排抗滑樁的影響

排距是指前后排樁形心主軸之間的距離，合理的排距不僅關系著支擋效果，而且直接影響著工程造價。本文將利用計算模型，在保持結構其他因素不變的情況下，取排距分別為1.5d、2d、2.5d、3d、4d、5d、6d、7d、8d(d表示樁徑，若樁為矩形樁則為短邊長度)進行分析；通過計算，其前后排樁樁身的最大位移、彎矩如表1、表2所示。

表1 前后排樁最大位移Smax mm

表2 前后排樁最大正負彎矩Mmax kN·m

由表1可知，隨著排距的增大，門架式雙排抗滑樁的整體位移呈先減小后增大的趨勢。當排距在1.5d～2.5d時，前后排樁的最大位移隨著排距的增大而急劇減小；當排距在2.5d～5d時，前后排樁的最大位移值隨著排距的增大也逐漸減小，但減小速率較慢；以前排樁為例，從表1可以看出，當排距由1.5d增大到2.5d時，樁體的最大位移由25.01mm減小為19.95mm，最大位移減小了5.06mm，減小速率為20.2%；當排距在2.5d～5d時，樁體的最大位移由19.95mm減小到19.07mm，最大位移減小了0.88mm，減小量可以忽略；當排距在5d～8d時，門架式雙排抗滑樁前后排樁的最大位移又逐漸增大，但增加的趨勢較緩。以前排樁為例，從表1可以看出，當排距由5d增加到8d時，前排樁的最大位移由19.07mm增加到19.72mm，增加了0.65mm。

此外，將門架式雙排抗滑樁換算成等截面的普通抗滑樁，其他條件不變，得到普通抗滑樁的受力情況。當排距為1.5d時，前后排樁的最大位移基本相同，其值為25.1mm；而普通抗滑樁的最大位移為48.1mm，此時的門架式雙排抗滑樁基本上就相當于將兩根普通抗滑樁疊加在一起共同抵抗滑坡推力；隨著排距的增大，門架式雙排樁的整體位移又逐漸減小，前后排樁之間的最大位移也將有所不同，此時的門架式雙排抗滑樁又不是簡單的將普通抗滑樁疊加在一起；由于連梁的存在，門架式雙排抗滑樁又具有了一定的空間性，結構的整體剛度增大，其結構的最大位移將遠小于普通抗滑樁。

綜上，當排距約小于1.5d時，門架式雙排抗滑樁就相當于將兩根普通抗滑樁簡單的疊加在一起而承受滑坡推力的作用；隨著排距的增大，其結構自身的空間性也逐漸體現出來。當排距大于1.5d時，門架式雙排抗滑樁結構具有一定的空間性，樁身的最大位移逐漸減小，當排距在2.5d～5d時，門架式雙排抗滑樁的樁身位移最小，樁身位移的變化趨勢不明顯，其結構的空間性最好；當排距大于5d時，門架式雙排抗滑樁的空間性將隨著排距的增大而逐漸減弱。

由表2可知，當排距約小于1.5d時，前排樁的最大正彎矩大于后排樁，而當排距大于1.5d時，后排樁的最大正彎矩大于前排樁；造成這種變化的主要原因是由于結構自身的空間性，當排距大于1.5d時，后排樁主要承受抗拔力,而前排樁主要承受抗壓；而后排樁的最大負彎矩大于前排樁。當排距約小于3d時，前后排樁的最大正彎矩變化較快，而前后排樁的最大負彎矩變化相對較慢；當排距大于3d時，前后排樁的最大正負彎矩變化均較慢。此外，從表2還可以看出，前排樁的最大正負彎矩隨著排距的增大而逐漸減??；后排樁的最大正負彎矩隨著排距的增大而逐漸增大。

同時,利用ANSYS分析樁體兩側的土壓力的分布情況說明：當排距大于2.5d～5d時，前后排樁體受到的土壓力比較合理，但當排距大于6d時，前后排樁的最大位移又將隨著排距的增大而增大。

綜合前、后排樁的最大水平位移和最大正、負彎矩的對比可以發現，樁體的最大水平位移發生在后排樁，且排距大于2.5d時，前后排樁的位移變化較緩，且前后排樁的位移相差較小，這樣能充分發揮前后排樁的材料性能；當排距為5d時，前后排樁的最大位移取最小值；同時當排距在(3～5)d時，前后排樁的負彎矩相對較小，工程造價相對較低。因此，通過對比分析，當排距為(2.5～5)d時，門架式雙排抗滑樁自身結構的空間性較好，能充分發揮其結構的優點；從經濟和安全角度考慮，門架式雙排抗滑樁的排距一般為(2.5～5)d。

3.2 連梁剛度對門架式雙排抗滑樁的影響

連梁是指將前后排樁聯結起來的樁頂橫梁，它和前后排樁組成一空間結構，因此具有很大的剛度，并在一定程度上能對前后排樁的受力進行調整，減小樁頂位移；實踐證明[4]，門架式雙排抗滑樁和連梁之間存在著良好的協同工作能力，在協同工作下，能使前后排樁充分參與工作并提高整個結構的穩定性和安全性。本文將利用計算模型，在保持結構其他因素不變的情況下，根據算例取排距為4d，連梁剛度分別為0.25EI、0.5EI、1.5EI、2EI、2.5EI、3EI、4EI來進行分析。通過計算，其前后排樁樁身的最大位移、彎矩如表3、表4所示。

表3 前后排樁最大位移Smax mm

表3 前后排樁最大正負彎矩Mmax kN·m

由表3可知，隨著連梁剛度的增大，前后排樁的最大位移逐漸增??；當剛度小于1.0EI時，減小速率較快，當剛度大于1.0EI時，減小速率較慢。以后排樁為例，從表3可以看出，當連梁剛度由0.25EI增大到1.0EI時，樁身的最大位移由24.23mm減小為19.43mm，減小了4.8mm；當連梁剛度由EI增大到2EI時，樁身的最大位移則由19.43mm減小為18.48mm，減小了0.95mm；從這可以看出，當連梁的剛度大于1.0EI時，其值的變化對后排樁樁身位移的影響可以忽略不計。

由表4可知，后排樁的最大正負彎矩隨著連梁剛度的增大而減小，前排樁的最大正負彎矩隨著連梁剛度的增大而增大；當連梁剛度小于1.0EI時，前后排樁的最大正負彎矩變化都比較明顯，而當剛度大于EI時，其變化趨勢逐漸減慢。以后排樁的最大正彎矩為例，當連梁剛度由0.25EI變為1.0EI時，其最大正彎矩由25 789kN·m減小為23 964kN·m，減小了1 825kN·m；當連梁剛度由1.0EI變為2EI時，其最大正彎矩由23 964kN·m減小為22 377kN·m，減小了1 587kN·m。

綜上，當連梁剛度大于1.0EI時，其剛度的變化對樁身位移和彎矩的影響都不明顯，在工程中，并不是連梁的剛度越大，其樁身位移和彎矩就越小，一味的提高連梁剛度只會造成資源的浪費；從設計和施工角度來說，為了考慮安全和經濟的因素，本文認為連梁剛度、截面尺寸應和樁身一致。

3.3 樁間土的作用對門架式雙排抗滑樁的影響

門架式雙排抗滑樁樁間土通過與前后排樁的位移協調影響土壓力在前后排樁間的分配，進而影響前后排樁共同工作的能力。本文將采用土彈簧來模擬樁間土的作用，通過改變土體的變形模量來改變土彈簧的剛度，從而分析樁間土對前后排樁的作用。本文將利用計算模型，在保持結構其他因素不變的情況下，取排距為4d，樁間土的變形模量分別為5MPa、10MPa、15MPa、20MPa來進行分析。通過計算，其前后排樁樁身的最大位移、彎矩如表5、表6所示。

表5 前后排樁最大位移Smax mm

表6 前后排樁最大正負彎矩Mmax kN·m

由表5可知，當樁間土的壓縮模量由5MPa變為10MPa時，前后排樁身位移變化比較明顯，當樁間土的壓縮模量由10MPa變為20MPa時，樁身位移變化不明顯。以后排樁為例，當樁間土的壓縮模量由5MPa變為10MPa時，后排樁的最大位移由21.28mm變為19.43mm，減小了1.85mm；當樁間土的壓縮模量由10MPa變為20MPa時，后排樁的最大位移由19.43mm減小為18.69mm，減小了0.74mm。

由表6可知，隨著樁間土的壓縮模量逐漸增大，后排樁的正負彎矩逐漸增大，而前排樁的正負彎矩逐漸減小，表明當改變樁間土的壓縮性可以改變樁間土對前后排樁的作用。

在設計過程中，若忽略滑動面以上的樁間土作用，則門架式雙排抗滑樁的有限元模型變為圖3所示。

經計算分析，若忽略滑動面以上的樁間土作用，將使前后排樁的位移稍大于考慮樁間土作用時的情況。從而說明門架式雙排抗滑樁滑動面以上的樁間土體對前后排樁具有一定的作用，但前后排樁的樁身位移變化并不大；若忽略其對前后排樁的作用，則既可以簡化設計過程，又對最后的計 個排序基本一致。通過工程實例分析，驗證了所編制的事故樹的合理性。

3.3 主要影響因素和相應的改善措施

(1)X5(溶洞填充沉積大量介質)、X10(地表水有較好的條件下滲)、X9(與暗河連通，補給范圍廣)等都屬于不良地質條件，要降低其對工程施工的影響，應加強地質勘探和超前預測預報工作，爭取對前方地質情況有較詳細的了解。

(2)X1(施工組織混亂)、X2(超前預測預報存在盲區、X3(注漿加固方案存在缺陷)等應加強施工人員的培訓和管理，增強安全意識，及時監測和支護。

4 結論

通過以上對隧道突水突泥的事故樹分析，可得出如下的結論：

(1)巖溶隧道突水突泥發生的原因復雜，影響事故的因素眾多，通過一般方法難以對導致突水突泥的各種因素及其之間的邏輯關系做出系統的闡述。直觀、邏輯性強的事故樹是分析隧道突水突泥事故比較有效的方法。

(2)隧道突水突泥事故樹中考慮17個基本事件，通過對事故樹進行定性分析，明確了事故發生的主要潛在因素，并對相關影響因素進行重要度排序。最后結合工程實例，統計出各基本事件發生的概率，求出各基本事件的概率重要度和臨界重要度，使相關的分析更加準確和可信，并提出了一些可行的建議和改進的措施。

[1] 周建昆.巖石公路隧道塌方風險事故樹分析[J].地下空間與工程學報,2008,(12):991-998

[2] 孫偉亮.棋盤石隧道溶洞突水成因分析及技術處理措施[J].鐵道建筑,2010,(10):54-56

[3] 王雙龍.八卦山隧道突水突泥段處理技術[J].山西交通科技,2009,(4):54-60

[4] 曾強云.宜萬鐵路馬鹿菁隧道水文地質分析及涌水預警[J].土工基礎,2012,(4):35-37

[5] 仇海生,楊春麗.煤礦水災的事故樹分析法[J].煤礦安全，2008,(6):126-128

[6] 中華人民共和國建設部.地鐵及地下工程建設風險管理指南[M].中國建筑工業出版社,2007