边坡抗滑桩优化设计*

董必昌 舒陶浪 安新强 庞建成

(武汉理工大学交通学院1) 武汉 430063) (咸阳水利水电规划勘测设计研究院2) 咸阳 712000)(武汉华中岩土工程有限公司3) 武汉 430070)

0 引 言

近年来,随着国家高速公路建设力度的加大,与之相关的边坡地质灾害问题也浮出水面.因此,边坡的治理与防护也随之成为工程界的热点课题之一[1].作为一种边坡防护手段,抗滑桩近年来在工程中得到广泛的应用[2-3].然而,对于抗滑桩的设计,目前规范上虽然有一系列条文规定,但是有些条文建立在一些假定的基础上,且力学机理不太明确.基于这种状况,本文提出了一种边坡抗滑桩优化设计方法,并得到工程实例验证.

1 边坡抗滑桩设计方法

1.1 传统抗滑桩设计方法

抗滑桩设计的一般性规定[4]:(1)抗滑桩设计前,应对边坡进行详细的工程地质勘察,确定主滑动方向、滑面位置、边界条件、岩土性质及水文地质条件.(2)抗滑桩的设置必须保证滑坡体不越过桩顶或从桩间滑动,不产生新的滑坡.(3)抗滑桩宜设置在滑坡厚度较薄、推力较小、锚固段地基较高的地段、确定桩的平面位置、桩间距、桩长和截面尺寸时,应综合考虑,以达到经济合理并与周围景观协调.(4)可采用预应力锚索、抗滑桩或抗滑桩与明洞、排桩等组合使用.

可以看出,规范仅仅对抗滑桩的设计进行了一些原则性规定,不涉及到具体的设计举措,因此缺乏一定的可操作性.对于抗滑桩的结构构造方面,规范进行了一些具体规定,然而对于其中的结构设计机理方面,其条文说明没有涉及.对于抗滑桩的设计计算方面有如下规定:(1)作用于抗滑桩的外力有滑坡推力、桩前滑体抗力和锚固段地层的抗力.桩侧摩阻力和粘聚力以及桩身重力和桩底反力可不计算.抗滑桩推力按本规范第7.2节的规定采用传递系数法计算确定.(2)桩前抗力可按桩前滑体处于极限平衡时的滑坡推力或桩前被动土压力确定.(3)抗滑桩上滑坡推力可采用矩形分布或梯形分布,当滑体为极松散的土体时,可采用三角形分布.(4)桩底支承可采用自由端,嵌入岩层较深可采用自由端或铰支.(5)抗滑桩的锚固段长度应满足桩侧最大压应力不大于地基的横向容许承载力的要求.(6)滑动面以上的桩身内力,应根据滑坡推力或桩前滑体抗力计算,滑动面以下的桩身变位和内力,应根据滑动面处的弯矩和剪力,可采用地基系数法进行计算,根据岩土条件可选用“K”法或“m”法,地基 K,m 可根据试验资料和地区经验、工程类别综合确定.(7)抗滑桩的混凝土应按现行国家标准《混凝土结构设计规范》(GBJ50010)进行计算.

可以看出,该规定针对抗滑桩力学计算进行了一系列的简化以及假定,比如作用在抗滑桩上的外力、滑坡推力的分布假定等.有些并不符合实际情况,比如桩底支承情况等.这些都会给实际计算结果带来一定的误差.尤为重要的是,上述假定中没考虑作用土体的实际本构关系,忽略了土体与结构之间的相互作用以及相互影响等因素,因而在理论基础上存在着缺陷.

1.2 抗滑桩优化设计方法

由于传统抗滑桩设计方法具有上述缺陷性,因此,本文提出一种抗滑桩设计的优化方法——基于有限元计算结果的抗滑桩优化设计.

具体步骤如下.

步骤1 根据边坡勘察设计参数,建立有限元模型,确定边坡稳定安全系数.

步骤2 根据有限元计算结果,确定边坡位移最大处位置,然后选择该处作为抗滑桩设计位置.

步骤3 在边坡位移最大处设置抗滑桩,建立边坡抗滑桩有限元模型,确定边坡稳定安全系数.桩身强度等级依据传统抗滑桩设计方法确定,桩长、桩径、桩距以及桩身深入滑动面以下深度在传统设计方法的基础上依据有限元计算结果最终确定.

步骤4 根据有限元中抗滑桩计算结果,进行抗滑桩配筋设计.

从以上设计步骤可以看出,该方法把抗滑桩和边坡作为一个整体考虑,考虑了抗滑桩与土体之间的相互作用,同时也考虑了土体的本构关系,真实地考虑了作用在抗滑桩上的全部外力以及桩底支承情况,因而更符合实际情况.

2 工程实例分析

2.1 工程概况

某滑坡体[5]位于沪蓉西高速公路 K177+000—K178+000之间,滑坡平面呈"倒锥形",上部较窄,下部稍宽,主滑动方向160°.滑坡后缘高程780～785 m,前缘高程710～720 m;平均宽度125 m,纵长110 m,总面 1 375 m2;平均厚 11 m,总方量15 125 m3.

根据勘察成果资料,滑坡体处岩土结构较单一,滑体岩土由碎石土组成,碎石呈稍密状,镐可挖掘,碎石含量 40%～60%,粒径一般为2～9 cm,少量碎石粒径大于15 cm,岩性为紫红色泥岩、粉砂岩.滑体下面为基岩,岩性为泥质粉砂岩.各土层物理力学参数指标见表1,边坡截面示意图见图1.

表1 岩土层材料参数值

图1 边坡剖面示意图(单位:m)

2.2 有限元建模

对上述滑坡体建立有限元模型,采用plane42单元,共划分单元1 573个,节点852个.土体采用Drucker-Prager弹塑型模型,见图2.

图2 有限元模型示意图

对图2所示有限元模型,运用强度折减系数法进行边坡稳定性分析,求得边坡稳定系数结果见表2.为了作为参照,表中列出用其他2种方法求出的边坡稳定系数.

表2 边坡稳定系数结果对比

由表2可见,该边坡处于一种非稳定状态,需要进行边坡防护设计.

2.3 抗滑桩设计

对上述不稳定边坡进行抗滑桩设计,由有限元计算结果得出,边坡最大位移处于坡面中下部,坐标范围分别为179.18～183.78(X),74.14～77.26(Y).在该处范围可设立抗滑桩.边坡坡面位移图见图3所示.

图3 边坡X方向位移示意图

由文献[6]可以知道,将抗滑桩设计在边坡位移最大位置时,能有效改变边坡的应力边界和塑性应变分布,提高边坡稳定安全系数.综合考虑技术、安全以及施工等各方面因素并经有限元计算试算后,本次设计共设置两组双排桩,一组布置在边坡坡面最大位移处,桩的平面尺寸为2 000 mm×2 000 mm,桩长18 m;另一组设置在坡面中上部,桩的平面尺寸同上,桩长20 m;二者上部均设置冠梁,冠梁截面尺寸为2 000 mm×2 000 mm.桩身以及冠梁混凝土强度等级为C30.上述有限元模型中,桩拟定为线弹性体,弹性模量为30 000 MPa,泊松比为 0.2;土体拟定为弹塑体,采Druker-Prager模型,相关参数见表1.最后边坡安全系数提高到1.30以上.

图4、图5分别为设置抗滑桩后的边坡位移示意图,边坡等效塑性应变图.由图上可以看出7,设置抗滑桩后坡面位移减小;等效塑性应变带从抗滑桩处断开且塑性应变值减小,提高了边坡的稳定安全系数.其变化规律与文献[6]的结论一致.

图4 边坡X方向位移示意图

图5 边坡等效塑性应变图

2.4 抗滑桩配筋计算

利用上述有限元模型计算,求得双排桩受力结果如下:第一组,左桩,拉力2 797.8 kN,弯矩2 884.8 kN ◦m,剪 力 360.6 kN;右 桩,拉力480 kN,弯矩 4 093.4 kN ◦m,剪力657 kN;第二组 ,左桩,拉力3 006 kN,弯矩 2 849.4 kN ◦m,剪力1 364.6 kN;右桩,压力 -5 360 kN,弯矩8 946.6 kN◦m,剪力1 213 kN.第一组双排桩对应于坡面中上部位置,第二组双排桩对应于坡面最大位移处.对于上述计算结果运用结构计算软件进行配筋计算,配筋结果如表3所列.

表3 抗滑桩配筋量表

3 结 论

1)传统抗滑桩设计方法由于在机理上将抗滑桩人为分成自由端和嵌固端且进行了一系列假定因此在理论基础上存在先天局限性.

2)考虑土体本构关系、考虑桩土共同作用基于有限元计算结果的抗滑桩设计方法具有优越性.

[1]黄 强.深基坑支护技术[M].北京:中国建材工业出版社,1997.

[2]刘协强.抗滑桩在公路边坡加固治理中的应用研究[D].长沙:中南大学地学与环境工程学院,2007.

[3]刘小丽,周德培,杨 涛.加固土坡的抗滑桩内力计算新方法[J].工业建筑,2003,33(4):39-42.

[4]中交第二公路勘察设计研究院.公路路基设计规范(JTG D30-2004)[S].北京:人民交通出版社,2004.

[5]广西水文地质与工程地质勘查院.沪蓉西高速公路K177+000～K178+400段滑坡工程地质勘查报告[R].南宁:广西水文地质与工程地质勘查院,2004.

[6]董必昌,邱红胜.双排桩对边坡稳定分析影响的仿真研究[J].武汉理工大学报:交通科学与工程版,2007,31(2):502-505.