單、雙排抗滑樁在滑坡治理中的對(duì)比分析

祁 斌 常 波

(1.新疆煤田地質(zhì)局156隊(duì),烏魯木齊 830009;2.中國(guó)地質(zhì)大學(xué)工程學(xué)院,武漢 430074)

作為一種有效的工程措施,抗滑樁在邊坡加固工程、滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治中得到了廣泛應(yīng)用并取得了很好的效果.在目前的工程實(shí)踐中,單排抗滑樁應(yīng)用最廣泛、研究最深入.但是,對(duì)于大型滑坡而言,普通單排抗滑樁可能需采用過(guò)大的樁截面,而且經(jīng)常無(wú)法滿(mǎn)足抗滑力的要求,此時(shí),雙排抗滑樁因能提供更大的抗滑力從而解決了單排樁抗滑力不足的問(wèn)題.雙排抗滑樁在實(shí)際滑坡抗滑工程中已有應(yīng)用,如三峽庫(kù)區(qū)巴東縣紅石包滑坡、杭金衢高速公路K103滑坡、東深供水改造工程K13滑坡等.但由于雙排樁受力復(fù)雜,滑坡推力如何分配、不同排樁之間的相互影響等問(wèn)題,國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界還沒(méi)有較系統(tǒng)的相關(guān)研究.

在基于傳遞系數(shù)法算出滑坡穩(wěn)定性和剩余下滑力的基礎(chǔ)上,對(duì)于單、雙排抗滑樁的樁前滑坡推力和樁后土體抗力的分布形式以及單樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法,在相同的工程地質(zhì)條件下都相同.以滑坡推力較大的三峽庫(kù)區(qū)紅石包滑坡為例,以矩形截面樁為基礎(chǔ),按懸臂樁法主要從樁土作用計(jì)算模型、抗滑樁設(shè)計(jì)及工程材料用量方面對(duì)單、雙排樁進(jìn)行對(duì)比分析.

1 土拱作用計(jì)算模型對(duì)比分析

單排抗滑樁土拱效應(yīng)研究主要是為了確定抗滑樁樁間距.單排抗滑樁土拱作用常用的研究方法有樁后土拱作用法和樁間土拱作用法.其計(jì)算模型可簡(jiǎn)化[1]如圖1～2所示.

文獻(xiàn)[2]在綜合分析研究樁后土拱模型和樁間土拱模型后,提出了聯(lián)合土拱計(jì)算模型及樁間距的確定方法.單排樁聯(lián)合土拱模型簡(jiǎn)圖如圖3所示.

圖3 單排樁聯(lián)合土拱模型簡(jiǎn)圖

如果把單排樁土拱計(jì)算模型理解為線模型,那么,雙排樁土拱計(jì)算模型則可理解為面模型.單排樁土拱計(jì)算模型僅討論了單排樁及其樁間或樁后巖土體之間的相互作用,雙排樁土拱計(jì)算模型把雙排樁之間的巖土體也納入到了研究體系之中,使之與雙排樁樁體構(gòu)成面模型整體.其分析計(jì)算較之單排樁有相似但復(fù)雜得多.其模型簡(jiǎn)圖如圖4所示.

各種計(jì)算模型下樁間距的計(jì)算公式推導(dǎo)在此不詳述.

圖4 雙排樁聯(lián)合土拱模型簡(jiǎn)圖

2 單、雙排樁抗滑樁設(shè)計(jì)對(duì)比分析

單排樁治理滑坡,在計(jì)算得出設(shè)樁位置處剩余下滑力和樁前土體抗力大小、分析確定剩余下滑力和樁前土體抗力的分布形式之后,直接根據(jù)有關(guān)規(guī)范和計(jì)算方法設(shè)計(jì)計(jì)算抗滑樁樁間距、嵌固段長(zhǎng)度和樁截面尺寸,過(guò)程相對(duì)簡(jiǎn)單、直接.而采用雙排樁治理滑坡,則顯然涉及滑坡推力的傳遞分配問(wèn)題.雙排樁排距、前、后排樁截面尺寸都影響著滑坡推力在雙排樁之間的傳遞分配.計(jì)算滑坡推力在雙排樁之間的傳遞分配的方法有土拱效應(yīng)分析法、結(jié)構(gòu)力學(xué)位移分析法、有限元法等.文獻(xiàn)[3]基于結(jié)構(gòu)力學(xué)位移法和變形協(xié)調(diào)方程得出了滑坡推力按矩形分布時(shí),滑坡推力在雙排樁之間的傳遞分配計(jì)算公式[4].其計(jì)算模型如圖5所示.

圖5 雙排抗滑樁的計(jì)算模型

其中

式中,P為滑坡推力;A1、A2為前后排樁之間的相互作用力(即所謂的前后排樁“分擔(dān)”的滑坡推力);h為懸臂段長(zhǎng)度;L為樁間距(垂直于滑動(dòng)方向的);h1、h3為前、后排樁橫截面的高度;h2=b為樁間土沿主滑方向的寬度;b1、b2為前、后排樁截面寬度;μ為材料泊松比;i=1、2、3分別為代表前排樁、樁間土、后排樁的角標(biāo).為便于分析,假定前排樁樁前被動(dòng)土壓力為0.

(1)排距對(duì)雙排樁推力分配的影響.設(shè)抗滑樁懸臂段的長(zhǎng)度為27 m,前、后排樁橫截面尺寸相同,均為3m×3m,同排樁樁間距L=6m,抗滑樁彈性模量E=2.8×104MPa,泊松比為μ=0.20.土的彈性模量E=20MPa,泊松比為μ=0.35.由式(1)、(2),可得到不同排距b(前后排樁樁凈距)時(shí)樁-土作用力 A1、A2的大小,計(jì)算結(jié)果如圖6所示.

圖6 推力分配與凈排距b的關(guān)系

(2)樁間土彈性模量對(duì)推力分配的影響.設(shè)前后排樁的截面尺寸相同,均為3 m×3m,排距為16 m.其他參數(shù)與前相同.可求出不同樁間土彈性模量時(shí)推力分配比例,計(jì)算結(jié)果如圖7所示.

圖7 推力分配與樁間土彈性模量的關(guān)系

(3)前、后排樁截面高度對(duì)推力分配的影響.設(shè)懸臂段長(zhǎng)度27m,前后排樁的排距為16m,樁、土的材料參數(shù)與前相同.以前后排樁的截面尺寸3 m×3 m為基準(zhǔn),分別改變前后排樁截面的寬度和高度,可得出不同截面尺寸組合時(shí)推力分配比例情況.如圖8～9所示.

3 三峽庫(kù)區(qū)紅石包滑坡工程地質(zhì)條件

紅石包滑坡區(qū)北起長(zhǎng)江邊萬(wàn)戶(hù)沱(高程70 m)、南至風(fēng)包巖(高程270m),東為涼水溪溝、西為白巖溝,南北長(zhǎng)約600m,東西寬約500m;厚度變化較大,平均約為25～35m;潛在滑移軟弱帶以上的巖(土)體體積為1760m3,斜坡平均坡度約25°.紅石包滑坡穩(wěn)定性計(jì)算基本參數(shù)見(jiàn)表1.地形地貌為多級(jí)擋土墻和平臺(tái)的臺(tái)階式地貌.沿江公路在滑坡中前部穿過(guò),沿江公路以下臨長(zhǎng)江側(cè)岸坡較陡,多為崩坡積層覆蓋,在下部出露基巖[5].

表1 紅石包滑坡穩(wěn)定性計(jì)算基本參數(shù)

紅石包滑坡深部(潛在)滑移軟弱帶關(guān)系到該段庫(kù)岸穩(wěn)定及滑坡治理的設(shè)計(jì)與施工方案的制定,其穩(wěn)定性計(jì)算剖面如圖10所示.因此,深部潛在滑移軟弱帶以上的滑坡體成為治理設(shè)計(jì)的主要對(duì)象.

圖10 穩(wěn)定性計(jì)算剖面條分圖

采用傳遞系數(shù)法計(jì)算紅石包滑坡穩(wěn)定性和剩余滑坡推力,得出在工況為175m庫(kù)水位+飽和地下水(暴雨)+地震烈度Ⅵ度時(shí),滑坡穩(wěn)定性系數(shù)為0.86,合理設(shè)樁處的剩余下滑力為6000kN/m.因剩余下滑力較大,故選用雙排懸臂抗滑樁對(duì)滑坡進(jìn)行治理設(shè)計(jì)計(jì)算.

4 單、雙排樁經(jīng)濟(jì)方面的比較

(1)單排樁設(shè)計(jì)結(jié)果

抗滑樁截面尺寸為3m×5 m.樁長(zhǎng)45 m,受荷段長(zhǎng)27m,錨固段長(zhǎng)18m.樁間距L=6m.采用K法按彈性樁進(jìn)行設(shè)計(jì).樁底邊界按絞支端考慮.抗滑樁內(nèi)力結(jié)算結(jié)果如下:最大彎矩:Mmax=398823.4 kN?m;最大剪力:Qmax=43452.8kN;最大側(cè)應(yīng)力:σmax= 2228.7kPa.

(2)雙排樁設(shè)計(jì)結(jié)果

后排樁的截面尺寸采用3m×3m;前排樁的截面尺寸采用2.5m×3m.樁底均按絞支端考慮.雙排樁排拒b=16m.前后排樁間距均按6m計(jì)算.由式(1)、(2)可得:A1=1 437 kN/m,A2=2707kN/m.以此進(jìn)行單樁設(shè)計(jì):后排樁樁長(zhǎng)41m,受荷段27 m,嵌固段14m,M后max=194 839.5 kN?m,Q后max=25 570.7 kN,σ后max=1699.4kPa;前排樁樁長(zhǎng)39 m,受荷段29 m,嵌固段10 m,M前max=126389.6 kN?m,Q前max= 22922.1kN,σ前max=1726.6kPa.

根據(jù)前面算出的雙排樁和單排樁的樁身內(nèi)力結(jié)果進(jìn)行配筋計(jì)算.可算得:單排樁方案時(shí),單根樁的C25混凝土用量為675m3,縱向鋼筋HRB335用量為8.2m3,箍筋HPB235用量為2.7m3.雙排樁方案時(shí),前排樁的C25混凝土用量為 292.5 m3,縱向鋼筋HRB335用量為2.8 m3,箍筋HPB235用量為1.0 m3;后排樁的C25混凝土用量為369m3,縱向鋼筋HRB335用量為4.2 m3,箍筋HPB235用量為1.3 m3.

表2 兩種設(shè)計(jì)方案的工程材料用量表

上述結(jié)果表明,當(dāng)滑坡推力較大時(shí),采用雙排抗滑樁較單排抗滑樁更為經(jīng)濟(jì).

5 結(jié) 論

(1)滑坡推力較大時(shí),采用單排樁治理滑坡,采用的截面過(guò)大(3m×5m的樁截面尺寸在實(shí)際工程中很少采用),而采用雙排樁,則可以很好地解決這個(gè)問(wèn)題.

(2)相比單排抗滑樁治理滑坡,雙排樁充分利用了土拱效應(yīng),有主次地分擔(dān)了滑坡推力,為雙排抗滑樁單樁合理截面尺寸的設(shè)計(jì)提供了保障.

(3)雙排樁設(shè)計(jì)較單排樁設(shè)計(jì)更加復(fù)雜.雙排樁滑坡推力的分配受樁排距、前后排樁截面尺寸和樁間土彈性模量等因素的影響.

(4)紅石包滑坡單雙排樁的設(shè)計(jì)計(jì)算對(duì)比表明,當(dāng)滑坡推力較大時(shí),使用雙排抗滑樁治理滑坡更為經(jīng)濟(jì)合理.

[1] 姚成志,李 亮.基于土拱效應(yīng)的抗滑樁合理樁間距討論[J].路基工程,2006(6):72-74.

[2] 黃新文.多排抗滑樁的計(jì)算方法與工程應(yīng)用研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[3] 劉 鴻.雙排抗滑樁計(jì)算方法研究[D].成都:西南交通大學(xué),2007.

[4] 鐵道部第二勘測(cè)設(shè)計(jì)院,抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].北京:中國(guó)鐵道出版社,1983.

[5] 趙克全,張丁山.巴東油庫(kù)區(qū)紅石包滑坡地質(zhì)特征與整治[J].資源環(huán)境與工程,2004,18(3):46-49.