抗滑樁對滑帶土受力影響研究

麥合木提江·米吉提

(新疆塔里木河流域干流管理局，新疆 庫爾勒 841000)

1 概 述

水文地質(zhì)條件復(fù)雜時，給邊坡的穩(wěn)定性帶來極大影響。為此，長期有水環(huán)境的邊坡需要進(jìn)行適當(dāng)加固。而樁基尤其是混凝土樁在邊坡加固中的應(yīng)用極為普遍，由樁基加固后的邊坡往往能夠在長期有水環(huán)境下保持穩(wěn)定存在。針對樁基加固邊坡的支護(hù)方式，許多學(xué)者對此開展了研究。

李兵等[1]為了使矩形截面樁在長期有水存在的復(fù)雜地質(zhì)環(huán)境條件下高效施工，提出采用機械施工替代人工方法進(jìn)行以矩形截面抗滑樁方式的邊坡加固建造，并利用汶馬高速公路沿道路邊的某典型滑坡工點，對加固后的邊坡巖土體受力、變形及矩形截面抗滑樁的受力、變形進(jìn)行了分析。研究結(jié)果表明，經(jīng)過加固后，巖土體結(jié)構(gòu)的安全系數(shù)大，巖土體結(jié)構(gòu)的整體抗變形剛度明顯改善，結(jié)構(gòu)內(nèi)力較未加固時更加均勻。

郭濤等[2]針對降雨作用下殘坡積土體抗剪強度降低、力學(xué)性質(zhì)劣化的問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，隨著降雨持續(xù)進(jìn)行，土體飽和度會不斷增大，土體的滑動變形位移增大，對抗滑樁樁身結(jié)構(gòu)的強度提出了更高的要求。

閆玉平等[3]為了能夠同時求解坡體推力和其分布形式，開創(chuàng)式地使用斜條分法對滑帶土體進(jìn)行劃分計算。計算結(jié)果表明，單就坡體推力而言，土體中位于雙排樁前排樁基后側(cè)的土體受力，后排樁前側(cè)的土體受力值小8.6%～10.6%；本文方法獲得的結(jié)果有著更高的安全系數(shù)。

張國龍等[4]研究了山區(qū)高填方工程的服役性問題。研究結(jié)果表明，對整個施工單位的填筑施工階段的土體進(jìn)行變形監(jiān)測有助于竣工后運營階段的穩(wěn)定性判斷，使工程在服役期內(nèi)更加安全可靠。

李華勇等[5]針對軟弱夾層巖土體環(huán)境邊坡工程下的深基坑邊坡工程，通過建立強度折減法分析概化模型，研究了此類地質(zhì)條件下的邊坡穩(wěn)定性。研究結(jié)果表明，軟弱夾層帶的存在使得抗滑樁剪力作用方向在遇到軟弱夾層時發(fā)生反轉(zhuǎn)，抗滑樁彎矩也在抗滑樁遇到軟弱夾層位置處達(dá)到最大值。

劉耿仁等[6]針對錨索抗滑樁失效改善問題進(jìn)行了深入研究。研究結(jié)果表明，通過增強錨索拉力，增加錨固長度，能夠使邊坡有足夠的安全儲備，同時能夠使抗滑樁承載力滿足設(shè)計規(guī)范要求。

石勝偉等[7]主要對大變形條件下抗滑樁工程修復(fù)問題進(jìn)行了研究。研究結(jié)果表明，預(yù)應(yīng)力錨索是一種十分有效的修復(fù)方法，應(yīng)在大變形樁基加固邊坡工程中廣泛使用，且預(yù)應(yīng)力施加大小的設(shè)置應(yīng)進(jìn)行準(zhǔn)確可靠的計算。

謝明星等[8]通過對實際工程進(jìn)行建立模型的數(shù)值計算分析，建立并驗證確定了所提出的用于支擋結(jié)構(gòu)聯(lián)合形式的穩(wěn)定系數(shù)計算公式，并通過該公式進(jìn)行了樁身的受力和變形分析研究。研究結(jié)果表明，截面尺寸、樁間距對結(jié)構(gòu)的變形參數(shù)、受力參數(shù)及邊坡整體的穩(wěn)定性影響程度不同。

劉昌清等[9]通過室內(nèi)的振動臺來模擬實際的地震作用，模擬剪切波作用下的地震動力條件，進(jìn)而對某鐵路路塹邊坡進(jìn)行了室內(nèi)試驗的加固措施研究。結(jié)果表明，雙排樁加固方式的受力和變形明顯優(yōu)于單排樁。

向俐蓉等[10]針對大型滑坡大體積方量的特點進(jìn)行了抗滑樁-樁板加固形式下的受力變形分析。分析表明，抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)加固方式受力及變形合理，可作為大型滑坡有效加固方式。

以上研究成果均未涉及長期有水存在條件下的邊坡工程穩(wěn)定性問題。基于此，本文針對長期有水存在的地質(zhì)水文條件下的邊坡加固后、邊坡內(nèi)土體的受力變化特征開展分析研究，結(jié)合某實際工點邊坡，通過Geo-studio軟件進(jìn)行建模分析。

2 工程概況

該實體邊坡位于我國新疆地區(qū)，邊坡橫剖面見圖1。構(gòu)成邊坡的各層材料主要有最下層的沉積砂巖層，強度相對較大，屬硬巖；中間夾有一薄層的軟質(zhì)泥巖，屬軟巖；最上層為表層風(fēng)化殘積土層，易于發(fā)生失穩(wěn)破壞。各層材料的相關(guān)巖體和邊坡工程的物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖1 邊坡橫剖面圖

表1 巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3 數(shù)值模擬

3.1 模型的建立

在Geostudio軟件的slope模塊構(gòu)建實體邊坡輪廓中，主要按照實際的邊坡剖面進(jìn)行建模，同時劃分好各層土體的輪廓，然后根據(jù)表1中的材料參數(shù)對各層的巖土體特征參數(shù)進(jìn)行設(shè)置。

根據(jù)設(shè)計方案，該邊坡計劃采用多排樁加固的方式進(jìn)行加固支護(hù)，樁基設(shè)置方法見圖2。樁基主要通過機械施工方法向下深打，需打入強度較高的沉積砂巖中深達(dá)3 m；固定端承載變形的摩爾庫倫模式，實際的樁基材料設(shè)置和樁長均按照該設(shè)計要求進(jìn)行，樁的強度為600 kPa，樁排距為2.3 m，樁間距為2.4 m，采用T形截面樁，樁的截面自身慣性矩(IY和IZ)為7.89×103m4，設(shè)計安全系數(shù)為1.5，設(shè)計的有效剪切力為其自身強度的75%。

圖2 邊坡數(shù)值計算模型

3.2 土條應(yīng)力及強度

數(shù)值計算結(jié)果圖見圖3。土條與滑動面間總的法向作用力隨著土條號的變化過程見圖4。

圖3 數(shù)值模擬結(jié)果圖

圖4 土條基底總正應(yīng)力隨土條號變化圖

由圖3所示的數(shù)值模擬結(jié)果圖的滑面位置可知，經(jīng)過抗滑樁樁基的加固后，邊坡穩(wěn)定性良好。只有靠近露頭表層部位的土體有失穩(wěn)風(fēng)險，但該失穩(wěn)風(fēng)險較小,說明樁基設(shè)計加固方案合理高效，加固效果明顯，起到了很好的作用，設(shè)計樁的強度能夠滿足加固土體的強度要求。因此，該方案適宜對該類型邊坡進(jìn)行有效加固。

由圖4所示土條與滑面之間總的正應(yīng)力大小隨著土條號(X坐標(biāo)值)的變化趨勢可知，土條與滑面之間總的正應(yīng)力先緩慢增大至第一個極大值28 kPa后緩慢減小，在土條號11處有一個向下的突變，且達(dá)到一個最小的負(fù)值-17 kPa，說明此時土條與滑面直接的力變?yōu)槔瓚?yīng)力。但是，很快曲線有突變上升，說明土條受拉向外的運動趨勢受到兩側(cè)土體的有效控制和約束。隨后，土條與滑面之間總的正應(yīng)力又逐漸增大至另一個最大值126 kPa。在上升變化過程中，有個別土條的值發(fā)生波動，但是總體趨勢并未變化，且曲線上升的斜率逐漸增大，在土條號25處達(dá)到最大的值，即前面提及的126 kPa，隨后曲線又以一較大斜率減小。

圖5為土條抗剪強度隨著土條號(X坐標(biāo)值)的變化趨勢。

圖5 土條基底抗剪強度隨土條號變化圖

由圖5可知，土條抗剪強度先緩慢增大至第一個極大值16 kPa后緩慢減小，在土條號11處有一個向下的突變，且達(dá)到一個最小的負(fù)值-9 kPa。隨后，土條抗剪強度又逐漸增大至另一個最大值41 kPa，達(dá)到最大值后，曲線又以一較大斜率減小。

4 結(jié) 論

1)經(jīng)過抗滑樁樁基的加固后，邊坡穩(wěn)定性良好，說明樁基設(shè)計加固方案合理高效，加固效果明顯，起到了很好的加固作用。

2)土條與滑面之間總的正應(yīng)力大小隨著土條號增大，先緩慢增大至第一個極大值后，在土條號11處有一個向下的突變；而后又向上增大至另一最大值后，又向下變小。

3)土條抗剪強度隨著土條號(X坐標(biāo)值)先緩慢增大，在11號土條處向下突變；隨后，又逐漸增大至41 kPa后，曲線又以一較大斜率減小。