樁板結構組合抗滑樁現場監測與計算分析

鄒小兵

(中鐵十九局集團有限公司 北京 100176)

1 引言

鐵路路基的強度、剛度和穩定性是列車高速平穩運營的保障。在不良地質，特別是跨越深厚軟弱土區域，需要采用特殊結構進行地基處理。樁板結構作為一種下部基礎結構，能夠改變荷載在地基結構中的傳遞路徑，從而減小不良地質條件對列車行駛安全舒適性的影響[1]。國內工程實踐中，鄭西客專首次采用樁板結構對深厚濕陷性黃土地基進行處理，憑借其結構優越性，逐步成為處理深厚不良土地基的有力手段[2]。目前樁板結構已廣泛應用于高鐵、公路地基處理，長期監測結果表明上部荷載能通過樁板結構傳遞至更深的持力層，改善軟弱土受力狀態，且有效控制工后累計沉降[3]。隨著樁板結構應用效果得到不斷驗證，一些工程將其作為采空區上方路基加固技術[4]以及隧道施工下穿鐵路線時的路基保障技術[5]。為了解釋其作用機理進而優化設計參數，文獻[6]通過建立有限元模型，提出通過縮小樁體間距、按三角形布樁以及增大板厚等方式，減小板中最大主應力并降低路面不均勻沉降。

抗滑樁是一種穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動力，起穩定邊坡的作用，是一種處理滑坡問題的可靠手段。國外早在1975年便開展了將其用于邊坡的理論研究，并提出塑性和塑性流動兩種理論[7]。基于這些理論，文獻[8，9]提出了抗滑樁設計方法以及抗滑樁加固邊坡的安全系數計算方法。在國內，特別是西部山區，抗滑樁也得到了廣泛的應用[10]。文獻[11]通過強度折減法進行抗滑樁加固前后高陡邊坡穩定性研究，結果表明，加固后滑移帶向巖土體深處轉移，邊坡最大位移降低且安全系數顯著提高。然而，由于山區地形崎嶇、地質條件復雜，工程實踐中通常采用現場監測手段對其受力變形進行評價[12－15]。現場監測數據不僅能夠真實反映出樁體工作性狀，而且為抗滑樁的研究提供可靠數據支撐。

隨著工程建設不斷向山區推進，降雨引發滑坡頻繁發生，樁板結構難以在樁周土體發生滑移時仍保持較好的工作狀態。因此，本文提出采用樁板結構組合抗滑樁對上述問題進行處理。為進一步分析樁板結構組合抗滑樁工作機理并優化設計參數，本文對組合結構加固滑坡體進行現場監測，基于現場監測數據，建立簡化的數值計算和理論計算模型分析抗滑樁參數及樁板結構－抗滑樁空間布置參數對其協同作用的影響。

2 項目概況

本監測試驗工點選在新建高速鐵路云桂線昆明至南寧段正線宜良－昆明區間滑坡處。該段溝谷發育，地形起伏較大，局部黏土含量大，常年有水。地下水有土層空隙潛水，少量基巖裂隙水，自然坡度一般為10°～35°，局部山坡陡峻。滑坡起訖里程為D2K700＋280～D2K700＋360，總厚度6～20 m，與線路方向基本正交。目前滑坡體上未見變形跡象，整體處于基本穩定狀態。線路通過滑坡中下部，施工開挖減載后，后部將形成臨空面，滑坡可能復活而產生新的滑動，滑坡體對工程影響大。

監測試驗針對滑坡段采用抗滑樁加固后設置樁板結構路基，正線路基采用樁板結構處理地基，滑坡段設置抗滑樁，試驗監測斷面選擇在D2K700＋300處，如圖1所示。監測對象為后排抗滑樁(樁長16 m)。

圖1 現場監測斷面

根據現場調研各部分材料參數見表1。

表1 材料參數

3 樁板結構簡化計算方法

樁板結構在滑面以上部分采用結構力學中“位移法”求解:

式中:[F]為節點力(N)；[K]為剛度矩陣(N/m)；[δ]為位移矩陣(m)。

滑面以下樁基計算按單樁考慮，其受力如圖2所示。

圖2 錨固段受力簡圖

采用“m”法求解錨固段內力及變形，樁體變形系數為α。

式中:mH為地基系數隨深度增加的比例系數(kPa/m2)；βp為樁的計算寬度(m)。

錨固段樁的撓曲方程為:

式中:y為深度(m)；x為樁體水平位移(m)。

4 現場監測與數值模型結果對比

本監測試驗采用TGCX-1-100型滑動式水平位移計(測斜儀)，為以伺服加速度計為敏感元件的滑動式測斜儀。數值模擬參照圖1及表1進行建模，模型中各部件主要包括滑床、滑帶、滑體、抗滑樁、樁板結構及軌道板，其中滑床、滑帶、滑體采用Mohr-Coulomb模型描述，其余采用各向同性彈性模型描述。

圖3為現場實測數據與計算結果對比曲線，圖中紅色曲線為后排抗滑樁監測結果，距樁頂6 m范圍內產生比較明顯的位移變化趨勢，水平位移從下向上逐漸增大，方向指向坡腳外側。黑色曲線為數值模擬計算結果，后排抗滑樁水平變形與現場實測數據趨勢相同，水平變形在距離樁12 m位置處，即滑帶附近出現急劇變化。

圖3 抗滑樁水平變形計算與現場實測結果對比

5 樁板結構－抗滑樁相對位置研究

由于現場條件限制，有關樁板結構滑坡體受力、位移響應尚未測得。因此，基于驗證后的建模思路，建立簡化的樁板結構組合抗滑樁模型，進一步分析兩者不同相對空間位置下的受力變形特性，為后續相關工程提供理論指導和科學依據。

5.1 數值模型建立

建立如圖4所示的抗滑段滑坡樁板結構簡化模型，抗滑樁分別位于樁板結構后方(見圖4a)和樁板結構前方(見圖4b)；采用矩形樁(3×2 m)，樁長20 m，樁間距6 m；抗滑樁與樁板結構間距均為8 m，樁板結構路基基樁采用圓形樁，樁徑為1 m，樁長20 m，樁間距9 m；邊坡長度和縱向深度分別為110 m和9 m，基樁和抗滑樁所在滑動面傾角為28°，各部件材料參數選取見表1。

圖4 數值模型示意

5.2 數值結果分析

圖5a為抗滑樁位于樁板結構后時，基樁和抗滑樁水平變形沿樁身的分布情況。對于基樁而言，水平位移在樁頂位置處最大，且由于在樁頂板與樁之間的剛性連接，內外基樁水平變形基本一致，在樁頂4 m深度以下范圍內迅速減少。內基樁沿深度衰減較快，水平位移略小于外基樁，兩者水平位移差在中部最大，隨后差異減小，進入錨固段后水平位移基本為零。對于抗滑樁而言，變形最大值同樣出現在樁頂位置，沿深度方向基本呈線性衰減，其變形最大值約為基樁的1.3倍。

圖5 抗滑樁位于樁板結構后位移及彎矩情況

圖5b為抗滑樁位于樁板結構后時，基樁和抗滑樁彎矩沿樁身分布情況。可見，內基樁和外基樁彎矩沿深度分布形式基本一致，基樁彎矩在樁身8 m以上時變化不大。樁身8 m以下段，彎矩沿樁身逐漸減少，并沿反向迅速增大，并在滑動面達到樁身彎矩極值。隨著埋深繼續增加，樁身彎矩迅速減小，在樁底彎矩近似為零。對于抗滑樁彎矩而言，在樁頂基本為零，沿樁身逐漸增加，在滑面處達到最大值而后逐漸衰減至零。從量值上來看，抗滑樁的彎矩最大值遠大于基樁的彎矩，如滑面處抗滑樁最大值約為1 100 kN˙m，內基樁在滑面處的彎矩為140.6 kN˙m，說明抗滑樁提供了較大的抗力，分擔了滑體中下滑力，減小滑坡體對基樁的不利影響。

圖6a為抗滑樁位于樁板結構前時，基樁和抗滑樁水平變形沿樁身的分布情況。對基樁而言，水平位移沿樁身變化較設置前排抗滑樁相似，但其數值約為設置前排抗滑樁的1.5倍。對于抗滑樁而言，變形最大值同樣出現在樁頂位置，沿深度方向基本呈線性衰減，其值約為前排抗滑樁的1.2倍。

圖6 抗滑樁位于樁板結構前位移及彎矩情況

圖6b為抗滑樁位于樁板結構前方時，基樁和抗滑樁彎矩沿樁身的分布。內基樁和外基樁彎矩沿深度分布形式有一定的差異，基樁彎矩在樁身8 m以上時變化不大，樁身8 m以下時沿樁身逐漸減少，并沿反向迅速增大，并在滑動面達到樁身彎矩極值。隨著埋深繼續增加，樁身彎矩迅速減小，在樁底彎矩近似為零，且內基樁承受彎矩大于外基樁。對于抗滑樁彎矩而言，在樁頂基本為零，沿樁身逐漸增加，在樁身8 m處達到極值，而后沿反向迅速增大，并在滑動面達到樁身彎矩極值而后逐漸衰減至零。

圖7為抗滑樁設置在后排與抗滑樁設置在前排內基樁的受力與變形特性。選取基樁和抗滑樁間距為8 m進行對比分析。由圖7可知，設置后排抗滑樁能夠大幅度地限制基樁的水平變形，并減小了基樁的內力，如水平變形最大值從6.4 mm減少至3.68 mm，減少約42.5%；而設置前排抗滑樁時只減少了17.2%。由此可知，設置后排抗滑樁其效果明顯優于設置前排抗滑樁。此外，針對同一工況，如無抗滑樁，基樁的變形、彎矩都將大幅增加。因此，在實際工程中為控制基樁的受力和變形應優先考慮設置后排抗滑樁[16－17]。

圖7 抗滑樁及其位置對內基樁響應影響

6 結論

本文綜合現場監測數據并采用數值分析方法分析了樁板結構組合抗滑樁在山區巖堆、滑坡地形中的穩定性，并探討了不同樁板結構與抗滑樁相對位置下的組合結構響應，得出如下主要結論:

(1)樁板結構組合抗滑樁能夠充分發揮兩者各自的優勢，同時避免滑坡推力和深厚軟弱土地基對路基結構的擾動；且抗滑樁自施工完成后便立刻開始發揮承擔滑坡推力的作用。

(2)設置抗滑樁能有效降低樁板結構受力變形。將抗滑樁設置在樁板結構后排優于將其設置在前方。后排抗滑樁能夠更加充分地發揮承擔滑坡推力的作用，使得彎矩在樁板結構內外基樁上的分配更加合理，從而更好地控制樁板結構變形。