抗滑樁設置角度與受力分析對比研究

畢聰、魏莉娜

（1.中交第二航務工程局有限公司設計研究院，湖北武漢 430050；2.恩施五谷豐登建設工程有限公司，湖北 恩施 445000）

0 引言

常規(guī)情況下，抗滑樁的設置走向與滑坡體的主滑方向基本保持垂直，即為正交布置，抗滑樁的樁身在此時主要承受橫向的荷載；但在特殊情況，如布設條件受到多方條件約束時，會出現(xiàn)抗滑樁的布設與主滑方向出現(xiàn)一定夾角的情況，即為斜交布置。在斜交布置時，抗滑樁的受力情況則較為復雜，若仍然按照正交方式進行抗滑樁結(jié)構(gòu)設計是否合理，則有待研究。

本文以云南省文山至麻栗坡高速公路的一處滑坡為例，分別對抗滑樁正交與斜交情況下受力進行計算，并且分析對比在不同情況下分布規(guī)律，試圖說明抗滑樁不同設置角度的受力特點，為今后的此類設計提供參考。

1 工程概況

文山至麻栗坡高速TJ-2 標在施工過程中，于2018 年12 月樁號ZK39+300—ZK39+580 左側(cè)四級邊坡山體在開挖過程中出現(xiàn)開裂、滑坡。

1.1 滑坡區(qū)工程地質(zhì)條件

滑坡所在區(qū)域?qū)儆谥械蜕綐?gòu)造侵蝕地貌，總體地貌為東高西低，北高南低，呈“兩脊夾兩溝”的特征。

經(jīng)施工圖設計和施工兩個階段的地質(zhì)勘查，場地覆蓋層為第四系全新統(tǒng)崩坡積（Q4col+dl）含礫粉質(zhì)黏土，揭露深度為1.1～22.5m；下伏基巖為泥盆系下統(tǒng)翠峰山組（D1c）泥質(zhì)頁巖，揭露深度為3.0～39.5m。

1.2 滑坡前期治理方案

施工單位于2020 年12 月完成第一次滑坡治理方案的施工，共設置36 根2.5m（3.0m）×4.0m 錨索抗滑樁，樁長30.0～31.0m，懸出第一級邊坡平臺6～8m，并在抗滑樁前緣設置抗滑擋土墻。但根據(jù)2021 年的監(jiān)測數(shù)據(jù)顯示，抗滑樁發(fā)生變形，滑坡活動變小但未收斂。

2 抗滑樁設計

2.1 抗滑樁布設情況

為保證ZK39+300—ZK39+580 左側(cè)山體穩(wěn)定，控制滑坡繼續(xù)發(fā)展，擬在前期治理設置的方形抗滑樁后8m 處，補充設置雙排圓形抗滑樁，前后排樁距離6.0m，樁間距為5.0m，樁體直徑為2.5m，樁長為35m，錨固端長20m，樁頂用冠梁鏈接[1]。

2.2 穩(wěn)定性計算方法以及參數(shù)的選取

2.2.1 計算方法

根據(jù)變形體自身特征選取最不利斷面進行穩(wěn)定性分析計算，地面線以及滑帶簡化為折線，根據(jù)地勘報告結(jié)合地質(zhì)環(huán)境條件和變形體變形破壞特征，來建立滑坡計算模型。根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》（JTG D30—2015）中的暴雨工況進行計算，結(jié)合邊坡斜坡的防治工程勘查等級，穩(wěn)定性劃分為四級：穩(wěn)定性系數(shù)Fs＞1.15 為穩(wěn)定，1.15≥Fs＞1.05 為基本穩(wěn)定，1.05≥Fs＞1.00 為欠穩(wěn)定，F(xiàn)s 小于1.0 為不穩(wěn)定。

2.2.2 計算參數(shù)的確定

（1）變形體土體重度的確定

變形體土體重度取值根據(jù)勘查室內(nèi)試驗結(jié)果和勘查揭示滑坡體的土石比例綜合確定，綜合取值為天然重度為19.7kN/m3，暴雨工況下飽和重度為20.7kN/m3。

（2）穩(wěn)定系數(shù)計算公式

式（1）～式（2）中：

Ti、Ti-1分別為第i塊和第i-1 滑塊剩余下滑力，（kN/m）；

Fs為穩(wěn)定系數(shù)；

Wi為第i滑塊的自重力，（kN/m）；

αi、αi-1分別為第i 和第i-1 滑塊對應滑面的傾角，（°）；

ψi為傳遞系數(shù)；

ci為第i滑塊滑面巖土黏聚力，（kPa）；

Li為第i滑塊滑面長度，（m）。

（3）反演計算模型的建立

在暴雨工況下，邊坡是處于極限平衡狀態(tài)，因此，可利用該狀態(tài)進行各潛在滑面C、φ值的反演計算。以邊坡開挖過程中的原始地面線以及潛在滑動面建立計算模型，在滑坡治理總平面圖中取6-6 斷面穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.0，7-7 斷面穩(wěn)定性安全系數(shù)取1.03，計算模型見圖1、圖2，用傳遞系數(shù)法計算極限狀態(tài)下相對應的C、φ值[2]。

圖1 6-6 斷面計算模型

圖2 7-7 斷面計算模型

根據(jù)計算得出變形體滑帶（巖土界面）抗剪強度參數(shù)取值見表1。

表1 變形體土體物理力學參數(shù)綜合取值表

3 內(nèi)力計算

對于不同布設角度的抗滑樁內(nèi)力大小以及分布規(guī)律分別進行分析計算，選取最不利斷面6-6，根據(jù)現(xiàn)場情況確定滑坡推力為矩形分布；根據(jù)已建成的方形抗滑樁監(jiān)測報告中位移最大的14#樁移動方向為38°，可判定此處滑坡的主滑方向與路線走向夾角為38°。遂此次研究的兩種工況分別為布置角度垂直與主滑方向，即正交；以及抗滑樁布置平行與路線走向，與主滑方向呈38°，即斜交[3]。

3.1 正交布置內(nèi)力分析

進過對6-6 斷面進行穩(wěn)定性分析，計算得出前期處理方案中剩余的滑坡推力F=7818kN/m，計算得出第一排樁樁身最大彎矩Mmax=3612.38kN·m，位于距離樁頂16.2m 處，最大剪力Qmax=653.85kN/m，位于距離樁頂20.0m 處，樁頂最大位移42.4mm（見圖3）背側(cè)縱筋最大截面積225075.2mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2；第二排樁樁身最大彎矩 Mmax=3522.22kN·m，位于距離樁頂16.0m 處，最大剪力Qmax=631.38kN/m，位于距離樁頂19.0m 處，樁頂最大位移 38.7mm（見圖4）背側(cè)縱筋最大截面積234721.28mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2。

圖3 正交第一排抗滑樁計算結(jié)果

圖4 正交第二排抗滑樁計算結(jié)果

圖5 斜交Fy 方向第一排抗滑樁計算結(jié)果

3.2 斜交布置內(nèi)力分析

在同樣的推力下，當主滑方向與抗滑樁布置呈38° 時，將滑坡推力進行兩個方向的分解，F(xiàn)x=Fsin38°，F(xiàn)y=Fcos38°，得出Fx=4382kN/m，F(xiàn)y=5609kN/m。

3.2.1Fy方向受力分析

經(jīng)過計算得出第一排樁樁身最大彎矩Mmax=2506.78kN·m，位于距離樁頂16.4m 處，最大剪力Qmax=463.47kN/m，位于距離樁頂20.0m 處，樁頂最大位移 30.1mm（見圖 5）背側(cè)縱筋最大截面積173629.44mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2；第二排樁樁身最大彎矩Mmax=2497.96kN·m，位于距離樁頂16.1m 處，最大剪力Qmax=447.48kN/m，位于距離樁頂19.0m 處，樁頂最大位移27.5mm（見圖6）背側(cè)縱筋最大截面積154337.28mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2。

圖6 斜交Fy 方向第二排抗滑樁計算結(jié)果

3.2.2Fx方向受力分析

經(jīng)過計算得出第一排樁樁身最大彎矩Mmax=1472.36kN·m，位于距離樁頂16.0m 處，最大剪力Qmax=263.94kN/m，位于距離樁頂19.5m 處，樁頂最大位移 16.2mm（見圖7）背側(cè)縱筋最大截面積135045.12mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2；第二排樁樁身最大彎矩Mmax=1507.83kN·m，位于距離樁頂16.5m 處，最大剪力Qmax=272.85kN/m，位于距離樁頂20.0m 處，樁頂最大位移17.7mm（見圖8）背側(cè)縱筋最大截面積125399.04mm2，面?zhèn)瓤v筋最大截面積86814.72mm2。

圖7 斜交Fx 方向第一排 抗滑樁計算結(jié)果

3.3 計算結(jié)果比較與分析

有以上計算結(jié)果可知，抗滑樁樁身的內(nèi)力分布情況基本一致，彎矩均在16.0m 左右，剪力最大值基本位于19.0～20.0m 處。兩種受力情況計算結(jié)果得到表2。

表2 受力計算結(jié)果比較表

經(jīng)表2 比較可知，抗滑樁在斜交時相比正交時，第一排與第二排抗滑樁縱筋面積分別增加了大約50%和45.4%。則說明在斜交情況下抗滑樁的受力更加復雜，抗滑樁處于斜交布設時，樁與樁之間的土拱效應遭到了一定程度的削弱；滑坡推力作用在樁身時，會產(chǎn)生應力集中不利于樁身結(jié)構(gòu)的完整性[4]。

綜上所述，在滑坡的治理中，抗滑樁應盡量布置在滑坡主滑軸線的垂線上，若條件受限不得不斜交與主滑方向布置抗滑樁時，應對樁身結(jié)構(gòu)進行多方向受力驗算來保證抗滑樁的可靠性。

4 結(jié)語

通過驗算、對比和分析抗滑樁在正交與斜交時內(nèi)力分布的規(guī)律，本文得出在斜交情況下，樁身縱筋截面積增加了45.4%～50%，結(jié)果表明斜交抗滑樁受力更加復雜，必須增加縱向鋼筋布置才能保證運營安全。