公路滑坡工程处治中椅式钢管钢筋混凝土复合桩力学特性分析

戈华

（湖南湘西土家族苗族自治州交通科学技术研究院，湖南 吉首 416000）

滑坡是三大突发性地质灾害之一，滑坡体物质一般呈结构松散、土体间黏聚力小、自稳能力弱的特点，在人工切削山体形成高陡的临空面或雨水大量渗入等不利环境因素条件作用下，易产生顺层或牵引式滑坡。对于公路滑坡，我国广大科研工作者和公路养护部门展开了相关的研究和治理工作。近年来，我国公路建设中的滑坡防治工作已经取得显著成果，钢筋混凝土抗滑桩、微型钢管桩等滑坡工程处治措施得到广泛应用，并形成许多可借鉴的成功经验。

近年来，国内学者对椅式桩展开研究和有益探索，杨德健等阐述了基于双排桩支护结构设计的基本理论、简化模型及内力计算方法，用ANSYS有限元软件建立平面应变模型，分析与研究双排桩支护结构，讨论前后排桩排距、桩身刚度等因素对围护结构侧向位移及桩身内力的影响；张礼财等采用有限元软件Abaqus建立陡坡路基段的椅式桩板三维模型并研究，椅式桩板整体结构具有较强的抗变形能力和整体协同性，能有效维持陡坡的稳定；贺斯顿等提出了椅式双排桩支护结构内力及变形分析的混合有限元法；杨雪莲等以成雅高速公路k1921+416处发生大型滑坡灾害，采用大直径旋挖钢管混凝土桩应急处治滑坡为例，通过三维有限元数值模拟优化钢管混凝土滑坡加固处治方案，并结合工后滑坡地表位移监测，验证了滑坡应急处治工程的有效性。但以上研究采用椅式钢管钢筋混凝土复合桩处治滑坡工程的文献相对较少，本文结合湖南湘西土家族苗族自治州泸溪能浦公路马入田滑坡处治工程成果案例，采用理正结构软件V8.5复合桩基水平承载设计模块计算分析门式抗滑桩结构桩基内力，分析研究椅式钢管钢筋混凝土复合桩的力学特性。

1 工程概况

泸溪县能滩至浦市公路为新建二级公路，其中k8+490～k8+630段（马入田路段）为挖路槽段，微地貌为一南东向的斜坡，边坡区物质组成及结构特征在垂直方向自上而下分布的地层有第四系残坡积粉质黏土、第四系崩坡积块石及中风化泥质粉砂岩，该段路基最大切深为17.89m，滑坡发生时该处切深为13.79m，还有4.1m没有挖到位。滑坡顶缘位置距路基中线21.9m，距未形成的开挖面有15.7m高差，形成了高1.3m～15.7m的路堑边坡，坡率1:1～1:0.5，右侧坡体上方出现了数条地表拉张裂缝，后缘规模最大的裂缝呈北西至北东向弧形展布，开口宽0.2m～2m，延长149m，可见深度为0.5m～1.5m，前后缘地面错落0.50m～4.00m。该滑坡属于中型牵引式土质滑坡，滑体土主要为块石，滑带土为块石层中的粉质黏土，滑床由块石及中风化泥质粉砂岩组成。

2 边坡支护方案分析

根据滑坡路段路堑边坡高度、坡率及边坡岩土工程特性，通过卸载、抗滑挡土墙、钢筋混凝土抗滑桩（单排桩）、椅式钢管钢筋混凝土复合抗滑桩（双排桩）4种方案处治滑坡，综合比较工程经济技术后发现，采用椅式钢管钢筋混凝土复合桩方案，具有很好的经济和社会效益。

用打拔桩锤等小型机械设备将钢管打入强风化岩层后，再利用钢管作护壁，挖除钢管内的土体后，施工嵌岩桩，解决了滑坡工程处治抗滑桩方案成孔施工中易垮孔、塌孔的问题，钢管钢筋混凝土复合抗滑桩施工对滑坡体扰动较小，能有效避免二次滑坡灾害或次生地质灾害的发生，减少财产和经济损失，提高了滑坡工程处治中抗滑桩施工的安全性。混凝土浇筑桩基时不拔除钢管，钢管与钢筋混凝土嵌岩桩组合成为钢管钢筋混凝土复合桩，可作为抗滑支挡工程的承力结构。

椅式桩位布局，前排桩和后排桩协同作用，在钢筋混凝土嵌岩桩施工前，钢管可作为劲性骨架承担施工阶段的施工荷载和结构重量，能充分发挥钢管的力学特性；在钢管混凝土复合桩形成前，双排钢管桩联合形成超静定刚架结构，有利于迅速稳定滑坡体。

3 椅式钢管钢筋混凝土复合桩的力学特性分析

3.1 参数取值

钢管桩径d=0.92m，壁厚10mm；钢筋混凝土嵌岩桩桩径d1=0.8m；横向桩间净距取1.5m，横向桩间距b=2.42m，横向桩外侧间总宽3.34m；纵向桩间距4m；混凝土强度，嵌岩桩采用C30混凝土，钢管内采用C30微膨胀混凝土；桩的嵌固端位置，桩端嵌入稳定岩层的深度不小于5倍桩直径；桩顶位移≤ql4/8EI；剩余下滑力725.767kN/m，β=20.376°。

3.2 数值分析模型

图1 椅式复合桩剖面图

考虑土体与抗滑桩的共同作用，将桩端弹性嵌固于稳定地层中；计算分析时，将结构分为前排桩（临空桩）、后排桩（靠边坡侧）、贯梁；将某一深度处最大弯矩作用值的作用点作为固定端梁的简化计算模型；将整个椅式桩位（门式刚架）作为悬臂梁；先确定土压力分布情况、嵌固端位置，再计算内力。

3.3 同等桩长工况前排桩与后排桩的力学特性

采用理正结构软件V8.5复合桩基水平承载设计模块，计算分析椅式抗滑桩结构桩基内力。

3.3.1 计算简图

桩号①为后排桩，桩号②为前排桩。

图2 椅式桩计算简图

3.3.2 内力计算结果简图

图3 内力计算结果简图

3.3.3 前排桩与后排桩的力学特性分析

（1）内力分析结果

（2）前排桩和后排桩的联合作用效应

从表1中可以看出，横向同一排两根抗滑桩承担的水平力不是平均分配，后排桩受水平力要大于前排桩。后排桩承担水平推力位65.5%，前排桩承担水平推力为34.5%。后排桩与前排桩承受水平力的比例为1.9∶1。桩顶位移理论值2.25mm＜ql4/8EI=106mm。

表1 抗滑桩内力分析结果

3.4 不同桩长工况前排桩与后排桩的力学特性

根据前排桩、后排桩桩长相同工况结构受力分析结果，后排桩比前排桩承受的轴力、剪力和水平力均要大，把后排桩桩长增加2m后再展开分析。

3.4.1 前、后排桩不同桩长抗滑桩内力分析

将已经计算得到的水平力、弯矩、竖向力，录入理正结构设计工具箱软件V8.5复合桩基水平承载设计数据录入界面中，计算分析结果如下。

3.4.2 前排桩与后排桩力学特性分析

如表2所示，后排桩承担水平推力的66%，前排桩承担水平推力的34%。后排桩与前排桩承受水平力的比例为1.94∶1。

表2 不同桩长抗滑桩内力分析结果

3.4.3 前排桩与后排桩不同桩长力学特性分析结论

通过改变桩长，将承受滑坡推力较大的后排桩桩长增长2m，即增加桩的嵌岩深度，通过计算分析和对比可知，后排桩比前排桩承受的滑坡推力要大，后排桩约承担65%左右，前排桩约承担35%左右。在后排桩的桩长增加2m时，后排桩所承受的桩身轴力、剪力减小，所承受的水平力增大，增大0.76%，前排桩所承受的水平力减小；后排桩与前排桩分担水平力的比例略有变化，但仍在2∶1的范围内。在一定嵌岩深度条件下，通过调整桩长、增加桩基嵌岩深度等措施，前后两排桩所承受的水平推力变化不显著。

4 结束语

椅式抗滑桩的桩位布局，钢管桩顶刚性连接且伸入冠梁，使得抗滑结构体系各构件共同承担滑坡推力等荷载，充分发挥各构件的最大效能。椅式钢管钢筋混凝土复合桩，后排桩比前排桩承受的滑坡推力要大，后排桩与前排桩分担水平力的比例约为2∶1。

斜坡地形的岩土质路基边坡，在前、后排桩的桩长相同工况下，后排桩嵌岩深度一般要大于前排桩。在一定嵌岩深度条件下，通过加长后排桩的桩长方式，前、后2排桩所承受的水平推力变化不显著。

桩顶的水平位移由前排桩与后排桩协同工作共同控制，因此前排桩与后排桩的抗弯刚度不宜相差太大，即桩截面形状、截面面积应一致。

鉴于公路边坡岩土体岩土特性的差异性与复杂性，椅式钢管钢筋混凝土复合桩在实际应用中，抗滑桩的桩径大小、基于土拱效应的桩纵向间距、基于协同工作的桩横向间距、桩的嵌岩深度等，需采用数值计算分析与成功经验相结合的方式，以确保边坡的稳定。