抗滑樁的優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

【摘?要】本文主要研究抗滑樁與土相互作用的理論，樁間及樁后土拱效應(yīng)，在此基礎(chǔ)上考慮抗滑樁的設(shè)計(jì)參數(shù)樁間距、樁截面、錨固深度對抗滑樁的工作性能的影響，提出優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

【關(guān)鍵詞】抗滑樁;土拱效應(yīng);優(yōu)化設(shè)計(jì)

抗滑樁是利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動抗力來平衡滑坡推力。具有抗滑能力強(qiáng)、施工安全，地質(zhì)條件準(zhǔn)確等優(yōu)點(diǎn)，廣泛應(yīng)用于邊坡加固工程中。

1.樁與土的相互作用

研究抗滑樁根本在于它與滑坡體之間受力與變形的作用過程。從理論角度，目前抗滑樁研究主要有兩大類方法，一類是以抗滑樁與滑坡體的應(yīng)力分析為主的壓力法;另一類是以抗滑樁與滑坡體的位移分析為主的位移法。

目前，抗滑樁與巖土體的相互作用主要通過文克勒地基模型理論來確定，滑坡巖土體與抗滑樁的相互作用主要通過不均勻變形引起的的土拱效應(yīng)來實(shí)現(xiàn)。對于整體，土拱效應(yīng)就是通過調(diào)整內(nèi)部應(yīng)力分布把滑坡推力傳遞到抗滑樁上的現(xiàn)象。對于土體，土拱效應(yīng)實(shí)質(zhì)上是土體充分調(diào)動自身抗剪性能以抵抗滑坡推力的現(xiàn)象。抗滑樁樁后土拱效應(yīng)的研究：一是對土拱效應(yīng)形成機(jī)理和影響因素的研究;二是運(yùn)用結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，建立數(shù)學(xué)或數(shù)值模型，綜合分析整體穩(wěn)定性問題。

2.樁的設(shè)計(jì)參數(shù)的計(jì)算

2.1合理間距及其公式推導(dǎo)

（1）基本假定：樁間土拱為對稱于跨中的拋物線形，并且相鄰兩樁間的土拱主要形成于樁間后側(cè)坡體中;土拱自重不計(jì)，忽略土拱效應(yīng)由上而下逐漸減弱的情況，土拱問題近似簡化為沿樁長方向的平面應(yīng)變問題;樁后坡體壓力沿樁間均勻分布，并且以均勻分布的形式作用于土拱上。

（2）計(jì)算模型及樁間距的確定

常見抗滑樁的截面形狀有矩形、圓形等，這里以矩形截面抗滑樁分析后得到樁間凈距表達(dá)式：

在其他因素不變，樁間凈距與土體粘聚力、內(nèi)摩擦角應(yīng)成正比。因此，考慮到邊坡抗滑樁加固工程的可靠性，在實(shí)際應(yīng)用中可對式中土體粘聚力和內(nèi)摩擦角值進(jìn)行折減，計(jì)算得出的樁間凈距即為實(shí)際采用的樁間凈距。折減系數(shù)取值：

2.2 樁的截面

抗滑樁的截面形狀包括矩形和圓形，但考慮到樁的受力條件和施工方便，抗滑樁以采用正面一邊較短、側(cè)面一邊較長的矩形截面為好。尺寸大小根據(jù)下滑力大小、樁距以及錨固段的側(cè)壁容許壓應(yīng)力等因素綜合考慮。

2.3 樁的錨固深度

錨固深度是抗滑樁發(fā)揮抵抗滑體推力的賴以生存的前提和條件。當(dāng)錨固段地層為土層及嚴(yán)重風(fēng)化破碎巖層時(shí)，樁身對地層的側(cè)壓力應(yīng)符合下列條件：

式中：-樁身對地層的側(cè)壓應(yīng)力，kPa;-地層巖（土）的重度，kN/m3;

-地層巖（土）的內(nèi)摩擦角，°;-地層巖（土）粘聚力，kPa;-地面至計(jì)算點(diǎn)的深度，m。樁底可按自由支承處理，即令=0，=0。當(dāng)錨固段地層為比較完整的巖質(zhì)、半巖質(zhì)地層時(shí)，樁身對圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力應(yīng)符合下列條件：

式中：-樁身對圍巖的側(cè)壓應(yīng)力，kPa;-折減系數(shù)，根據(jù)巖層產(chǎn)狀的傾角大小，取0.5～1.0;-折減系數(shù)，根據(jù)巖層的破碎和軟化程度，取0.3～0.5;-圍巖巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度，kPa。樁底可按鉸支承情況處理，即令=0，=0。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，對于土層或軟質(zhì)巖層，錨固深度取l/3～1/2樁長比較合適，對于完整、較堅(jiān)硬的巖層可取1/4樁長。

3.抗滑樁優(yōu)化設(shè)計(jì)

在抗滑樁與滑坡體相互作用機(jī)理的基礎(chǔ)上，考慮工程安全和經(jīng)濟(jì)雙重標(biāo)準(zhǔn)要求，根據(jù)基于土拱效應(yīng)的樁間距計(jì)算模型確定抗滑樁間距，保證樁后土拱和樁間土拱共同分擔(dān)滑坡推力荷載，使抗滑樁發(fā)揮更好的抗滑效果。同時(shí)，要將抗滑樁的樁型參數(shù)與布設(shè)參數(shù)同時(shí)考慮，方可以實(shí)現(xiàn)抗滑樁優(yōu)化。

3.1單因素法

單因素法分為兩類：同時(shí)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和序貫試驗(yàn)設(shè)計(jì)。序貫試驗(yàn)設(shè)計(jì)要求分批進(jìn)行試驗(yàn)，后批試驗(yàn)需根據(jù)前批試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)一步優(yōu)化后序貫進(jìn)行，直到獲取最佳試驗(yàn)結(jié)果?，F(xiàn)就以一維黃金分割法的原理進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

黃金分割試驗(yàn)設(shè)計(jì)就是在預(yù)定試驗(yàn)范圍內(nèi)采用0.618黃金分割原理安排新試驗(yàn)點(diǎn)，直到找到最佳試驗(yàn)結(jié)果為止。黃金分割就是在特定范圍內(nèi)尋求黃金分割點(diǎn)（k）及對稱點(diǎn)（1-k）。涉及兩個(gè)層面：一是已知試驗(yàn)范圍內(nèi)的黃金分割點(diǎn)的尋求，二是新試驗(yàn)范圍的確定與進(jìn)一步尋優(yōu)。首先在試驗(yàn)范圍（a，b）內(nèi)，按照0.618黃金分割原理安排兩個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)x1、x2，然后根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果確定進(jìn)一步的試驗(yàn)范圍。如此不斷地進(jìn)行下去，直到找到最優(yōu)點(diǎn)為止。

3.2多因素法

單因素法是針對于其他因素固定的單因素分析的結(jié)果，根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)的性質(zhì)，可分為樁型參數(shù)和布設(shè)參數(shù)，前者主要指抗滑樁截面尺寸和錨固比，而后者主要指抗滑樁的樁間距。首先研究樁型參數(shù)對布設(shè)參數(shù)的影響，在基于土拱的最大樁凈距計(jì)算模型有抗滑樁截面高度，因此在確定最大或最小樁間距時(shí)是針對抗滑樁截面尺寸已經(jīng)確定的模型而言。其次研究抗滑樁布設(shè)參數(shù)對樁型參數(shù)的影響，例如在進(jìn)行抗滑樁截面尺寸和錨固比計(jì)算時(shí)，必須首先確定樁間距，根據(jù)樁間距和滑坡縱剖面單寬的推力確定單個(gè)抗滑樁所承受的滑坡推力。

綜合單因素法和樁型參數(shù)與布設(shè)參數(shù)之間的關(guān)系，根據(jù)不等樁間距布設(shè)原則，首先根據(jù)滑坡推力的大小給定初始樁間距，然后通過已知樁間距的前提下進(jìn)行抗滑樁截面尺寸和錨固比優(yōu)化，根據(jù)確定的截面尺寸和錨固比又反過來驗(yàn)算初始樁間距是否合適，如果不合適，將進(jìn)一步根據(jù)建立的抗滑樁最小樁間距模型和最大樁間距模型提出合理的樁間距，同時(shí)復(fù)核截面尺寸和錨固比。通過上述的循環(huán)迭代，可以根據(jù)對于抗滑樁樁間距模型的研究、截面尺寸優(yōu)化研究和錨固比研究的相關(guān)成果，為抗滑樁優(yōu)化提供了一個(gè)切實(shí)可行的綜合優(yōu)化方案。

4結(jié)論

根據(jù)抗滑樁與滑坡體相互作用機(jī)理。在進(jìn)行單樁工程投資優(yōu)化的同時(shí)，考慮抗滑樁樁排的平面綜合布設(shè)，根據(jù)提出的不等樁間距布設(shè)原則，進(jìn)一步使抗滑樁與滑坡體實(shí)現(xiàn)協(xié)同工作的最佳狀態(tài)，以實(shí)現(xiàn)工程安全和投資經(jīng)濟(jì)的雙重目標(biāo)。

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作者簡介：

劉偉（1989.11-今），男，漢族，四川內(nèi)江，碩士研究生，研究方向：巖土工程

（作者單位：1重慶市地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局208水文地質(zhì)工程地質(zhì)隊(duì);2重慶市地質(zhì)災(zāi)害防治工程勘查設(shè)計(jì)院）