抗滑樁加固路基邊坡穩定性分析

(龍巖市興達交通工程設計有限公司，龍巖 364000)

抗滑樁加固路基邊坡穩定性分析

■林珍揚

(龍巖市興達交通工程設計有限公司，龍巖 364000)

針對路基邊坡變形破壞特點，從抗滑樁加固邊坡結構設計與施工出發，分析了工程上常用彈性樁的樁端內力變化計算過程。結合工程算例，分析了抗滑樁加固邊坡的塑性分布特征，總結了邊坡破壞模式及其重點加固范圍，對抗滑樁加固邊坡的設計和施工提供借鑒。

路基工程 抗滑樁 穩定性 內力計算

1 引言

近年來隨著國家基礎建設力度的加大和中西部大規模發展，各等級公路、鐵路、地下交通的興建，邊坡防護與加固建設工程中所碰到的巖土邊坡工程穩定問題也大大增多。而在工程邊坡施工及以后的運營過程中，邊坡失穩破壞現象頻頻發生，并且邊坡一旦滑移，其破壞后果是災難性的，造成損失巨大[1]。

抗滑樁是近幾年來得到廣泛應用的一種新型阻滑支擋加固構筑物之一。抗滑樁應置于滑面以下的結構稱為錨固段，露于滑面以上的結構稱為受力段。抗滑樁的結構承受邊坡滑坡推力效應，傳遞到滑面以下的錨固段,并在滑床的抗滑樁周圍地層產生反力嵌固樁身[2,3]。譬如抗滑樁的強度能夠承受哪些滑坡推力和反力，也能阻止樁背巖土體滑體的滑動，更有效地提高邊坡滑體的抗滑能力。

2 抗滑樁內力計算

工程上常用彈性樁作為加固形式之一，主要設計與施工要素為：內力和變形。實施過程中：在計算坡體滑動面以下的樁身內力、位移和樁側向壓力時，通常需要確定樁的變形系數。

2.1 m法

該法是根據彈性地基上的連續梁在撓曲后的力學方程常用冪級數解答出的。地基梁撓曲方程為：

式中：P為地基巖土作用于抗滑樁的水平反力(kN/m3)。

假設樁作用在巖土上的水平應力等于抗滑樁上計算點的水平位移x與計算點處的地基系數CH的乘積，即P=xCHBP,由于CH隨樁深度y呈正比關系，故

通過力學求解該組冪級數的方程式，得到抗滑滑動面以下樁結構任一截面的四個物理參數 (初始參數為抗滑樁起始端的位移、轉角、彎矩和剪力四個物理量，即y=0時的x0、φ0、M0和Q0)解為：

側壓力：

式中：Ai、Bi、Ci、Di分別為樁身截面的換算深度，而不同的“m”法無量綱影響參數值(i=1,2,3,4)，具體見文獻[4]。

(1)當抗滑樁底為固定端

xh=0,φh=0，但Mh≠0,Qh≠0將計算參數代入上式的前面兩式，聯立可求解。

將x0和φ0再代入上式，可獲得樁身任一截面處的內力和變位。

(2)當抗滑樁底為鉸支端

xh=0,Mh=0，但φh≠0,Qh≠0再不計樁底的彎矩影響。將計算參數代入上式的1，3式，聯立可求解。

將x0和φ0代入上式，可獲得樁身任一截面處的內力和變位。

(3)當抗滑樁底為自由端

Mh=0,Qh=0，但xh≠0,φh≠0。將計算參數代入上式后面兩式，聯立求解得。最后將x0和φ0代入上式，可求得樁身任一截面的內力和變位。

2.2 K法

抗滑樁頂部受水平荷載，確定撓曲線力學微分方程為：

式中：xKHBP為地基材料作用在樁上的水平抗力。

通過力學求解，得到抗滑樁滑面以下任一位置的變位、側力和內力的計算式：

側壓力：

式中：φ1，φ2，φ3，φ4為“K”法的影響參數值，見文獻[4]。

(1)當抗滑樁底為固定端

xh=0,φh=0。將計算參數代入上式的前兩式，聯立可求解。

(2)當抗滑樁底為鉸支端

xh=0,Mh=0,但φh≠0,Qh≠0，不計樁底彎矩的影響。將計算參數代入上式前兩式，聯立可求解：

(3)當抗滑樁底為自由端

Mh=0,Qh=0,但xh≠0,φh≠0，將計算參數代入上式的后面兩式，聯立可求解。

綜述上述幾種邊界條件對應的x0和φ0代入式(3)，可獲得滑動面以下抗滑樁身任一截面位置的變形和內力。

3 算例分析

福建省內某公路地處閩西重丘山區，地質情況差異性大，坡面匯水范圍大，屬高填深挖巖土邊坡、巖石風化導致邊坡滑坡成為了路基工程的關鍵技術。若邊坡防護加固不當，不但浪費防護加固投資，而且更能誘發滑坡，會造成嚴重交通阻塞，惡性事故發生。

本文以第七標段為研究范圍，其重點邊坡巖土主要為頁巖，在工程地質、節理斷裂、風化和地表水、地下水內外構造力的作用下，各種巖土介質在不同路段均造到不同程度的變形與破壞。文中以K123+300邊坡為算例進行抗滑樁加固分析。

該邊坡巖土層厚6～30m。風化后出現褐色和黃褐色。層理十分發育，韻律細，粘質層和泥質層互替發育，其分布厚度一般為1～3m，局部則達到0.2m。

巖體性脆，易破裂，一方面沿結構面剝離，另一方面弱面發育。在裂隙面上，常伴有褐鐵薄膜。巖層產狀稍緩，產狀為320°∠22°，主要結構面產狀為186°∠70°，其密度為24條/m。

抗滑樁加固模型采用位移邊界約束條件：邊坡體底部為固定邊界，左、右水平邊界采用水平位移約束，坡上表面為自由。本次計算的網格共劃分為2524個節點，6311個單元，為保證計算的準確度，計算網格劃分如圖1所示。

圖1 網格劃分

為了節省篇幅，文中僅對抗滑樁加固的破壞模式和破壞范圍進行了闡述，其應力分布計算結果不再詳細列出，計算結果如圖2所示。

圖2 塑性區分布

圖2是通過現代計算技術獲得的抗滑樁加固邊坡塑性區分布圖。根據塑性區的分布特征可以對加固的邊坡進行穩定性判斷。工程上，往往是用塑性區是否貫通來控制計算的收斂性，當計算收斂時，邊坡計算是穩定的，當計算未收斂時，邊坡出現不同程度的貫通塑性區存在，邊坡將失穩。根據文中抗滑樁加固方案，當形成從坡腳到坡頂貫通的塑性區時，意味著該邊坡出現潛在的滑動的可能性，若沒有形成貫通的塑性區則意味著邊坡暫時是穩定的。在抗滑樁未加固情況下，邊坡呈現出從坡底到坡頂貫通的塑性區，該邊坡已出現了失穩。在抗滑樁加固之后，塑性區分布有了明顯的改善，塑性區主要分在坡腳沿抗滑樁頂部的局部區域，在抗滑樁下部沿坡腳范圍塑性區比其他區域要大，這是該邊坡加固的重點范圍所在，一旦塑性區貫通，并沿第二級平臺發展，抗滑樁將失去加固效果。從圖2所示，抗滑樁已明顯的阻止了塑性區的進一步擴展，在抗滑樁后部，已無塑性區的貫通，且坡頂也沒有出現失穩的塑性區，同時在邊坡深部已無塑性區的存在，表明該加固技術效果明顯，控制了邊坡滑動的可能性。

通過抗滑樁內力計算，可以從圖2的塑性區分布圖得到抗滑樁加固塑性區的分布規律。在抗滑樁頂部出現微小的塑性區，沿樁身塑性區進一步擴展，在樁的頂端沿坡面出現了逐漸貫通的塑性區，呈現邊坡從坡頂沿坡腳的剪切破壞模式，因此，將抗滑樁設置在邊坡的中下部是減少災害發生的關鍵位置所在。因此理論計算與工程實踐相吻合，這為抗滑樁加固的破壞模式和加固范圍提供的有益借鑒。

4 結論

在抗滑樁工程實踐中發現，抗滑樁樁側與巖土體的相互作用非常復雜，在抗滑樁的設計計算中如何考慮這一影響，值得研究。此外，對抗滑樁的設置位置、埋置深度、破壞形式等問題也需進行詳細的研究。

[1]楊航宇，顏志平，朱贊凌，等.公路邊坡防治與治理[J].北京：人民交通出版社，2002，1-3.

[2]劉小麗，周德培，楊濤.加固土坡的抗滑樁內力計算新方法[J].工業建筑，2003，33(4)：35-39.

[3]鄭穎人，陳祖煜，王恭先，等.邊坡與滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007：394-400.

[4]戴自航，彭振斌.抗滑樁全樁內力計算“m-K”法的有限差分法[J].巖土力學，2002，23(3)：321-328.

表8 不同瀝青混合料低溫性能試驗結果

從表8和圖4可以看出：(1)未添加抗車轍劑或者湖瀝青的基質瀝青混合料、加入湖瀝青的瀝青混合料和加入抗車轍劑的瀝青混合料低溫性能均滿足 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程》(JTJ E20—2011)中1-4區低溫性能要求。，加入抗車轍劑或者湖瀝青后瀝青混合料低溫性能提高，說明抗車轍劑和湖瀝青均可以改善瀝青混合料的低溫性能。(2)加入湖瀝青混合料低溫性能＞加入抗車轍劑的混合料抗低溫性能＞未加抗車轍劑或者湖瀝青的混合料低溫性能，說明湖瀝青在改善混合料低溫性能方面比抗車轍劑更優。

5 結論

通過對基質瀝青混合料、摻加湖瀝青混合料和摻加抗車轍劑混合料進行高溫、水穩定性、低溫等方面路用性能研究可以發現：

(1)湖瀝青和抗車轍劑均能改善瀝青混合料的高溫、抗水損和低溫方面性能。

(2)在改善高溫性能方面抗車轍劑優于湖瀝青，在低溫和抗水損害方面湖瀝青優于抗車轍劑。

參考文獻

[1]馮新軍,查旭東.特立尼達湖瀝青的應用技術研究[J].廣東公路交通，2013,2:12-19.

[2]莫石秀.湖瀝青改性瀝青作用機理及混合料性能研究[D].長安大學：2012.

[3]孫艷紅.特立尼達湖瀝青(TLA)路用性能研究[J].沈陽大學學報，2008,20(3):106-110.

[4]惠冰.抗車轍劑改性瀝青混合料技術性能研究[D].長安大學：2009.

[5]中華人民共和國行業標準.JTG E20—2011，公路工程瀝青及瀝青混合料試驗規程[S].北京：人民交通出版社，2011.

[6]沈金安.瀝青及瀝青混合料路用性能[M].北京:人民交通出版社, 2001,1.