淺析門架式雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)參數(shù)的影響

王 豐

(重慶市市政設(shè)計(jì)研究院,重慶 400020)

1 門架式雙排抗滑樁簡(jiǎn)介

門架式雙排抗滑樁是從20世紀(jì)50年代開始研究的一種支擋結(jié)構(gòu)。他是在滑坡地段的適當(dāng)位置設(shè)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(lián)結(jié)起來，形成一種雙排支護(hù)的空間結(jié)構(gòu)，其形狀與傳統(tǒng)的門框相似，所以稱為門架式雙排抗滑樁[1]，結(jié)構(gòu)形式如圖1。

圖1 門架式雙排抗滑樁示意

該結(jié)構(gòu)為一空間結(jié)構(gòu)，可以不需要內(nèi)支撐(如錨桿等)，僅靠自身的空間組合效應(yīng)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(yùn)動(dòng)，由于結(jié)構(gòu)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(wěn)定基層中，通過穩(wěn)定基層提供的抗力來維持樁體的穩(wěn)定。

2 計(jì)算模型

為了更好的模擬門架式雙排抗滑樁的受力機(jī)理，本文在傳統(tǒng)的平面剛架模型[2]、平面桿系模型[3]的基礎(chǔ)上提出了一種新的計(jì)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(wěn)定基層中，利用接觸單元來模擬滑動(dòng)面以下樁—土之間的相互作用，利用彈簧模擬滑動(dòng)面以上的土體對(duì)前后排樁的作用，利用等參四邊形單元模擬穩(wěn)定基層的土體，利用梁?jiǎn)卧M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(jié)構(gòu)形式。

為了更好的模擬門架式雙排抗滑樁的受力情況，針對(duì)該模型提出以下假定：

(1) 假定滑動(dòng)面為平面；

(2)連梁和前后排樁剛性連結(jié)，但連梁不是絕對(duì)剛體，可以發(fā)生變形但不發(fā)生轉(zhuǎn)動(dòng)。

3 結(jié)構(gòu)參數(shù)影響分析

根據(jù)門架式雙排抗滑樁的結(jié)構(gòu)特性，本文認(rèn)為影響其結(jié)構(gòu)受力的主要參數(shù)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(jié)合工程算例對(duì)門架式雙排抗滑樁的結(jié)構(gòu)參數(shù)影響進(jìn)行分析。

工程算例：

(1) 土的指標(biāo)：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(dòng)面以下的滑床為密實(shí)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(duì)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(guān)系著支擋效果，而且直接影響著工程造價(jià)。本文將利用計(jì)算模型，在保持結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析；通過計(jì)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(fù)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(shì)。當(dāng)排距在1.5d～2.5d時(shí)，前后排樁的最大位移隨著排距的增大而急劇減小；當(dāng)排距在2.5d～5d時(shí)，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(dāng)排距由1.5d增大到2.5d時(shí)，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(dāng)排距在2.5d～5d時(shí)，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(dāng)排距在5d～8d時(shí)，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(shì)較緩。以前排樁為例，從表1可以看出，當(dāng)排距由5d增加到8d時(shí)，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(dāng)排距為1.5d時(shí)，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(shí)的門架式雙排抗滑樁基本上就相當(dāng)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(shí)的門架式雙排抗滑樁又不是簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)的整體剛度增大，其結(jié)構(gòu)的最大位移將遠(yuǎn)小于普通抗滑樁。

綜上，當(dāng)排距約小于1.5d時(shí)，門架式雙排抗滑樁就相當(dāng)于將兩根普通抗滑樁簡(jiǎn)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(jié)構(gòu)自身的空間性也逐漸體現(xiàn)出來。當(dāng)排距大于1.5d時(shí)，門架式雙排抗滑樁結(jié)構(gòu)具有一定的空間性，樁身的最大位移逐漸減小，當(dāng)排距在2.5d～5d時(shí)，門架式雙排抗滑樁的樁身位移最小，樁身位移的變化趨勢(shì)不明顯，其結(jié)構(gòu)的空間性最好；當(dāng)排距大于5d時(shí)，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(dāng)排距約小于1.5d時(shí)，前排樁的最大正彎矩大于后排樁，而當(dāng)排距大于1.5d時(shí)，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(jié)構(gòu)自身的空間性，當(dāng)排距大于1.5d時(shí)，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(fù)彎矩大于前排樁。當(dāng)排距約小于3d時(shí)，前后排樁的最大正彎矩變化較快，而前后排樁的最大負(fù)彎矩變化相對(duì)較慢；當(dāng)排距大于3d時(shí)，前后排樁的最大正負(fù)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(fù)彎矩隨著排距的增大而逐漸減小；后排樁的最大正負(fù)彎矩隨著排距的增大而逐漸增大。

同時(shí),利用ANSYS分析樁體兩側(cè)的土壓力的分布情況說明：當(dāng)排距大于2.5d～5d時(shí)，前后排樁體受到的土壓力比較合理，但當(dāng)排距大于6d時(shí)，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(fù)彎矩的對(duì)比可以發(fā)現(xiàn)，樁體的最大水平位移發(fā)生在后排樁，且排距大于2.5d時(shí)，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(fā)揮前后排樁的材料性能；當(dāng)排距為5d時(shí)，前后排樁的最大位移取最小值；同時(shí)當(dāng)排距在(3～5)d時(shí)，前后排樁的負(fù)彎矩相對(duì)較小，工程造價(jià)相對(duì)較低。因此，通過對(duì)比分析，當(dāng)排距為(2.5～5)d時(shí)，門架式雙排抗滑樁自身結(jié)構(gòu)的空間性較好，能充分發(fā)揮其結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)；從經(jīng)濟(jì)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(duì)門架式雙排抗滑樁的影響

連梁是指將前后排樁聯(lián)結(jié)起來的樁頂橫梁，它和前后排樁組成一空間結(jié)構(gòu)，因此具有很大的剛度，并在一定程度上能對(duì)前后排樁的受力進(jìn)行調(diào)整，減小樁頂位移；實(shí)踐證明[4]，門架式雙排抗滑樁和連梁之間存在著良好的協(xié)同工作能力，在協(xié)同工作下，能使前后排樁充分參與工作并提高整個(gè)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性和安全性。本文將利用計(jì)算模型，在保持結(jié)構(gòu)其他因素不變的情況下，根據(jù)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(jìn)行分析。通過計(jì)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(fù)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小；當(dāng)剛度小于1.0EI時(shí)，減小速率較快，當(dāng)剛度大于1.0EI時(shí)，減小速率較慢。以后排樁為例，從表3可以看出，當(dāng)連梁剛度由0.25EI增大到1.0EI時(shí)，樁身的最大位移由24.23mm減小為19.43mm，減小了4.8mm；當(dāng)連梁剛度由EI增大到2EI時(shí)，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(dāng)連梁的剛度大于1.0EI時(shí)，其值的變化對(duì)后排樁樁身位移的影響可以忽略不計(jì)。

由表4可知，后排樁的最大正負(fù)彎矩隨著連梁剛度的增大而減小，前排樁的最大正負(fù)彎矩隨著連梁剛度的增大而增大；當(dāng)連梁剛度小于1.0EI時(shí)，前后排樁的最大正負(fù)彎矩變化都比較明顯，而當(dāng)剛度大于EI時(shí)，其變化趨勢(shì)逐漸減慢。以后排樁的最大正彎矩為例，當(dāng)連梁剛度由0.25EI變?yōu)?.0EI時(shí)，其最大正彎矩由25 789kN·m減小為23 964kN·m，減小了1 825kN·m；當(dāng)連梁剛度由1.0EI變?yōu)?EI時(shí)，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(dāng)連梁剛度大于1.0EI時(shí)，其剛度的變化對(duì)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(huì)造成資源的浪費(fèi)；從設(shè)計(jì)和施工角度來說，為了考慮安全和經(jīng)濟(jì)的因素，本文認(rèn)為連梁剛度、截面尺寸應(yīng)和樁身一致。

3.3 樁間土的作用對(duì)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(xié)調(diào)影響土壓力在前后排樁間的分配，進(jìn)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(duì)前后排樁的作用。本文將利用計(jì)算模型，在保持結(jié)構(gòu)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(jìn)行分析。通過計(jì)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(fù)彎矩Mmax kN·m

由表5可知，當(dāng)樁間土的壓縮模量由5MPa變?yōu)?0MPa時(shí)，前后排樁身位移變化比較明顯，當(dāng)樁間土的壓縮模量由10MPa變?yōu)?0MPa時(shí)，樁身位移變化不明顯。以后排樁為例，當(dāng)樁間土的壓縮模量由5MPa變?yōu)?0MPa時(shí)，后排樁的最大位移由21.28mm變?yōu)?9.43mm，減小了1.85mm；當(dāng)樁間土的壓縮模量由10MPa變?yōu)?0MPa時(shí)，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(fù)彎矩逐漸增大，而前排樁的正負(fù)彎矩逐漸減小，表明當(dāng)改變樁間土的壓縮性可以改變樁間土對(duì)前后排樁的作用。

在設(shè)計(jì)過程中，若忽略滑動(dòng)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?yōu)閳D3所示。

經(jīng)計(jì)算分析，若忽略滑動(dòng)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(shí)的情況。從而說明門架式雙排抗滑樁滑動(dòng)面以上的樁間土體對(duì)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(duì)前后排樁的作用，則既可以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過程，又對(duì)最后的計(jì) 個(gè)排序基本一致。通過工程實(shí)例分析，驗(yàn)證了所編制的事故樹的合理性。

3.3 主要影響因素和相應(yīng)的改善措施

(1)X5(溶洞填充沉積大量介質(zhì))、X10(地表水有較好的條件下滲)、X9(與暗河連通，補(bǔ)給范圍廣)等都屬于不良地質(zhì)條件，要降低其對(duì)工程施工的影響，應(yīng)加強(qiáng)地質(zhì)勘探和超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)工作，爭(zhēng)取對(duì)前方地質(zhì)情況有較詳細(xì)的了解。

(2)X1(施工組織混亂)、X2(超前預(yù)測(cè)預(yù)報(bào)存在盲區(qū)、X3(注漿加固方案存在缺陷)等應(yīng)加強(qiáng)施工人員的培訓(xùn)和管理，增強(qiáng)安全意識(shí)，及時(shí)監(jiān)測(cè)和支護(hù)。

4 結(jié)論

通過以上對(duì)隧道突水突泥的事故樹分析，可得出如下的結(jié)論：

(1)巖溶隧道突水突泥發(fā)生的原因復(fù)雜，影響事故的因素眾多，通過一般方法難以對(duì)導(dǎo)致突水突泥的各種因素及其之間的邏輯關(guān)系做出系統(tǒng)的闡述。直觀、邏輯性強(qiáng)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(gè)基本事件，通過對(duì)事故樹進(jìn)行定性分析，明確了事故發(fā)生的主要潛在因素，并對(duì)相關(guān)影響因素進(jìn)行重要度排序。最后結(jié)合工程實(shí)例，統(tǒng)計(jì)出各基本事件發(fā)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(guān)的分析更加準(zhǔn)確和可信，并提出了一些可行的建議和改進(jìn)的措施。

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