浅谈圆形抗滑桩在滑坡治理工程中的应用

周健

摘要 随着滑坡治理工程的增多和机械化水平的提高，圆形截面抗滑桩因其成孔速度快、周期短、施工安全性高的优势逐步受到更多青睐，但依然存在一些问题。文章针对圆形抗滑桩相较于传统矩形抗滑桩对比分析，并结合工程实例，指出圆形抗滑桩设计应用方面存在的问题，提出改进建议。

关键词 圆形抗滑桩；矩形抗滑桩；对比分析

中图分类号 P642.22文献标识码 A文章编号 2096-8949（2023）10-0037-04

0 引言

长期以来，抗滑桩作为一种支挡结构经常应用于滑坡整治中，由于其处治效果好、布置灵活、适应条件广等多方面优点而被广泛使用。现阶段，我国在滑坡整治中多采用矩形抗滑桩，其理论计算和设计方法较为成熟，而对于圆形抗滑桩的研究较少[1]，且当前抗滑桩设计相关规范对圆桩及矩形桩无明确区分，计算时基本将圆桩等效为矩形桩，笔者就受力分析、规范理论结合工程设计经验，就两种设计桩型的区别联系作简单论述。

抗滑桩自21世纪50年代在国内应用以来，先后经历了人工挖孔矩形抗滑桩、机械成孔圆形抗滑桩和机械成孔矩形抗滑桩三个主要阶段。过去的人工挖孔矩形桩顺应了我国20世纪人力资源成本低且矩形截面受力性能更好的各方面需求，而随着本世纪以来我国人工成本的提高、机械化工业的发展以及对安全生产要求的提高，机械成孔桩比例不断提高，但现在的圆形截面桩抗弯能力却不符合有效利用材料的原则。该文将分别从受力分析、土拱效应、配筋计算等方面将圆形抗滑桩与传统矩形抗滑桩比较分析。

1 两种抗滑桩对比分析

1.1 受力分析

抗滑桩在滑坡推力的作用下，桩体表现为一侧受拉、一侧受压，设计时主要对其抗剪能力和抗弯能力进行结构验算。众所周知，结构的抗弯能力取决于惯性矩的大小，一般情况下，抗弯截面模量与截面高度h相关，所以尽量使得截面面积分布在远离中性轴的地方，才能尽可能地提高抗滑桩抗弯截面模量，从而获得更大的抗弯能力。

对于常用的矩形截面、圆形截面抗滑桩进行比较分析如下：

设两种截面的抗滑桩面积相同都为A，矩形截面的宽度为b、长度为h，圆形截面的直径为d，则两种现状的面积和惯性矩可分别如下表示：

再根据材料力学公式：

式中，M——横截面的弯矩；I——对中轴的惯性矩；W——抗滑桩抗弯截面系数。当假定桩体σmax截面最大应力相等时：

以常用的面积2 m×3 m的矩形抗滑桩为例，在相同面积的情况下，圆形的直径为2.8 m，分别计算抗弯截面系数结果如下：

由表2可知，在相同截面面积的情况下，矩形抗滑桩相比较于圆形抗滑桩增加的抗弯能力基本和自身的截面高宽比相近，但在设计时不能片面追求抗弯截面系数而采用很大的高宽比，这样会造成桩体截面高宽比过大失稳，所以规范中给出1.5～1.8为适宜。另一方面可见，圆形抗滑桩的抗弯受力性能只有矩形桩的63%～70%左右，再加上配筋时圆形截面很难将受拉钢筋都分布在远离中性轴侧，实际抗弯能力会更低。

1.2 土拱效应

在滑坡推力的作用下，桩间岩土体和桩后岩土体由于不均匀变形的存在，出现了应力重分布，从而导致了应力从岩土体向抗滑桩的转移，这种现象就叫做土拱效应。圆形抗滑桩由于迎土弧面棱角性差，在滑坡体向前移动时，土体发生绕桩移动的现象，较难形成具有较大承载力的土拱，导致下滑力不能转化为有效的滑坡推力[2]（如图1所示）。

而矩形抗滑桩由于棱角性强，整个迎土面都可以参与形成承压拱脚，土体不易发生绕流，桩间土体不能移动，从而被挤压上鼓，拱高更高，拱脚处的土体强度更高，相较于圆形抗滑桩可以将更多的滑坡推力转化至抗滑桩上。同时随着桩间土体位移增大，端承土拱效应破坏而转为摩擦土拱受力时，圆形抗滑桩只能沿着桩侧滑动很短的距离，其拱跨一旦超过桩间净距，就会彻底失效，所以矩形抗滑桩可以更为有效地抵抗滑坡推力（如图2所示）。

土拱效应的形成主要和桩间距大小、接触面形状、岩土体性质和岩土体蠕变等因素有关[3]。桩间距是影响土拱效应最主要的因素。圆形抗滑桩本身土拱效应较差，为能够更好地抵抗滑坡推力，需要采用较小的桩间距，增加了抗滑桩数量，经济效益降低。桩间土容易挤出也是很重要的因素，所以目前圆桩抗滑效果还没有得到业界的统一认可，难以形成土拱效应，但在某些工况下采用抗滑桩结合挡板设计，可以一定程度上解决圆形抗滑桩土拱效应不足的问题。

1.3 配筋计算

规范中对于矩形抗滑桩受弯正截面承载力公式如下：

规范中对于圆形抗滑桩有均匀配筋和非均匀配筋两种形式，其中非均匀配筋正截面承载力计算公式如下：

式中，α1——混凝土强度系数（不超过C50时取1）；As、——分别为受拉区、受压区纵向钢筋截面积（m2）；h0——截面有效高度（m）；x——混凝土受压区高度（m）；fy、——分别为钢筋抗拉强度设计值和抗压强度标准值（kN·m?2）；fc——混凝土轴心抗压强度设计值（kN·m?2）；as——纵向受拉钢筋布置范围圆心角和2π的比值；——纵向受压钢筋布置范围圆心角和2π的比值。

对于矩形抗滑樁，可以将主要的钢筋布置在受拉区一侧，受压区按照构造配筋，充分利用钢筋的抗拉和混凝土的抗压性能，而圆形抗滑桩若采用均匀配筋，在受压区或者靠近中心轴的钢筋都不能有效地发挥钢筋的受拉性能，只有as受拉区才能充分发挥钢筋受拉性能。圆形抗滑桩钢筋受拉区范围常用取值为120°，受拉钢筋分布范围较少、平均受拉钢筋合力点至中性轴距离较矩形抗滑桩更近，力臂短，提供的抗弯能力更差，为了满足受力要求，势必需要增大桩径，增配更多钢筋，造成工程造价的提高（如图3所示）。

计算简图对比

2 工程分析

2.1 工程概况

某高速公路桩号ZK79+240～ZK79+324段路基东侧山体，现状地形起伏较大，边坡坡率15～23°，场地高程40～100 m，属于浙西北中山地貌单元。根据详勘结果（如图4所示），该区域地质条件主要指标如下：⑥1层含角砾粉质黏土、⑨1层粉质黏土、⑨2层含黏性土碎石、⑨3层黏土、层中风化白云质灰岩。土层分布及材料参数见表3：

2.2 滑坡边坡基本特征

根据钻探资料及现场调绘资料分析，推测坡积体范围线，滑坡面积为3 765 m2。该边坡下部岩石较坚硬，现山坡覆盖层厚度3.4～9.5 m，由于山体较陡，在诱发因素具备的条件下将会向西侧移动，经分析该边坡仅有可能产生浅层滑动。按照上部土体完全滑动考虑（最不利条件所发生的极限状态），根据横断面计算，该断面坡积体面积1 191.70 m2，两翼面积按照附近钻孔揭示厚度计算（左侧为3.4 m，右侧为3.5 m），坡积体宽度47.80 m，则整个崩塌危岩体体积为52 586 m?（如图5所示）。

2.3 滑坡分析稳定性计算

该段滑面位于坡积体较陡上部，按非正常工况Ⅰ下边坡稳定系数Fs=1.20进行验算，坡脚部位仍约有789 kN/m下滑推力。该段剩余下滑力较大，基岩面埋深总体较浅、滑体宽度较窄，考虑采用抗滑桩方案。综合施工安全性影响，采用2 m圆形抗滑桩，按梅花形布置，桩间距4.5 m，桩长15～20 m（如图6所示）。

上部坡积体设置抗滑桩后非正常工况Ⅰ土体饱和状态时，边坡最不利滑动面总下滑力等于1 378.8 kN，抗滑力等于1 668.4 kN，边坡稳定系数Fs为1.21，满足规范要求。

2.4 配筋设计

该设计的滑坡方向明确，采用非均匀配筋，受力更为合理，节约造价，利用岩土理正软件计算，非均匀配筋受拉区范围取为常用的120°，受压区90°，其他位置为构造配筋（如图7所示）。

对于主滑面受拉区配置直径32 mm的钢筋，采用内箍加筋的方式，3根一束，共11束33根，两侧20 m范围，滑坡推力较小的地方采用2根一束的正常配筋方式；受压区配置直径32 mm的钢筋2根一束，共14根；中間构造钢筋采用直径28 mm的钢筋。和矩形抗滑桩不同，圆形抗滑桩在受压侧也会配置较多的钢筋，是为了充分利用受压区钢筋的抗压作用，减少受压区截面高度，从而减少受拉区配筋面积[4]。

3 结语

圆形抗滑桩在应急抢险的滑坡治理中，相较于矩形抗滑桩有着更为广泛的作用。传统的矩形抗滑桩由于需要采用人工挖孔，施工速度慢，工期长，易发生安全事故，危害人身安全[5]。若地下水丰富，采用人工挖孔需要井点降水，一方面影响工期进度，另一方面引发的流土危害也有较大安全隐患，而采用圆形抗滑桩机械成孔的泥浆护壁，就很好地阻绝了渗流路径，平衡了水压差，有较大的临界水力比，相对更加安全可靠。

所以圆桩的优点主要表现为机械成孔的效率及安全性，而矩形抗滑桩的优点表现为刚度大、抗弯能力强，可承受较大的滑坡推力，未来可以考虑在设计及施工工法上优化，采用多次机械成孔的方式，组合成符合有效利用材料的异形桩（相同面积比下有着较大的弯矩抵抗距），不但能发挥机械施工的长处，也能有效地发挥截面受力性能的优点。

参考文献

[1]李德宏， 张学， 魏少伟. 圆形锚索抗滑桩在滑坡治理中的应用[J]. 铁道建筑， 2018（1）： 125-127.

[2]司光武. 矩形与圆形截面抗滑桩离心模型试验及颗粒流数值模拟研究[D].  成都：西南交通大学， 2017： 42-45.

[3]熊良宵， 李天斌. 土拱效应在抗滑桩工程中的应用[J]. 防灾减灾工程学报， 2004（3）： 275-277.

[4]欧阳秋焱. 圆形抗滑桩在某高速公路滑坡治理中的应用[J]. 交通科技， 2014（4）： 94-95.

[5]张秀宝. 双排抗滑圆桩在某高速公路滑坡治理中的应用[J].  黑龙江交通科技， 2017（7）： 18-19.