单、双排抗滑桩在滑坡治理中的对比分析

祁 斌 常 波

(1.新疆煤田地质局156队,乌鲁木齐 830009;2.中国地质大学工程学院,武汉 430074)

作为一种有效的工程措施,抗滑桩在边坡加固工程、滑坡地质灾害防治中得到了广泛应用并取得了很好的效果.在目前的工程实践中,单排抗滑桩应用最广泛、研究最深入.但是,对于大型滑坡而言,普通单排抗滑桩可能需采用过大的桩截面,而且经常无法满足抗滑力的要求,此时,双排抗滑桩因能提供更大的抗滑力从而解决了单排桩抗滑力不足的问题.双排抗滑桩在实际滑坡抗滑工程中已有应用,如三峡库区巴东县红石包滑坡、杭金衢高速公路K103滑坡、东深供水改造工程K13滑坡等.但由于双排桩受力复杂,滑坡推力如何分配、不同排桩之间的相互影响等问题,国内外学术界还没有较系统的相关研究.

在基于传递系数法算出滑坡稳定性和剩余下滑力的基础上,对于单、双排抗滑桩的桩前滑坡推力和桩后土体抗力的分布形式以及单桩设计计算方法,在相同的工程地质条件下都相同.以滑坡推力较大的三峡库区红石包滑坡为例,以矩形截面桩为基础,按悬臂桩法主要从桩土作用计算模型、抗滑桩设计及工程材料用量方面对单、双排桩进行对比分析.

1 土拱作用计算模型对比分析

单排抗滑桩土拱效应研究主要是为了确定抗滑桩桩间距.单排抗滑桩土拱作用常用的研究方法有桩后土拱作用法和桩间土拱作用法.其计算模型可简化[1]如图1～2所示.

文献[2]在综合分析研究桩后土拱模型和桩间土拱模型后,提出了联合土拱计算模型及桩间距的确定方法.单排桩联合土拱模型简图如图3所示.

图3 单排桩联合土拱模型简图

如果把单排桩土拱计算模型理解为线模型,那么,双排桩土拱计算模型则可理解为面模型.单排桩土拱计算模型仅讨论了单排桩及其桩间或桩后岩土体之间的相互作用,双排桩土拱计算模型把双排桩之间的岩土体也纳入到了研究体系之中,使之与双排桩桩体构成面模型整体.其分析计算较之单排桩有相似但复杂得多.其模型简图如图4所示.

各种计算模型下桩间距的计算公式推导在此不详述.

图4 双排桩联合土拱模型简图

2 单、双排桩抗滑桩设计对比分析

单排桩治理滑坡,在计算得出设桩位置处剩余下滑力和桩前土体抗力大小、分析确定剩余下滑力和桩前土体抗力的分布形式之后,直接根据有关规范和计算方法设计计算抗滑桩桩间距、嵌固段长度和桩截面尺寸,过程相对简单、直接.而采用双排桩治理滑坡,则显然涉及滑坡推力的传递分配问题.双排桩排距、前、后排桩截面尺寸都影响着滑坡推力在双排桩之间的传递分配.计算滑坡推力在双排桩之间的传递分配的方法有土拱效应分析法、结构力学位移分析法、有限元法等.文献[3]基于结构力学位移法和变形协调方程得出了滑坡推力按矩形分布时,滑坡推力在双排桩之间的传递分配计算公式[4].其计算模型如图5所示.

图5 双排抗滑桩的计算模型

其中

式中,P为滑坡推力;A1、A2为前后排桩之间的相互作用力(即所谓的前后排桩“分担”的滑坡推力);h为悬臂段长度;L为桩间距(垂直于滑动方向的);h1、h3为前、后排桩横截面的高度;h2=b为桩间土沿主滑方向的宽度;b1、b2为前、后排桩截面宽度;μ为材料泊松比;i=1、2、3分别为代表前排桩、桩间土、后排桩的角标.为便于分析,假定前排桩桩前被动土压力为0.

(1)排距对双排桩推力分配的影响.设抗滑桩悬臂段的长度为27 m,前、后排桩横截面尺寸相同,均为3m×3m,同排桩桩间距L=6m,抗滑桩弹性模量E=2.8×104MPa,泊松比为μ=0.20.土的弹性模量E=20MPa,泊松比为μ=0.35.由式(1)、(2),可得到不同排距b(前后排桩桩净距)时桩-土作用力 A1、A2的大小,计算结果如图6所示.

图6 推力分配与净排距b的关系

(2)桩间土弹性模量对推力分配的影响.设前后排桩的截面尺寸相同,均为3 m×3m,排距为16 m.其他参数与前相同.可求出不同桩间土弹性模量时推力分配比例,计算结果如图7所示.

图7 推力分配与桩间土弹性模量的关系

(3)前、后排桩截面高度对推力分配的影响.设悬臂段长度27m,前后排桩的排距为16m,桩、土的材料参数与前相同.以前后排桩的截面尺寸3 m×3 m为基准,分别改变前后排桩截面的宽度和高度,可得出不同截面尺寸组合时推力分配比例情况.如图8～9所示.

3 三峡库区红石包滑坡工程地质条件

红石包滑坡区北起长江边万户沱(高程70 m)、南至风包岩(高程270m),东为凉水溪沟、西为白岩沟,南北长约600m,东西宽约500m;厚度变化较大,平均约为25～35m;潜在滑移软弱带以上的岩(土)体体积为1760m3,斜坡平均坡度约25°.红石包滑坡稳定性计算基本参数见表1.地形地貌为多级挡土墙和平台的台阶式地貌.沿江公路在滑坡中前部穿过,沿江公路以下临长江侧岸坡较陡,多为崩坡积层覆盖,在下部出露基岩[5].

表1 红石包滑坡稳定性计算基本参数

红石包滑坡深部(潜在)滑移软弱带关系到该段库岸稳定及滑坡治理的设计与施工方案的制定,其稳定性计算剖面如图10所示.因此,深部潜在滑移软弱带以上的滑坡体成为治理设计的主要对象.

图10 稳定性计算剖面条分图

采用传递系数法计算红石包滑坡稳定性和剩余滑坡推力,得出在工况为175m库水位+饱和地下水(暴雨)+地震烈度Ⅵ度时,滑坡稳定性系数为0.86,合理设桩处的剩余下滑力为6000kN/m.因剩余下滑力较大,故选用双排悬臂抗滑桩对滑坡进行治理设计计算.

4 单、双排桩经济方面的比较

(1)单排桩设计结果

抗滑桩截面尺寸为3m×5 m.桩长45 m,受荷段长27m,锚固段长18m.桩间距L=6m.采用K法按弹性桩进行设计.桩底边界按绞支端考虑.抗滑桩内力结算结果如下:最大弯矩:Mmax=398823.4 kN◦m;最大剪力:Qmax=43452.8kN;最大侧应力:σmax= 2228.7kPa.

(2)双排桩设计结果

后排桩的截面尺寸采用3m×3m;前排桩的截面尺寸采用2.5m×3m.桩底均按绞支端考虑.双排桩排拒b=16m.前后排桩间距均按6m计算.由式(1)、(2)可得:A1=1 437 kN/m,A2=2707kN/m.以此进行单桩设计:后排桩桩长41m,受荷段27 m,嵌固段14m,M后max=194 839.5 kN◦m,Q后max=25 570.7 kN,σ后max=1699.4kPa;前排桩桩长39 m,受荷段29 m,嵌固段10 m,M前max=126389.6 kN◦m,Q前max= 22922.1kN,σ前max=1726.6kPa.

根据前面算出的双排桩和单排桩的桩身内力结果进行配筋计算.可算得:单排桩方案时,单根桩的C25混凝土用量为675m3,纵向钢筋HRB335用量为8.2m3,箍筋HPB235用量为2.7m3.双排桩方案时,前排桩的C25混凝土用量为 292.5 m3,纵向钢筋HRB335用量为2.8 m3,箍筋HPB235用量为1.0 m3;后排桩的C25混凝土用量为369m3,纵向钢筋HRB335用量为4.2 m3,箍筋HPB235用量为1.3 m3.

表2 两种设计方案的工程材料用量表

上述结果表明,当滑坡推力较大时,采用双排抗滑桩较单排抗滑桩更为经济.

5 结 论

(1)滑坡推力较大时,采用单排桩治理滑坡,采用的截面过大(3m×5m的桩截面尺寸在实际工程中很少采用),而采用双排桩,则可以很好地解决这个问题.

(2)相比单排抗滑桩治理滑坡,双排桩充分利用了土拱效应,有主次地分担了滑坡推力,为双排抗滑桩单桩合理截面尺寸的设计提供了保障.

(3)双排桩设计较单排桩设计更加复杂.双排桩滑坡推力的分配受桩排距、前后排桩截面尺寸和桩间土弹性模量等因素的影响.

(4)红石包滑坡单双排桩的设计计算对比表明,当滑坡推力较大时,使用双排抗滑桩治理滑坡更为经济合理.

[1] 姚成志,李 亮.基于土拱效应的抗滑桩合理桩间距讨论[J].路基工程,2006(6):72-74.

[2] 黄新文.多排抗滑桩的计算方法与工程应用研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[3] 刘 鸿.双排抗滑桩计算方法研究[D].成都:西南交通大学,2007.

[4] 铁道部第二勘测设计院,抗滑桩设计与计算[M].北京:中国铁道出版社,1983.

[5] 赵克全,张丁山.巴东油库区红石包滑坡地质特征与整治[J].资源环境与工程,2004,18(3):46-49.