抗滑桩的优化设计研究

【摘 要】本文主要研究抗滑桩与土相互作用的理论，桩间及桩后土拱效应，在此基础上考虑抗滑桩的设计参数桩间距、桩截面、锚固深度对抗滑桩的工作性能的影响，提出优化设计方法。

【关键词】抗滑桩;土拱效应;优化设计

抗滑桩是利用稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡滑坡推力。具有抗滑能力强、施工安全，地质条件准确等优点，广泛应用于边坡加固工程中。

1.桩与土的相互作用

研究抗滑桩根本在于它与滑坡体之间受力与变形的作用过程。从理论角度，目前抗滑桩研究主要有两大类方法，一类是以抗滑桩与滑坡体的应力分析为主的压力法;另一类是以抗滑桩与滑坡体的位移分析为主的位移法。

目前，抗滑桩与岩土体的相互作用主要通过文克勒地基模型理论来确定，滑坡巖土体与抗滑桩的相互作用主要通过不均匀变形引起的的土拱效应来实现。对于整体，土拱效应就是通过调整内部应力分布把滑坡推力传递到抗滑桩上的现象。对于土体，土拱效应实质上是土体充分调动自身抗剪性能以抵抗滑坡推力的现象。抗滑桩桩后土拱效应的研究：一是对土拱效应形成机理和影响因素的研究;二是运用结构力学方法，建立数学或数值模型，综合分析整体稳定性问题。

2.桩的设计参数的计算

2.1合理间距及其公式推导

（1）基本假定：桩间土拱为对称于跨中的抛物线形，并且相邻两桩间的土拱主要形成于桩间后侧坡体中;土拱自重不计，忽略土拱效应由上而下逐渐减弱的情况，土拱问题近似简化为沿桩长方向的平面应变问题;桩后坡体压力沿桩间均匀分布，并且以均匀分布的形式作用于土拱上。

（2）计算模型及桩间距的确定

常见抗滑桩的截面形状有矩形、圆形等，这里以矩形截面抗滑桩分析后得到桩间净距表达式：

在其他因素不变，桩间净距与土体粘聚力、内摩擦角应成正比。因此，考虑到边坡抗滑桩加固工程的可靠性，在实际应用中可对式中土体粘聚力和内摩擦角值进行折减，计算得出的桩间净距即为实际采用的桩间净距。折减系数取值：

2.2 桩的截面

抗滑桩的截面形状包括矩形和圆形，但考虑到桩的受力条件和施工方便，抗滑桩以采用正面一边较短、侧面一边较长的矩形截面为好。尺寸大小根据下滑力大小、桩距以及锚固段的侧壁容许压应力等因素综合考虑。

2.3 桩的锚固深度

锚固深度是抗滑桩发挥抵抗滑体推力的赖以生存的前提和条件。当锚固段地层为土层及严重风化破碎岩层时，桩身对地层的侧压力应符合下列条件：

式中：-桩身对地层的侧压应力，kPa;-地层岩（土）的重度，kN/m3;

-地层岩（土）的内摩擦角，°;-地层岩（土）粘聚力，kPa;-地面至计算点的深度，m。桩底可按自由支承处理，即令=0，=0。当锚固段地层为比较完整的岩质、半岩质地层时，桩身对围岩的侧向压应力应符合下列条件：

式中：-桩身对围岩的侧压应力，kPa;-折减系数，根据岩层产状的倾角大小，取0.5～1.0;-折减系数，根据岩层的破碎和软化程度，取0.3～0.5;-围岩岩石单轴抗压极限强度，kPa。桩底可按铰支承情况处理，即令=0，=0。根据经验，对于土层或软质岩层，锚固深度取l/3～1/2桩长比较合适，对于完整、较坚硬的岩层可取1/4桩长。

3.抗滑桩优化设计

在抗滑桩与滑坡体相互作用机理的基础上，考虑工程安全和经济双重标准要求，根据基于土拱效应的桩间距计算模型确定抗滑桩间距，保证桩后土拱和桩间土拱共同分担滑坡推力荷载，使抗滑桩发挥更好的抗滑效果。同时，要将抗滑桩的桩型参数与布设参数同时考虑，方可以实现抗滑桩优化。

3.1单因素法

单因素法分为两类：同时试验设计和序贯试验设计。序贯试验设计要求分批进行试验，后批试验需根据前批试验结果进一步优化后序贯进行，直到获取最佳试验结果。现就以一维黄金分割法的原理进行优化设计。

黄金分割试验设计就是在预定试验范围内采用0.618黄金分割原理安排新试验点，直到找到最佳试验结果为止。黄金分割就是在特定范围内寻求黄金分割点（k）及对称点（1-k）。涉及两个层面：一是已知试验范围内的黄金分割点的寻求，二是新试验范围的确定与进一步寻优。首先在试验范围（a，b）内，按照0.618黄金分割原理安排两个试验点x1、x2，然后根据试验结果确定进一步的试验范围。如此不断地进行下去，直到找到最优点为止。

3.2多因素法

单因素法是针对于其他因素固定的单因素分析的结果，根据设计参数的性质，可分为桩型参数和布设参数，前者主要指抗滑桩截面尺寸和锚固比，而后者主要指抗滑桩的桩间距。首先研究桩型参数对布设参数的影响，在基于土拱的最大桩净距计算模型有抗滑桩截面高度，因此在确定最大或最小桩间距时是针对抗滑桩截面尺寸已经确定的模型而言。其次研究抗滑桩布设参数对桩型参数的影响，例如在进行抗滑桩截面尺寸和锚固比计算时，必须首先确定桩间距，根据桩间距和滑坡纵剖面单宽的推力确定单个抗滑桩所承受的滑坡推力。

综合单因素法和桩型参数与布设参数之间的关系，根据不等桩间距布设原则，首先根据滑坡推力的大小给定初始桩间距，然后通过已知桩间距的前提下进行抗滑桩截面尺寸和锚固比优化，根据确定的截面尺寸和锚固比又反过来验算初始桩间距是否合适，如果不合适，将进一步根据建立的抗滑桩最小桩间距模型和最大桩间距模型提出合理的桩间距，同时复核截面尺寸和锚固比。通过上述的循环迭代，可以根据对于抗滑桩桩间距模型的研究、截面尺寸优化研究和锚固比研究的相关成果，为抗滑桩优化提供了一个切实可行的综合优化方案。

4结论

根据抗滑桩与滑坡体相互作用机理。在进行单桩工程投资优化的同时，考虑抗滑桩桩排的平面综合布设，根据提出的不等桩间距布设原则，进一步使抗滑桩与滑坡体实现协同工作的最佳状态，以实现工程安全和投资经济的双重目标。

参考文献：

[1]吴鹏.考虑桩土滑移和整体刚度动态调整的群桩分析方法[J].岩土工程学报，2007.

[2]王成华.抗滑桩间土拱力学特性与最大桩间距分析[J].山地学报，2001.

[3]周德培.边坡工程中抗滑桩合理桩间距的探讨[J].岩土工程学报，2004.

作者简介：

刘伟（1989.11-今），男，汉族，四川内江，硕士研究生，研究方向：岩土工程

（作者单位：1重庆市地质矿产勘查开发局208水文地质工程地质队;2重庆市地质灾害防治工程勘查设计院）