探討抗滑樁變形監(jiān)測及位移的確定

丁金紅

（貴州省公路工程集團(tuán)有限公司,貴州 貴陽 550001）

0 引言

抗滑樁是治理滑坡的有效工具，工程項(xiàng)目施工中應(yīng)用廣泛且效果顯著。該文應(yīng)用布里淵光時域反射計（BOTDR）進(jìn)行抗滑樁深部變形監(jiān)測，深入挖掘監(jiān)測數(shù)據(jù)并將其轉(zhuǎn)變?yōu)榭够瑯豆ぷ鳡顟B(tài)評估的具體指標(biāo)[1-3]。某高速公路滑坡抗滑樁，深部變形監(jiān)測應(yīng)用BOTDR技術(shù)，基于該技術(shù)提出抗滑樁位移值確定方案并明確計算方法[4-5]。

1 抗滑樁位移應(yīng)用分析

彈性地基梁法是抗滑樁設(shè)計中最常用手段，相關(guān)公式如下所示：

（1）抗滑樁樁側(cè)任意一點(diǎn)z的彈性抗力P(z)：

式中，K——地基系數(shù)；BP——樁計算寬度，X(z)為地層平均水平位移值。

（2）抗滑樁橫向位移X(z)、轉(zhuǎn)角φ(z)，彎矩M(z)、剪力H(z)均為埋深z的函數(shù)，其相互關(guān)系如下:

式中，EIz——抗滑樁的抗彎剛度。

結(jié)合上述公式進(jìn)行抗滑樁設(shè)計、深度變形數(shù)據(jù)監(jiān)測和數(shù)據(jù)驗(yàn)算，結(jié)合項(xiàng)目邊界條件限定情況進(jìn)行評估。抗滑樁位移值與力學(xué)指標(biāo)之間存在相關(guān)性，可結(jié)合位移值進(jìn)行抗滑樁相關(guān)參數(shù)的詳細(xì)計算。

2 計算模型的建立

2.1 基本假定

不考慮對計算結(jié)果精度的影響，做出以下假定：

（1）抗滑樁為澆筑均勻的彈性構(gòu)件形成的樁體。

（2）樁底為鉸支端，存在轉(zhuǎn)角但水平位移值為零[6]。

2.2 推導(dǎo)過程

將樁身自重考慮在內(nèi)，抗滑樁應(yīng)變與截面彎矩之間的關(guān)系如圖1所示。

圖1 計算模型

式中，γ——抗滑樁重度，取γ=2.5×104N/m3；H——抗滑樁樁高；ε(x,z)約為z處截面離中性軸x處點(diǎn)的應(yīng)變；Iz——z處截面對中性軸的慣性矩；ε(x,z)約為z處截面離中性軸x處點(diǎn)的應(yīng)變。

將式（6）代入式（3）得：

假定上述表達(dá)式中應(yīng)變監(jiān)測剖面固定，x與E已知，d為BOTDR采樣間隔，且以ε(z)代替ε(x,z)，邊界條件確定后即可獲得抗滑樁應(yīng)變位移值。從樁底進(jìn)行計算，選定2d為長度單位，長度計算單位不足時，轉(zhuǎn)角與該段起始點(diǎn)的應(yīng)變值相等且撓度為零，對抗滑樁位移值進(jìn)行分段計算，重合位置的位移值一致。根據(jù)連續(xù)條件逐段進(jìn)行積分，以獲取不同位置樁身對應(yīng)的轉(zhuǎn)角與位移值，獲得連續(xù)的位移曲線。

計算過程如下：首先，對積分表達(dá)式進(jìn)行變換x(z)=F(z)+Az+B，隨后，將未知數(shù)項(xiàng)提取出來并用A和B來表示，分步進(jìn)行計算，其公式如下：

（1）第一步（O≤z≤2d）：

1）計算表達(dá)式，x1(z)=F1(z)+A1z+B1；

2）邊界條件，φ1(0)=A1=ε(0)，x1(0)=0。

（2）第二步（2d≤z≤4d）：

1）計算表達(dá)式，x2(z)=F2(z)+A2z+B2；

2）邊界條件，φ2(2d)=A2=ε(2d)；x2(2d)=x1(2d)。

（3）第n步[2(n-1)d≤z≤2nd]：

1）計算表達(dá)式，xn(z)=Fn(z)+Anz+Bn；

2）邊界條件，φn[2(n-1)d]=An=ε[2(n-1)d]；xn[2(n-1)d]=xn-1[2(n-1)d]。

3 工程案例

3.1 工程概況

為提高滑坡安全指數(shù)，降低事故風(fēng)險概率，某高速公路滑坡段擬于滑坡坡腳處設(shè)置抗滑樁進(jìn)行加固。應(yīng)用BOTDR技術(shù)、測斜儀或?qū)够瑯稑渡響?yīng)變值、位移值進(jìn)行詳細(xì)監(jiān)測，判斷目標(biāo)坡段抗滑樁施工前、施工中、施工后滑坡狀態(tài)[7]。驗(yàn)證光纖鋪設(shè)方法與抗滑樁側(cè)向位移值之間的關(guān)系：抗滑樁斜管外側(cè)適宜位置附著光纖，并于刻槽位置標(biāo)記Fiberl，如圖2所示；光纖沿抗滑樁主筋外側(cè)鋪設(shè)并標(biāo)記為Fiber2，如圖2所示。

圖2 抗滑樁z-z截面結(jié)構(gòu)圖

3.2 計算結(jié)果分析

3.2.1 Fiberl應(yīng)變監(jiān)測及計算結(jié)果

計算中的選用的坐標(biāo)情況如圖1所示。計算過程中以二次曲線對0.1 m內(nèi)的監(jiān)測點(diǎn)擬合成方程，減少數(shù)據(jù)擬合可能導(dǎo)致的計算誤差并提高計算精度，分析擬合結(jié)果可知，抗滑樁自重與光纖應(yīng)變之間無明顯關(guān)聯(lián)性。結(jié)合監(jiān)測結(jié)果對抗滑樁位移、轉(zhuǎn)角進(jìn)行計算，詳見圖3所示。

圖3 抗滑樁高與轉(zhuǎn)角和位移的關(guān)系（Fiberl）

根據(jù)計算結(jié)果分析，抗滑樁樁身位移值與監(jiān)測結(jié)果基本一致，位移曲線具備連續(xù)性。

抗滑樁測斜管位移監(jiān)測結(jié)果顯示，計算結(jié)果與位移曲線之間吻合性較高，樁底5 m左右有明顯的突變性位移。抗滑樁應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果顯示，樁體整體應(yīng)變性均勻，樁底上5 m左右位置無明顯變形。抗滑樁測斜管位移監(jiān)測結(jié)果顯示位移突變，影響因素如下：

（1）測斜儀操作為人工作業(yè)，每次操作精度難以保持，各點(diǎn)對照無法保障完全一致。

（2）測斜管為節(jié)段性連接，每節(jié)管連接處易出現(xiàn)導(dǎo)向槽偏移，從而導(dǎo)致導(dǎo)向槽不成直線，測量值與正常值之間存在誤差。

（3）測斜儀采樣間隔為0.5 m，通過將各監(jiān)測點(diǎn)數(shù)據(jù)連接形成位移曲線，可能影響曲線光滑度并引起突變狀況。

（4）抗滑樁澆筑環(huán)節(jié)，樁體自身均勻度不一，而計算時將其看做完全均勻樁，埋深不同會導(dǎo)致參數(shù)差異，對最終的計算結(jié)果產(chǎn)生誤差。

3.2.2 Fiber2應(yīng)變監(jiān)測及計算結(jié)果

將抗滑樁自重考慮在內(nèi)，對比抗滑樁主筋光纖應(yīng)變監(jiān)測數(shù)據(jù)值與擬合數(shù)據(jù)值，結(jié)果顯示兩者吻合度高，抗滑樁重度對監(jiān)測結(jié)果和擬合結(jié)果無顯著影響。根據(jù)應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果，抗滑樁光纖應(yīng)變趨勢與測斜管應(yīng)變趨勢之間的差異較小，可見抗滑樁光纖預(yù)埋位置、埋設(shè)方式會對應(yīng)變監(jiān)測結(jié)果產(chǎn)生影響[8]。

以上述模型為基礎(chǔ)進(jìn)行應(yīng)變監(jiān)測，對相關(guān)數(shù)據(jù)加以轉(zhuǎn)換，詳見圖4所示。Fiber2的抗滑樁成樁過程與Fiberl一致，但其抗滑樁高為35 m，確定主筋附著光纖為35 m，而Fiberl測斜管光纖長度為32 m，故Fiber2監(jiān)測條件與Fiberl有所差異。圖中所示樁高與光纖長度相對應(yīng)，對計算結(jié)果分析可知，抗滑樁樁底5 m內(nèi)，存在一定的撓度但位移無明顯變化，證實(shí)抗滑樁地段為鉸支和測斜管底段位移為零的假設(shè)均合理。

圖4 抗滑樁高與轉(zhuǎn)角和位移的關(guān)系（Fiber2）

3.3 計算模型討論

BOTDR監(jiān)測技術(shù)在抗滑樁深度變形監(jiān)測中廣泛應(yīng)用，該技術(shù)的最大優(yōu)勢在于抗干擾能力強(qiáng)，周邊環(huán)境變化、施工操作等對測量結(jié)果影響較小，但該技術(shù)需進(jìn)行大量數(shù)據(jù)監(jiān)測，為提高數(shù)據(jù)準(zhǔn)確性和精準(zhǔn)度，需確保基礎(chǔ)數(shù)據(jù)充足。計算假設(shè)是以實(shí)際項(xiàng)目實(shí)踐為基礎(chǔ)提出的，計算過程中理論物理公式意義明確，通過對計算結(jié)果與實(shí)際值的比對，可以驗(yàn)證計算假設(shè)的可靠性，判斷其是否符合實(shí)際需求。根據(jù)實(shí)際計算結(jié)果分析，0.1 m范圍內(nèi)抗滑樁的應(yīng)變變化跳躍性較小，分析監(jiān)測結(jié)果可知目標(biāo)范圍內(nèi)的應(yīng)變屬于微應(yīng)變范疇，正切值與轉(zhuǎn)角數(shù)據(jù)基本一致，符合實(shí)際情況。

對抗滑樁彈性模量、抗滑樁重度參數(shù)進(jìn)行計算，由于試驗(yàn)條件受限，選定經(jīng)驗(yàn)值作為相關(guān)數(shù)據(jù)值，可能導(dǎo)致計算值與監(jiān)測結(jié)果之間存在一定誤差。此外，地質(zhì)條件會對抗滑樁工程質(zhì)量產(chǎn)生影響，并導(dǎo)致監(jiān)測結(jié)果與計算值之間不一致，而該文計算結(jié)果顯示實(shí)際監(jiān)測結(jié)果與計算值之間差異不大，基本上滿足需要，可將監(jiān)測結(jié)果作為抗滑樁位移監(jiān)測的參考[9]。

4 結(jié)論

抗滑樁位移值可用來評估抗滑樁性能與工作狀態(tài)，該文對抗滑樁位移監(jiān)測中的相關(guān)問題加以闡述，基于BOTDR監(jiān)測技術(shù)提出了監(jiān)測計算模型，并以該技術(shù)進(jìn)行了抗滑樁深度變形數(shù)據(jù)的檢測。結(jié)論如下：

（1）結(jié)合抗滑樁施工現(xiàn)場實(shí)踐結(jié)果，證實(shí)抗滑樁深部變形監(jiān)測應(yīng)用BOTDR監(jiān)測技術(shù)的可行性，該措施穩(wěn)定性強(qiáng)、數(shù)據(jù)采集效率高，有效改善傳統(tǒng)監(jiān)測手段的不足之處。

（2）結(jié)合彈性地基梁公式和彈性力學(xué)指標(biāo)，獲得抗滑樁位移值與應(yīng)變值，以BOTDR監(jiān)測技術(shù)構(gòu)建位移計算模型，并對比監(jiān)測數(shù)據(jù)與應(yīng)變值，結(jié)合案例分析指出模型應(yīng)用效果很好。

（3）以BOTDR監(jiān)測技術(shù)進(jìn)行抗滑樁位移監(jiān)測，沿抗滑樁樁體內(nèi)豎向受力鋼筋方向埋設(shè)光纖的監(jiān)測結(jié)果與位移計算結(jié)果吻合程度高，可為BOTDR抗滑樁監(jiān)測數(shù)據(jù)實(shí)際應(yīng)用提供指南，并為抗滑樁位移監(jiān)測提供借鑒。