抗滑桩在路基边坡应急抢修施工中的应用技术

摘要：针对山区公路某路段路基边坡极易发生滑坡险情的地质概况，需要采用抗滑桩对路基边坡进行应急抢修。为了选择适宜的抗滑桩，对矩形抗滑桩和圆形抗滑桩进行受力分析对比、土拱效应比较和配筋计算，最终选择使用圆形抗滑桩进行该路段路基边坡的应急抢修治理，有效解决了该路段路基面临的滑坡问题。

关键词：抗滑桩；路基边坡；应急抢修；配筋

0 引言

抗滑桩作为一种支挡结构经常应用于公路路基滑坡治理中，由于处治效果好、布置灵活、适应性强等优点而被广泛应用。现阶段，在路基滑坡治理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。为此，本文结合工程实例对矩形抗滑桩和圆形抗滑桩进行多方面比较，对选择适合工程项目的抗滑桩治理方案具有重要意义。

1 工程概况

某山区公路桩号为ZK79+240～ZK79+324路段，其路基东侧山体地形起伏较大，边坡坡率为15～23°，场地高程为40～100m。根据地质勘察结果得知，该路段地质条件主要指标自上而下为1层含角砾粉质黏土、1层粉质黏土、2层含黏性土碎石、3层黏土。土层分布及其参数见表1。表1中：c为直剪（快剪）黏聚力；c1为饱和状态下的直剪（快剪）黏聚力；Φ为直剪（快剪）内摩擦角；Φ1为饱和状态下的直剪（快剪）内摩擦角。

根据钻探资料和现场测绘资料分析，该山区公路路基可滑坡面积为3765m2。该路基边坡下部岩石较坚硬，覆盖层厚度为3.4～9.5m。由于东侧路基边坡较陡，在强降雨等诱发因素的作用下，东侧边坡将会向西侧移动，极有可能产生边坡土体浅层滑坡。按照边坡上部土体完全滑移的最不利条件，计算其横断面坡积体面积为1191.70m2，两翼面积按照附近钻孔揭示厚度（左侧为3.4m，右侧为3.5m）计算，坡积体宽度为47.80m，则整个可崩塌土体的体积为52586m3。因此在雨季来临之前，需要采用抗滑桩对东侧边坡进行应急抢修。

2 抗滑桩选型

2.1 抗滑桩选型方法

桩体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相关，截面积分布在远离中心轴的部位，有利于提高抗滑桩抗弯截面模量，从而获得更大的抗弯能力。该路段可采用矩形截面抗滑桩或者圆形截面抗滑桩，而采用哪一种抗滑桩进行应急抢修，需根据《建筑地基基础设计规范（GB 50007—2011）》

（以下简称规范）并参考其受力情况来决定。

2.2 两种抗滑桩受力分析

2.2.1 两种截面的惯性矩

设矩形截面抗滑桩与圆形截面抗滑桩的截面积相同，则矩形截面抗滑桩tkC1AwJI2JXijWP5oKjVnoHs+GVKjJAtk4wNfozhiCU=的惯性矩计算公式为：

（1）

式（1）中：I矩形为矩形截面抗滑桩的惯性矩；b为矩形截面的宽度；h为矩形截面的高度。

圆形截面抗滑桩的惯性矩计算公式为：

（2）

式（2）中：I圆形为圆形截面抗滑桩的惯性矩；d为圆形截面抗滑桩的直径。

2.2.2 两种截面的最大应力

两种截面最大应力计算公式为：

（3）

式（3）中：σmax为两种截面最大应力；M为横截面的弯矩；W为抗弯截面系数。

2.2.3 抗弯截面系数

当设定矩形截面抗滑桩与圆形截面抗滑桩的桩体截面最大应力相等时，其抗弯截面系数计算公式如下：

（4）

式（4）中：W矩形为矩形截面抗弯截面系数；W矩形为圆形截面抗弯截面系数。

2.2.4 截面积相等且形状固定的抗弯截面系数

将矩形抗滑桩的截面积设为常用的b×h尺寸即2m×3m，则相同截面积的圆形抗滑桩的直径尺寸d为2.8m，分别计算其抗弯截面系数。截面积相等且形状固定的抗弯截面系数计算结果如表2所示。

由表2可知，面积相等的两种截面，其抗弯截面系数不同。2m×3m矩形抗滑桩截面抗弯能力比圆形抗滑桩增加了约50%。在矩形截面积b×h与圆形截面积πd2/4相等的条件下，将矩形截面积b×h代入公式（4），其计算结果可将公式（4）转变为公式（5）：

（5）

2.2.5 截面积相等而形状不同的抗弯截面系数

当矩形抗滑桩采用不同形状时，抗弯截面系数计算结果如表3所示。由表3可知，在相同截面积的情况下，矩形抗滑桩与圆形抗滑桩相比，增加的抗弯能力基本上与其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宽高比，这样会造成因桩体截面宽高比过大而失稳，应以规范中给出1.5～1.8为适宜。另一方面，圆形抗滑桩的抗弯受力性能只有矩形抗滑桩的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心轴侧，实际抗弯能力会更低一些。

2.3 两种抗滑桩土拱效应比较

2.3.1 圆形抗滑桩桩间土拱效应

在滑坡推力的作用下，由于桩间土体和桩后土体由于不均匀变形的存在，造成应力重新分布现象，从而导致应力从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，在滑坡体向其移动时，土体发生绕桩移动现象，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。圆形抗滑桩桩间土拱效应示意如图1所示。

2.3.2 矩形抗滑桩桩间土拱效应

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，从而被挤压向上鼓起，使得土拱更高、拱脚处的土体强度更强。与圆形抗滑桩相比，可以将更多的滑坡推力转化到抗滑桩上。同时随着桩间土体位移增多，土拱效应转变为摩擦土拱受力时，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。因此，矩形抗滑桩可以更为有效地抵抗滑坡推力。矩形抗滑桩桩间土拱效应示意如图2所示。

2.3.3 土拱效应比较结果

土拱效应的形成主要和桩间距大小、接触面形状、土体性质以及土体蠕变等因素有关。桩间距的大小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，由此增加了抗滑桩数量，经济效益降低。圆形抗滑桩的桩间土容易被挤出，难以形成土拱效应，目前其抗滑效果还没有得到业界的统一认可。但是在某些工况下采用抗滑桩结合挡板设计，可以在一定程度上解决圆形抗滑桩土拱效应不足的问题。

2.4 两种抗滑桩配筋

对于矩形抗滑桩，可以将主要的钢筋布置在受拉区一侧，受压区则按照构造配筋，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，只有纵向受拉区才能充分发挥钢筋受拉性能。圆形抗滑桩钢筋的受拉区范围常用取值为120°。受拉钢筋分布范围较窄，平均受拉钢筋合力点至中性轴的距离比矩形抗滑桩更近，力臂更短，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。

2.5 抗滑桩选用

综合以上的分析结果可知，矩形抗滑桩受力状况、土拱效应、配筋合理等方面比较具有优势。但是矩形抗滑桩需要采用人工挖孔进行桩基施工，其施工速度慢、工期长，易发生安全事故。特别是在地下水丰富的地段，采用人工挖孔之前需要实施井点降水，其施工周期更长、安全隐患更为突出。而采用圆形抗滑桩，可实施机械成孔，其施工效率高、成孔质量高、安全性能优，更适合边坡应急抢修施工。在采取有效措施克服其与矩形抗滑桩在受力状况、土拱效应、配筋等方面不足之后，完全可以用于该山区公路路基滑坡的应急抢修治理施工。因此决定通过优化设计，采用圆形抗滑桩。

3 圆形抗滑桩的设计

3.1 总体设计

该路段滑坡面位于坡积体较陡上部K79+270处，按非正常工况Ⅰ下边坡稳定系数Fs等于1.20进行验算，坡脚部位仍约有789kN/m下滑推力。该路段剩余下滑力较大，基岩面埋深总体较浅、滑体宽度较窄，考虑采用抗滑桩方案。综合施工进度和安全性考虑，采用直径2m的圆形抗滑桩，按梅花形布置，桩间距为4.5m，桩长在15～20m之间，如图3所示。上部坡积体设置圆形抗滑桩后，在非正常工况Ⅰ土体饱和状态时，边坡最不利滑动面总下滑力等于1378.8kN，抗滑力等于1668.4kN，边坡稳定系数Fs为1.21，满足规范要求。

3.2 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，且节约造价。利用岩土理正软件计算，非均匀配筋受拉区范围取常用的120°角，受压区取90°角，其他区域位置为构造配筋。受拉区配置直径为32mm的钢筋，采用内箍加筋的方式，3根为1束，共11束33根；受压区配置直径为32mm的钢筋，2根为1束，共7束14根；其他采用直径为28mm的钢筋。与矩形抗滑桩不同，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，减少受拉区截面承载力。圆形抗滑桩截面配筋如图4所示。

4 结束语

通过本文分析可知，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，其缺点主要是人工挖孔速度慢、工期长、易发生安全事故；圆形抗滑桩的优点主要表现为机械成孔效率高、质量好、施工过程安全可靠，其缺点主要是在刚度、抗弯能力强和承受的滑坡推力等方面不如矩形抗滑桩。因此在选择抗滑桩种类时，应结合工程施工的具体情况选择更为合适的抗滑桩，并通过扬长避短措施达到预期的抗滑桩施工效果。

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