淺談圓形抗滑樁在滑坡治理工程中的應(yīng)用

周健

摘要 隨著滑坡治理工程的增多和機(jī)械化水平的提高，圓形截面抗滑樁因其成孔速度快、周期短、施工安全性高的優(yōu)勢(shì)逐步受到更多青睞，但依然存在一些問(wèn)題。文章針對(duì)圓形抗滑樁相較于傳統(tǒng)矩形抗滑樁對(duì)比分析，并結(jié)合工程實(shí)例，指出圓形抗滑樁設(shè)計(jì)應(yīng)用方面存在的問(wèn)題，提出改進(jìn)建議。

關(guān)鍵詞 圓形抗滑樁；矩形抗滑樁；對(duì)比分析

中圖分類號(hào) P642.22文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2023）10-0037-04

0 引言

長(zhǎng)期以來(lái)，抗滑樁作為一種支擋結(jié)構(gòu)經(jīng)常應(yīng)用于滑坡整治中，由于其處治效果好、布置靈活、適應(yīng)條件廣等多方面優(yōu)點(diǎn)而被廣泛使用?，F(xiàn)階段，我國(guó)在滑坡整治中多采用矩形抗滑樁，其理論計(jì)算和設(shè)計(jì)方法較為成熟，而對(duì)于圓形抗滑樁的研究較少[1]，且當(dāng)前抗滑樁設(shè)計(jì)相關(guān)規(guī)范對(duì)圓樁及矩形樁無(wú)明確區(qū)分，計(jì)算時(shí)基本將圓樁等效為矩形樁，筆者就受力分析、規(guī)范理論結(jié)合工程設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，就兩種設(shè)計(jì)樁型的區(qū)別聯(lián)系作簡(jiǎn)單論述。

抗滑樁自21世紀(jì)50年代在國(guó)內(nèi)應(yīng)用以來(lái)，先后經(jīng)歷了人工挖孔矩形抗滑樁、機(jī)械成孔圓形抗滑樁和機(jī)械成孔矩形抗滑樁三個(gè)主要階段。過(guò)去的人工挖孔矩形樁順應(yīng)了我國(guó)20世紀(jì)人力資源成本低且矩形截面受力性能更好的各方面需求，而隨著本世紀(jì)以來(lái)我國(guó)人工成本的提高、機(jī)械化工業(yè)的發(fā)展以及對(duì)安全生產(chǎn)要求的提高，機(jī)械成孔樁比例不斷提高，但現(xiàn)在的圓形截面樁抗彎能力卻不符合有效利用材料的原則。該文將分別從受力分析、土拱效應(yīng)、配筋計(jì)算等方面將圓形抗滑樁與傳統(tǒng)矩形抗滑樁比較分析。

1 兩種抗滑樁對(duì)比分析

1.1 受力分析

抗滑樁在滑坡推力的作用下，樁體表現(xiàn)為一側(cè)受拉、一側(cè)受壓，設(shè)計(jì)時(shí)主要對(duì)其抗剪能力和抗彎能力進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗(yàn)算。眾所周知，結(jié)構(gòu)的抗彎能力取決于慣性矩的大小，一般情況下，抗彎截面模量與截面高度h相關(guān)，所以盡量使得截面面積分布在遠(yuǎn)離中性軸的地方，才能盡可能地提高抗滑樁抗彎截面模量，從而獲得更大的抗彎能力。

對(duì)于常用的矩形截面、圓形截面抗滑樁進(jìn)行比較分析如下：

設(shè)兩種截面的抗滑樁面積相同都為A，矩形截面的寬度為b、長(zhǎng)度為h，圓形截面的直徑為d，則兩種現(xiàn)狀的面積和慣性矩可分別如下表示：

再根據(jù)材料力學(xué)公式：

式中，M——橫截面的彎矩；I——對(duì)中軸的慣性矩；W——抗滑樁抗彎截面系數(shù)。當(dāng)假定樁體σmax截面最大應(yīng)力相等時(shí)：

以常用的面積2 m×3 m的矩形抗滑樁為例，在相同面積的情況下，圓形的直徑為2.8 m，分別計(jì)算抗彎截面系數(shù)結(jié)果如下：

由表2可知，在相同截面面積的情況下，矩形抗滑樁相比較于圓形抗滑樁增加的抗彎能力基本和自身的截面高寬比相近，但在設(shè)計(jì)時(shí)不能片面追求抗彎截面系數(shù)而采用很大的高寬比，這樣會(huì)造成樁體截面高寬比過(guò)大失穩(wěn)，所以規(guī)范中給出1.5～1.8為適宜。另一方面可見(jiàn)，圓形抗滑樁的抗彎受力性能只有矩形樁的63%～70%左右，再加上配筋時(shí)圓形截面很難將受拉鋼筋都分布在遠(yuǎn)離中性軸側(cè)，實(shí)際抗彎能力會(huì)更低。

1.2 土拱效應(yīng)

在滑坡推力的作用下，樁間巖土體和樁后巖土體由于不均勻變形的存在，出現(xiàn)了應(yīng)力重分布，從而導(dǎo)致了應(yīng)力從巖土體向抗滑樁的轉(zhuǎn)移，這種現(xiàn)象就叫做土拱效應(yīng)。圓形抗滑樁由于迎土弧面棱角性差，在滑坡體向前移動(dòng)時(shí)，土體發(fā)生繞樁移動(dòng)的現(xiàn)象，較難形成具有較大承載力的土拱，導(dǎo)致下滑力不能轉(zhuǎn)化為有效的滑坡推力[2]（如圖1所示）。

而矩形抗滑樁由于棱角性強(qiáng)，整個(gè)迎土面都可以參與形成承壓拱腳，土體不易發(fā)生繞流，樁間土體不能移動(dòng)，從而被擠壓上鼓，拱高更高，拱腳處的土體強(qiáng)度更高，相較于圓形抗滑樁可以將更多的滑坡推力轉(zhuǎn)化至抗滑樁上。同時(shí)隨著樁間土體位移增大，端承土拱效應(yīng)破壞而轉(zhuǎn)為摩擦土拱受力時(shí)，圓形抗滑樁只能沿著樁側(cè)滑動(dòng)很短的距離，其拱跨一旦超過(guò)樁間凈距，就會(huì)徹底失效，所以矩形抗滑樁可以更為有效地抵抗滑坡推力（如圖2所示）。

土拱效應(yīng)的形成主要和樁間距大小、接觸面形狀、巖土體性質(zhì)和巖土體蠕變等因素有關(guān)[3]。樁間距是影響土拱效應(yīng)最主要的因素。圓形抗滑樁本身土拱效應(yīng)較差，為能夠更好地抵抗滑坡推力，需要采用較小的樁間距，增加了抗滑樁數(shù)量，經(jīng)濟(jì)效益降低。樁間土容易擠出也是很重要的因素，所以目前圓樁抗滑效果還沒(méi)有得到業(yè)界的統(tǒng)一認(rèn)可，難以形成土拱效應(yīng)，但在某些工況下采用抗滑樁結(jié)合擋板設(shè)計(jì)，可以一定程度上解決圓形抗滑樁土拱效應(yīng)不足的問(wèn)題。

1.3 配筋計(jì)算

規(guī)范中對(duì)于矩形抗滑樁受彎正截面承載力公式如下：

規(guī)范中對(duì)于圓形抗滑樁有均勻配筋和非均勻配筋兩種形式，其中非均勻配筋正截面承載力計(jì)算公式如下：

式中，α1——混凝土強(qiáng)度系數(shù)（不超過(guò)C50時(shí)取1）；As、——分別為受拉區(qū)、受壓區(qū)縱向鋼筋截面積（m2）；h0——截面有效高度（m）；x——混凝土受壓區(qū)高度（m）；fy、——分別為鋼筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值和抗壓強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kN·m?2）；fc——混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值（kN·m?2）；as——縱向受拉鋼筋布置范圍圓心角和2π的比值；——縱向受壓鋼筋布置范圍圓心角和2π的比值。

對(duì)于矩形抗滑樁，可以將主要的鋼筋布置在受拉區(qū)一側(cè)，受壓區(qū)按照構(gòu)造配筋，充分利用鋼筋的抗拉和混凝土的抗壓性能，而圓形抗滑樁若采用均勻配筋，在受壓區(qū)或者靠近中心軸的鋼筋都不能有效地發(fā)揮鋼筋的受拉性能，只有as受拉區(qū)才能充分發(fā)揮鋼筋受拉性能。圓形抗滑樁鋼筋受拉區(qū)范圍常用取值為120°，受拉鋼筋分布范圍較少、平均受拉鋼筋合力點(diǎn)至中性軸距離較矩形抗滑樁更近，力臂短，提供的抗彎能力更差，為了滿足受力要求，勢(shì)必需要增大樁徑，增配更多鋼筋，造成工程造價(jià)的提高（如圖3所示）。

計(jì)算簡(jiǎn)圖對(duì)比

2 工程分析

2.1 工程概況

某高速公路樁號(hào)ZK79+240～ZK79+324段路基東側(cè)山體，現(xiàn)狀地形起伏較大，邊坡坡率15～23°，場(chǎng)地高程40～100 m，屬于浙西北中山地貌單元。根據(jù)詳勘結(jié)果（如圖4所示），該區(qū)域地質(zhì)條件主要指標(biāo)如下：⑥1層含角礫粉質(zhì)黏土、⑨1層粉質(zhì)黏土、⑨2層含黏性土碎石、⑨3層黏土、層中風(fēng)化白云質(zhì)灰?guī)r。土層分布及材料參數(shù)見(jiàn)表3：

2.2 滑坡邊坡基本特征

根據(jù)鉆探資料及現(xiàn)場(chǎng)調(diào)繪資料分析，推測(cè)坡積體范圍線，滑坡面積為3 765 m2。該邊坡下部巖石較堅(jiān)硬，現(xiàn)山坡覆蓋層厚度3.4～9.5 m，由于山體較陡，在誘發(fā)因素具備的條件下將會(huì)向西側(cè)移動(dòng)，經(jīng)分析該邊坡僅有可能產(chǎn)生淺層滑動(dòng)。按照上部土體完全滑動(dòng)考慮（最不利條件所發(fā)生的極限狀態(tài)），根據(jù)橫斷面計(jì)算，該斷面坡積體面積1 191.70 m2，兩翼面積按照附近鉆孔揭示厚度計(jì)算（左側(cè)為3.4 m，右側(cè)為3.5 m），坡積體寬度47.80 m，則整個(gè)崩塌危巖體體積為52 586 m?（如圖5所示）。

2.3 滑坡分析穩(wěn)定性計(jì)算

該段滑面位于坡積體較陡上部，按非正常工況Ⅰ下邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs=1.20進(jìn)行驗(yàn)算，坡腳部位仍約有789 kN/m下滑推力。該段剩余下滑力較大，基巖面埋深總體較淺、滑體寬度較窄，考慮采用抗滑樁方案。綜合施工安全性影響，采用2 m圓形抗滑樁，按梅花形布置，樁間距4.5 m，樁長(zhǎng)15～20 m（如圖6所示）。

上部坡積體設(shè)置抗滑樁后非正常工況Ⅰ土體飽和狀態(tài)時(shí)，邊坡最不利滑動(dòng)面總下滑力等于1 378.8 kN，抗滑力等于1 668.4 kN，邊坡穩(wěn)定系數(shù)Fs為1.21，滿足規(guī)范要求。

2.4 配筋設(shè)計(jì)

該設(shè)計(jì)的滑坡方向明確，采用非均勻配筋，受力更為合理，節(jié)約造價(jià)，利用巖土理正軟件計(jì)算，非均勻配筋受拉區(qū)范圍取為常用的120°，受壓區(qū)90°，其他位置為構(gòu)造配筋（如圖7所示）。

對(duì)于主滑面受拉區(qū)配置直徑32 mm的鋼筋，采用內(nèi)箍加筋的方式，3根一束，共11束33根，兩側(cè)20 m范圍，滑坡推力較小的地方采用2根一束的正常配筋方式；受壓區(qū)配置直徑32 mm的鋼筋2根一束，共14根；中間構(gòu)造鋼筋采用直徑28 mm的鋼筋。和矩形抗滑樁不同，圓形抗滑樁在受壓側(cè)也會(huì)配置較多的鋼筋，是為了充分利用受壓區(qū)鋼筋的抗壓作用，減少受壓區(qū)截面高度，從而減少受拉區(qū)配筋面積[4]。

3 結(jié)語(yǔ)

圓形抗滑樁在應(yīng)急搶險(xiǎn)的滑坡治理中，相較于矩形抗滑樁有著更為廣泛的作用。傳統(tǒng)的矩形抗滑樁由于需要采用人工挖孔，施工速度慢，工期長(zhǎng)，易發(fā)生安全事故，危害人身安全[5]。若地下水豐富，采用人工挖孔需要井點(diǎn)降水，一方面影響工期進(jìn)度，另一方面引發(fā)的流土危害也有較大安全隱患，而采用圓形抗滑樁機(jī)械成孔的泥漿護(hù)壁，就很好地阻絕了滲流路徑，平衡了水壓差，有較大的臨界水力比，相對(duì)更加安全可靠。

所以圓樁的優(yōu)點(diǎn)主要表現(xiàn)為機(jī)械成孔的效率及安全性，而矩形抗滑樁的優(yōu)點(diǎn)表現(xiàn)為剛度大、抗彎能力強(qiáng)，可承受較大的滑坡推力，未來(lái)可以考慮在設(shè)計(jì)及施工工法上優(yōu)化，采用多次機(jī)械成孔的方式，組合成符合有效利用材料的異形樁（相同面積比下有著較大的彎矩抵抗距），不但能發(fā)揮機(jī)械施工的長(zhǎng)處，也能有效地發(fā)揮截面受力性能的優(yōu)點(diǎn)。

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