樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁現(xiàn)場監(jiān)測與計(jì)算分析

鄒小兵

(中鐵十九局集團(tuán)有限公司 北京 100176)

1 引言

鐵路路基的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性是列車高速平穩(wěn)運(yùn)營的保障。在不良地質(zhì)，特別是跨越深厚軟弱土區(qū)域，需要采用特殊結(jié)構(gòu)進(jìn)行地基處理。樁板結(jié)構(gòu)作為一種下部基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，能夠改變荷載在地基結(jié)構(gòu)中的傳遞路徑，從而減小不良地質(zhì)條件對列車行駛安全舒適性的影響[1]。國內(nèi)工程實(shí)踐中，鄭西客專首次采用樁板結(jié)構(gòu)對深厚濕陷性黃土地基進(jìn)行處理，憑借其結(jié)構(gòu)優(yōu)越性，逐步成為處理深厚不良土地基的有力手段[2]。目前樁板結(jié)構(gòu)已廣泛應(yīng)用于高鐵、公路地基處理，長期監(jiān)測結(jié)果表明上部荷載能通過樁板結(jié)構(gòu)傳遞至更深的持力層，改善軟弱土受力狀態(tài)，且有效控制工后累計(jì)沉降[3]。隨著樁板結(jié)構(gòu)應(yīng)用效果得到不斷驗(yàn)證，一些工程將其作為采空區(qū)上方路基加固技術(shù)[4]以及隧道施工下穿鐵路線時的路基保障技術(shù)[5]。為了解釋其作用機(jī)理進(jìn)而優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，文獻(xiàn)[6]通過建立有限元模型，提出通過縮小樁體間距、按三角形布樁以及增大板厚等方式，減小板中最大主應(yīng)力并降低路面不均勻沉降。

抗滑樁是一種穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動力，起穩(wěn)定邊坡的作用，是一種處理滑坡問題的可靠手段。國外早在1975年便開展了將其用于邊坡的理論研究，并提出塑性和塑性流動兩種理論[7]?；谶@些理論，文獻(xiàn)[8，9]提出了抗滑樁設(shè)計(jì)方法以及抗滑樁加固邊坡的安全系數(shù)計(jì)算方法。在國內(nèi)，特別是西部山區(qū)，抗滑樁也得到了廣泛的應(yīng)用[10]。文獻(xiàn)[11]通過強(qiáng)度折減法進(jìn)行抗滑樁加固前后高陡邊坡穩(wěn)定性研究，結(jié)果表明，加固后滑移帶向巖土體深處轉(zhuǎn)移，邊坡最大位移降低且安全系數(shù)顯著提高。然而，由于山區(qū)地形崎嶇、地質(zhì)條件復(fù)雜，工程實(shí)踐中通常采用現(xiàn)場監(jiān)測手段對其受力變形進(jìn)行評價[12－15]?，F(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)不僅能夠真實(shí)反映出樁體工作性狀，而且為抗滑樁的研究提供可靠數(shù)據(jù)支撐。

隨著工程建設(shè)不斷向山區(qū)推進(jìn)，降雨引發(fā)滑坡頻繁發(fā)生，樁板結(jié)構(gòu)難以在樁周土體發(fā)生滑移時仍保持較好的工作狀態(tài)。因此，本文提出采用樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁對上述問題進(jìn)行處理。為進(jìn)一步分析樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁工作機(jī)理并優(yōu)化設(shè)計(jì)參數(shù)，本文對組合結(jié)構(gòu)加固滑坡體進(jìn)行現(xiàn)場監(jiān)測，基于現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)，建立簡化的數(shù)值計(jì)算和理論計(jì)算模型分析抗滑樁參數(shù)及樁板結(jié)構(gòu)－抗滑樁空間布置參數(shù)對其協(xié)同作用的影響。

2 項(xiàng)目概況

本監(jiān)測試驗(yàn)工點(diǎn)選在新建高速鐵路云桂線昆明至南寧段正線宜良－昆明區(qū)間滑坡處。該段溝谷發(fā)育，地形起伏較大，局部黏土含量大，常年有水。地下水有土層空隙潛水，少量基巖裂隙水，自然坡度一般為10°～35°，局部山坡陡峻?；缕鹩櫪锍虨镈2K700＋280～D2K700＋360，總厚度6～20 m，與線路方向基本正交。目前滑坡體上未見變形跡象，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。線路通過滑坡中下部，施工開挖減載后，后部將形成臨空面，滑坡可能復(fù)活而產(chǎn)生新的滑動，滑坡體對工程影響大。

監(jiān)測試驗(yàn)針對滑坡段采用抗滑樁加固后設(shè)置樁板結(jié)構(gòu)路基，正線路基采用樁板結(jié)構(gòu)處理地基，滑坡段設(shè)置抗滑樁，試驗(yàn)監(jiān)測斷面選擇在D2K700＋300處，如圖1所示。監(jiān)測對象為后排抗滑樁(樁長16 m)。

圖1 現(xiàn)場監(jiān)測斷面

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)研各部分材料參數(shù)見表1。

表1 材料參數(shù)

3 樁板結(jié)構(gòu)簡化計(jì)算方法

樁板結(jié)構(gòu)在滑面以上部分采用結(jié)構(gòu)力學(xué)中“位移法”求解:

式中:[F]為節(jié)點(diǎn)力(N)；[K]為剛度矩陣(N/m)；[δ]為位移矩陣(m)。

滑面以下樁基計(jì)算按單樁考慮，其受力如圖2所示。

圖2 錨固段受力簡圖

采用“m”法求解錨固段內(nèi)力及變形，樁體變形系數(shù)為α。

式中:mH為地基系數(shù)隨深度增加的比例系數(shù)(kPa/m2)；βp為樁的計(jì)算寬度(m)。

錨固段樁的撓曲方程為:

式中:y為深度(m)；x為樁體水平位移(m)。

4 現(xiàn)場監(jiān)測與數(shù)值模型結(jié)果對比

本監(jiān)測試驗(yàn)采用TGCX-1-100型滑動式水平位移計(jì)(測斜儀)，為以伺服加速度計(jì)為敏感元件的滑動式測斜儀。數(shù)值模擬參照圖1及表1進(jìn)行建模，模型中各部件主要包括滑床、滑帶、滑體、抗滑樁、樁板結(jié)構(gòu)及軌道板，其中滑床、滑帶、滑體采用Mohr-Coulomb模型描述，其余采用各向同性彈性模型描述。

圖3為現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)與計(jì)算結(jié)果對比曲線，圖中紅色曲線為后排抗滑樁監(jiān)測結(jié)果，距樁頂6 m范圍內(nèi)產(chǎn)生比較明顯的位移變化趨勢，水平位移從下向上逐漸增大，方向指向坡腳外側(cè)。黑色曲線為數(shù)值模擬計(jì)算結(jié)果，后排抗滑樁水平變形與現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)趨勢相同，水平變形在距離樁12 m位置處，即滑帶附近出現(xiàn)急劇變化。

圖3 抗滑樁水平變形計(jì)算與現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果對比

5 樁板結(jié)構(gòu)－抗滑樁相對位置研究

由于現(xiàn)場條件限制，有關(guān)樁板結(jié)構(gòu)滑坡體受力、位移響應(yīng)尚未測得。因此，基于驗(yàn)證后的建模思路，建立簡化的樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁模型，進(jìn)一步分析兩者不同相對空間位置下的受力變形特性，為后續(xù)相關(guān)工程提供理論指導(dǎo)和科學(xué)依據(jù)。

5.1 數(shù)值模型建立

建立如圖4所示的抗滑段滑坡樁板結(jié)構(gòu)簡化模型，抗滑樁分別位于樁板結(jié)構(gòu)后方(見圖4a)和樁板結(jié)構(gòu)前方(見圖4b)；采用矩形樁(3×2 m)，樁長20 m，樁間距6 m；抗滑樁與樁板結(jié)構(gòu)間距均為8 m，樁板結(jié)構(gòu)路基基樁采用圓形樁，樁徑為1 m，樁長20 m，樁間距9 m；邊坡長度和縱向深度分別為110 m和9 m，基樁和抗滑樁所在滑動面傾角為28°，各部件材料參數(shù)選取見表1。

圖4 數(shù)值模型示意

5.2 數(shù)值結(jié)果分析

圖5a為抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)后時，基樁和抗滑樁水平變形沿樁身的分布情況。對于基樁而言，水平位移在樁頂位置處最大，且由于在樁頂板與樁之間的剛性連接，內(nèi)外基樁水平變形基本一致，在樁頂4 m深度以下范圍內(nèi)迅速減少。內(nèi)基樁沿深度衰減較快，水平位移略小于外基樁，兩者水平位移差在中部最大，隨后差異減小，進(jìn)入錨固段后水平位移基本為零。對于抗滑樁而言，變形最大值同樣出現(xiàn)在樁頂位置，沿深度方向基本呈線性衰減，其變形最大值約為基樁的1.3倍。

圖5 抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)后位移及彎矩情況

圖5b為抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)后時，基樁和抗滑樁彎矩沿樁身分布情況?？梢?，內(nèi)基樁和外基樁彎矩沿深度分布形式基本一致，基樁彎矩在樁身8 m以上時變化不大。樁身8 m以下段，彎矩沿樁身逐漸減少，并沿反向迅速增大，并在滑動面達(dá)到樁身彎矩極值。隨著埋深繼續(xù)增加，樁身彎矩迅速減小，在樁底彎矩近似為零。對于抗滑樁彎矩而言，在樁頂基本為零，沿樁身逐漸增加，在滑面處達(dá)到最大值而后逐漸衰減至零。從量值上來看，抗滑樁的彎矩最大值遠(yuǎn)大于基樁的彎矩，如滑面處抗滑樁最大值約為1 100 kN˙m，內(nèi)基樁在滑面處的彎矩為140.6 kN˙m，說明抗滑樁提供了較大的抗力，分擔(dān)了滑體中下滑力，減小滑坡體對基樁的不利影響。

圖6a為抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)前時，基樁和抗滑樁水平變形沿樁身的分布情況。對基樁而言，水平位移沿樁身變化較設(shè)置前排抗滑樁相似，但其數(shù)值約為設(shè)置前排抗滑樁的1.5倍。對于抗滑樁而言，變形最大值同樣出現(xiàn)在樁頂位置，沿深度方向基本呈線性衰減，其值約為前排抗滑樁的1.2倍。

圖6 抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)前位移及彎矩情況

圖6b為抗滑樁位于樁板結(jié)構(gòu)前方時，基樁和抗滑樁彎矩沿樁身的分布。內(nèi)基樁和外基樁彎矩沿深度分布形式有一定的差異，基樁彎矩在樁身8 m以上時變化不大，樁身8 m以下時沿樁身逐漸減少，并沿反向迅速增大，并在滑動面達(dá)到樁身彎矩極值。隨著埋深繼續(xù)增加，樁身彎矩迅速減小，在樁底彎矩近似為零，且內(nèi)基樁承受彎矩大于外基樁。對于抗滑樁彎矩而言，在樁頂基本為零，沿樁身逐漸增加，在樁身8 m處達(dá)到極值，而后沿反向迅速增大，并在滑動面達(dá)到樁身彎矩極值而后逐漸衰減至零。

圖7為抗滑樁設(shè)置在后排與抗滑樁設(shè)置在前排內(nèi)基樁的受力與變形特性。選取基樁和抗滑樁間距為8 m進(jìn)行對比分析。由圖7可知，設(shè)置后排抗滑樁能夠大幅度地限制基樁的水平變形，并減小了基樁的內(nèi)力，如水平變形最大值從6.4 mm減少至3.68 mm，減少約42.5%；而設(shè)置前排抗滑樁時只減少了17.2%。由此可知，設(shè)置后排抗滑樁其效果明顯優(yōu)于設(shè)置前排抗滑樁。此外，針對同一工況，如無抗滑樁，基樁的變形、彎矩都將大幅增加。因此，在實(shí)際工程中為控制基樁的受力和變形應(yīng)優(yōu)先考慮設(shè)置后排抗滑樁[16－17]。

圖7 抗滑樁及其位置對內(nèi)基樁響應(yīng)影響

6 結(jié)論

本文綜合現(xiàn)場監(jiān)測數(shù)據(jù)并采用數(shù)值分析方法分析了樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁在山區(qū)巖堆、滑坡地形中的穩(wěn)定性，并探討了不同樁板結(jié)構(gòu)與抗滑樁相對位置下的組合結(jié)構(gòu)響應(yīng)，得出如下主要結(jié)論:

(1)樁板結(jié)構(gòu)組合抗滑樁能夠充分發(fā)揮兩者各自的優(yōu)勢，同時避免滑坡推力和深厚軟弱土地基對路基結(jié)構(gòu)的擾動；且抗滑樁自施工完成后便立刻開始發(fā)揮承擔(dān)滑坡推力的作用。

(2)設(shè)置抗滑樁能有效降低樁板結(jié)構(gòu)受力變形。將抗滑樁設(shè)置在樁板結(jié)構(gòu)后排優(yōu)于將其設(shè)置在前方。后排抗滑樁能夠更加充分地發(fā)揮承擔(dān)滑坡推力的作用，使得彎矩在樁板結(jié)構(gòu)內(nèi)外基樁上的分配更加合理，從而更好地控制樁板結(jié)構(gòu)變形。