抗滑樁加固路基邊坡穩(wěn)定性分析

(龍巖市興達(dá)交通工程設(shè)計(jì)有限公司，龍巖 364000)

抗滑樁加固路基邊坡穩(wěn)定性分析

■林珍揚(yáng)

(龍巖市興達(dá)交通工程設(shè)計(jì)有限公司，龍巖 364000)

針對路基邊坡變形破壞特點(diǎn)，從抗滑樁加固邊坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與施工出發(fā)，分析了工程上常用彈性樁的樁端內(nèi)力變化計(jì)算過程。結(jié)合工程算例，分析了抗滑樁加固邊坡的塑性分布特征，總結(jié)了邊坡破壞模式及其重點(diǎn)加固范圍，對抗滑樁加固邊坡的設(shè)計(jì)和施工提供借鑒。

路基工程 抗滑樁 穩(wěn)定性 內(nèi)力計(jì)算

1 引言

近年來隨著國家基礎(chǔ)建設(shè)力度的加大和中西部大規(guī)模發(fā)展，各等級公路、鐵路、地下交通的興建，邊坡防護(hù)與加固建設(shè)工程中所碰到的巖土邊坡工程穩(wěn)定問題也大大增多。而在工程邊坡施工及以后的運(yùn)營過程中，邊坡失穩(wěn)破壞現(xiàn)象頻頻發(fā)生，并且邊坡一旦滑移，其破壞后果是災(zāi)難性的，造成損失巨大[1]。

抗滑樁是近幾年來得到廣泛應(yīng)用的一種新型阻滑支擋加固構(gòu)筑物之一?？够瑯稇?yīng)置于滑面以下的結(jié)構(gòu)稱為錨固段，露于滑面以上的結(jié)構(gòu)稱為受力段。抗滑樁的結(jié)構(gòu)承受邊坡滑坡推力效應(yīng)，傳遞到滑面以下的錨固段,并在滑床的抗滑樁周圍地層產(chǎn)生反力嵌固樁身[2,3]。譬如抗滑樁的強(qiáng)度能夠承受哪些滑坡推力和反力，也能阻止樁背巖土體滑體的滑動，更有效地提高邊坡滑體的抗滑能力。

2 抗滑樁內(nèi)力計(jì)算

工程上常用彈性樁作為加固形式之一，主要設(shè)計(jì)與施工要素為：內(nèi)力和變形。實(shí)施過程中：在計(jì)算坡體滑動面以下的樁身內(nèi)力、位移和樁側(cè)向壓力時，通常需要確定樁的變形系數(shù)。

2.1 m法

該法是根據(jù)彈性地基上的連續(xù)梁在撓曲后的力學(xué)方程常用冪級數(shù)解答出的。地基梁撓曲方程為：

式中：P為地基巖土作用于抗滑樁的水平反力(kN/m3)。

假設(shè)樁作用在巖土上的水平應(yīng)力等于抗滑樁上計(jì)算點(diǎn)的水平位移x與計(jì)算點(diǎn)處的地基系數(shù)CH的乘積，即P=xCHBP,由于CH隨樁深度y呈正比關(guān)系，故

通過力學(xué)求解該組冪級數(shù)的方程式，得到抗滑滑動面以下樁結(jié)構(gòu)任一截面的四個物理參數(shù) (初始參數(shù)為抗滑樁起始端的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力四個物理量，即y=0時的x0、φ0、M0和Q0)解為：

側(cè)壓力：

式中：Ai、Bi、Ci、Di分別為樁身截面的換算深度，而不同的“m”法無量綱影響參數(shù)值(i=1,2,3,4)，具體見文獻(xiàn)[4]。

(1)當(dāng)抗滑樁底為固定端

xh=0,φh=0，但Mh≠0,Qh≠0將計(jì)算參數(shù)代入上式的前面兩式，聯(lián)立可求解。

將x0和φ0再代入上式，可獲得樁身任一截面處的內(nèi)力和變位。

(2)當(dāng)抗滑樁底為鉸支端

xh=0,Mh=0，但φh≠0,Qh≠0再不計(jì)樁底的彎矩影響。將計(jì)算參數(shù)代入上式的1，3式，聯(lián)立可求解。

將x0和φ0代入上式，可獲得樁身任一截面處的內(nèi)力和變位。

(3)當(dāng)抗滑樁底為自由端

Mh=0,Qh=0，但xh≠0,φh≠0。將計(jì)算參數(shù)代入上式后面兩式，聯(lián)立求解得。最后將x0和φ0代入上式，可求得樁身任一截面的內(nèi)力和變位。

2.2 K法

抗滑樁頂部受水平荷載，確定撓曲線力學(xué)微分方程為：

式中：xKHBP為地基材料作用在樁上的水平抗力。

通過力學(xué)求解，得到抗滑樁滑面以下任一位置的變位、側(cè)力和內(nèi)力的計(jì)算式：

側(cè)壓力：

式中：φ1，φ2，φ3，φ4為“K”法的影響參數(shù)值，見文獻(xiàn)[4]。

(1)當(dāng)抗滑樁底為固定端

xh=0,φh=0。將計(jì)算參數(shù)代入上式的前兩式，聯(lián)立可求解。

(2)當(dāng)抗滑樁底為鉸支端

xh=0,Mh=0,但φh≠0,Qh≠0，不計(jì)樁底彎矩的影響。將計(jì)算參數(shù)代入上式前兩式，聯(lián)立可求解：

(3)當(dāng)抗滑樁底為自由端

Mh=0,Qh=0,但xh≠0,φh≠0，將計(jì)算參數(shù)代入上式的后面兩式，聯(lián)立可求解。

綜述上述幾種邊界條件對應(yīng)的x0和φ0代入式(3)，可獲得滑動面以下抗滑樁身任一截面位置的變形和內(nèi)力。

3 算例分析

福建省內(nèi)某公路地處閩西重丘山區(qū)，地質(zhì)情況差異性大，坡面匯水范圍大，屬高填深挖巖土邊坡、巖石風(fēng)化導(dǎo)致邊坡滑坡成為了路基工程的關(guān)鍵技術(shù)。若邊坡防護(hù)加固不當(dāng)，不但浪費(fèi)防護(hù)加固投資，而且更能誘發(fā)滑坡，會造成嚴(yán)重交通阻塞，惡性事故發(fā)生。

本文以第七標(biāo)段為研究范圍，其重點(diǎn)邊坡巖土主要為頁巖，在工程地質(zhì)、節(jié)理斷裂、風(fēng)化和地表水、地下水內(nèi)外構(gòu)造力的作用下，各種巖土介質(zhì)在不同路段均造到不同程度的變形與破壞。文中以K123+300邊坡為算例進(jìn)行抗滑樁加固分析。

該邊坡巖土層厚6～30m。風(fēng)化后出現(xiàn)褐色和黃褐色。層理十分發(fā)育，韻律細(xì)，粘質(zhì)層和泥質(zhì)層互替發(fā)育，其分布厚度一般為1～3m，局部則達(dá)到0.2m。

巖體性脆，易破裂，一方面沿結(jié)構(gòu)面剝離，另一方面弱面發(fā)育。在裂隙面上，常伴有褐鐵薄膜。巖層產(chǎn)狀稍緩，產(chǎn)狀為320°∠22°，主要結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀為186°∠70°，其密度為24條/m。

抗滑樁加固模型采用位移邊界約束條件：邊坡體底部為固定邊界，左、右水平邊界采用水平位移約束，坡上表面為自由。本次計(jì)算的網(wǎng)格共劃分為2524個節(jié)點(diǎn)，6311個單元，為保證計(jì)算的準(zhǔn)確度，計(jì)算網(wǎng)格劃分如圖1所示。

圖1 網(wǎng)格劃分

為了節(jié)省篇幅，文中僅對抗滑樁加固的破壞模式和破壞范圍進(jìn)行了闡述，其應(yīng)力分布計(jì)算結(jié)果不再詳細(xì)列出，計(jì)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 塑性區(qū)分布

圖2是通過現(xiàn)代計(jì)算技術(shù)獲得的抗滑樁加固邊坡塑性區(qū)分布圖。根據(jù)塑性區(qū)的分布特征可以對加固的邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性判斷。工程上，往往是用塑性區(qū)是否貫通來控制計(jì)算的收斂性，當(dāng)計(jì)算收斂時，邊坡計(jì)算是穩(wěn)定的，當(dāng)計(jì)算未收斂時，邊坡出現(xiàn)不同程度的貫通塑性區(qū)存在，邊坡將失穩(wěn)。根據(jù)文中抗滑樁加固方案，當(dāng)形成從坡腳到坡頂貫通的塑性區(qū)時，意味著該邊坡出現(xiàn)潛在的滑動的可能性，若沒有形成貫通的塑性區(qū)則意味著邊坡暫時是穩(wěn)定的。在抗滑樁未加固情況下，邊坡呈現(xiàn)出從坡底到坡頂貫通的塑性區(qū)，該邊坡已出現(xiàn)了失穩(wěn)。在抗滑樁加固之后，塑性區(qū)分布有了明顯的改善，塑性區(qū)主要分在坡腳沿抗滑樁頂部的局部區(qū)域，在抗滑樁下部沿坡腳范圍塑性區(qū)比其他區(qū)域要大，這是該邊坡加固的重點(diǎn)范圍所在，一旦塑性區(qū)貫通，并沿第二級平臺發(fā)展，抗滑樁將失去加固效果。從圖2所示，抗滑樁已明顯的阻止了塑性區(qū)的進(jìn)一步擴(kuò)展，在抗滑樁后部，已無塑性區(qū)的貫通，且坡頂也沒有出現(xiàn)失穩(wěn)的塑性區(qū)，同時在邊坡深部已無塑性區(qū)的存在，表明該加固技術(shù)效果明顯，控制了邊坡滑動的可能性。

通過抗滑樁內(nèi)力計(jì)算，可以從圖2的塑性區(qū)分布圖得到抗滑樁加固塑性區(qū)的分布規(guī)律。在抗滑樁頂部出現(xiàn)微小的塑性區(qū)，沿樁身塑性區(qū)進(jìn)一步擴(kuò)展，在樁的頂端沿坡面出現(xiàn)了逐漸貫通的塑性區(qū)，呈現(xiàn)邊坡從坡頂沿坡腳的剪切破壞模式，因此，將抗滑樁設(shè)置在邊坡的中下部是減少災(zāi)害發(fā)生的關(guān)鍵位置所在。因此理論計(jì)算與工程實(shí)踐相吻合，這為抗滑樁加固的破壞模式和加固范圍提供的有益借鑒。

4 結(jié)論

在抗滑樁工程實(shí)踐中發(fā)現(xiàn)，抗滑樁樁側(cè)與巖土體的相互作用非常復(fù)雜，在抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算中如何考慮這一影響，值得研究。此外，對抗滑樁的設(shè)置位置、埋置深度、破壞形式等問題也需進(jìn)行詳細(xì)的研究。

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表8 不同瀝青混合料低溫性能試驗(yàn)結(jié)果

從表8和圖4可以看出：(1)未添加抗車轍劑或者湖瀝青的基質(zhì)瀝青混合料、加入湖瀝青的瀝青混合料和加入抗車轍劑的瀝青混合料低溫性能均滿足 《公路工程瀝青及瀝青混合料試驗(yàn)規(guī)程》(JTJ E20—2011)中1-4區(qū)低溫性能要求。，加入抗車轍劑或者湖瀝青后瀝青混合料低溫性能提高，說明抗車轍劑和湖瀝青均可以改善瀝青混合料的低溫性能。(2)加入湖瀝青混合料低溫性能＞加入抗車轍劑的混合料抗低溫性能＞未加抗車轍劑或者湖瀝青的混合料低溫性能，說明湖瀝青在改善混合料低溫性能方面比抗車轍劑更優(yōu)。

5 結(jié)論

通過對基質(zhì)瀝青混合料、摻加湖瀝青混合料和摻加抗車轍劑混合料進(jìn)行高溫、水穩(wěn)定性、低溫等方面路用性能研究可以發(fā)現(xiàn)：

(1)湖瀝青和抗車轍劑均能改善瀝青混合料的高溫、抗水損和低溫方面性能。

(2)在改善高溫性能方面抗車轍劑優(yōu)于湖瀝青，在低溫和抗水損害方面湖瀝青優(yōu)于抗車轍劑。

參考文獻(xiàn)

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