微型桩在地灾加固应用中的抗滑稳定性浅析

陈国栋

(中铁二院成都勘察设计研究院有限责任公司，四川成都610081)

微型桩(micro－pole)一般指桩径在70～300mm，长径比较大(＞30)，采用钻孔、强配筋和压力注浆工艺施工的灌注桩。微型桩早期主要用于地基加固。上个世纪末期迅速发展，广泛用于边坡治理、滑坡修复和深基坑支护等工程实践，引起了国内外学术界的高度重视。如今在滑坡治理工程中，特别是应急抢修工程中，微型抗滑桩因施工方便、迅速，施工后桩体与岩土体形成复合土工材料，可充分发挥岩土体自身的抗滑力等优点而得到广泛应用，并取得了预期的治理效果。

在成都铁路局管辖范围内的地灾抢险中应用微型桩实例较多，不胜枚举。如:内六线Dk229+070～+122加固工程等，绝大部分发挥了应有作用，但也有个别失败案例。国内的微型桩多作为应急灾害中的补充措施，没有较为完整的体系。

1 微型桩的结构计算分析

有关微型抗滑桩与周围岩(土)体的共同作用还没有形成系统深入的理论认识，对于微型抗滑桩的设计、计算大多借用普通抗滑桩的计算模式。在工程应用中，一些重要参数的选取通常是通过试桩试验或参照其他工程的经验取值来确定。

独立微型抗滑桩内力计算方法主要有两类:压力法和数值计算方法。

压力法简单，并且能快捷地估算出桩的最大弯矩和桩身位移，所以工程设计一般以该法为主，但是计算结果偏差较大，一般偏于保守。

数值计算方法主要包括有限差分法、有限单元法等，是最有发展潜力的设计计算方法。但是由于实际情况复杂，模型参数选取不当就会对最终的计算结果产生较大的影响。

解决上述问题均需要对微型抗滑桩的抗滑作用机制及其破坏模式进行系统的研究。

2 工程实例

2.1 工程概况

本设计位于内六线DK229+070～+122路段，该路段为右堤左堑，铁路位于直线上。牵引变电所位于路线右侧，原设计牵引变电所场坪外侧设挡土墙，其中DK229+050～+132段为桩基托梁路肩挡土墙(图1)。该路段牵引变电所场坪挡土墙外侧岸坡于2004年被河水冲刷导致严重坍塌。2004年5月铁二院对岸坡采取抗滑桩对其进行设计加固，后来盐津县交通局在距变电所上游70m处建桥，加剧了横江河水直接冲击变电所外坡，河岸受到冲刷严重，导致原有河岸加固的抗滑桩剪压破坏、变电所场坪挡土墙外侧岸坡严重坍塌，硬化场坪有整体下沉的趋势，已经严重威胁供电设备的安全使用，急需进行整治。后来在DK229+070～+122范围牵引变电所硬化场坪内采用钢管桩加固措施。

图1 DK229+070断面(单位:m)

2.2 地质资料

工程所在处地质资料见表1。

表1 计算参数

2.3 微型桩抗滑稳定性分析

本文采用GEO－SLOPE软件中的SLOPE/W模块对该工点路基稳定性进行了评估。

2.3.1 极限平衡法基本原理

极限平衡法是建立在摩尔一库仑强度准则基础上的，其特点是只考虑静力平衡条件和土的摩尔一库仑破坏准则，通过分析土体在破坏瞬间的平衡来求得问题的解。极限平衡理论的主要思路是将滑动土体进行条分，由极限状态下土条所受力和力矩的平衡来分析边坡稳定性。它是目前应用最多的一种分析方法。

2.3.1.1 摩尔一库仑强度准则

由库仑理论可知，采用总应力指标时，土的抗剪强度公式:

式中:τf为土的抗剪强度;σn为剪切滑动面上的法向总应力。

采用有效应力指标时，土的抗剪强度公式:

式中:τ'f为土的有效抗剪强度;σ'n为剪切滑动面上的法向有效应力;u为孔隙水压力。

2.3.1.2 关于安全系数的定义

在圆弧滑动安全系数Fs的计算中，相应的计算公式如下:

式中:c、φ为土的粘聚力、内摩擦角(有效抗剪强度);W为土条的总重量;l为土条的圆弧长;b为土条宽度;u0为由天然地下水引起的初始孔隙水压力;Tr为加筋材强度;α为土条圆弧的切线方向与水平面的夹角(图2)。

土坡沿着某一滑裂面滑动的安全系数k也可以这样定义，将土的抗剪强度指标降低为c/k和tan φ/k，土体沿着此滑裂面处达到极限平衡，即:

上述将强度指标的储备作为安全系数定义的方法(强度折减法)是经过多年的实践被工程界广泛承认的一种作法。采用这一定义，在数值计算方面，会增加一些迭代、收敛方面的问题。

图2 圆弧滑动法计算图示

2.3.1.3 静力平衡条件

将滑动土体分成若干土条，每个土条和整个滑动土体都要满足力和力矩平衡条件。在静力平衡方程组中，未知数的数目超过了方程式的数目，解决这一问题的办法是对多余未知数作假定，使剩下的未知数和方程式数目相等，从而解出安全系数的值。

2.3.1.4 合理性要求

对多余未知数的假定方案是多种多样的，但也不是任意的。它必须使获得的解符合土和岩石的力学特性。目前，被普遍接受的合理性条件是:

(1)沿着划分的土条两侧面上的剪应力不能超过在这个面上所能发挥的抗剪能力。

(2)土条接触面上不能产生拉应力，作用在土条上的有效应力的合力作用点不应落在土条垂直面的外面。

在此原则基础上，有很多稳定性分析方法，包括Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法等。

2.3.2 工点DK229+070陡坡断面稳定性评估

2.3.2.1 未设置微型桩加固措施前的陡坡稳定性分析

(1)稳定性分析参数取值见表2;

表2 参数取值

(2)稳定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法;

(3)假定:不考虑孔隙压力，不使用概率统计分析;

(4)计算结果见图3～图6。

图3 加固前最危险滑面形状位置(Morgenstern－price法)

图4 加固前最危险滑面形状位置(Bishop法)

图5 加固前最危险滑面形状位置(Janbu法)

图6 加固前最危险滑面形状位置(Ordinary法)

各计算方法得到的最小安全系数如表3所示

表3 微型桩加固前陡坡最小安全系数

本工点陡坡在不采取微型桩加固措施的情况下，由于事先采用了抗滑桩加固，安全系数为1.7～1.8。

2.3.2.2 设置微型桩加固措施后的陡坡稳定性分析

(1)稳定性分析参数见表4。

表4 参数取值

(2)稳定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法。

(3)计算结果见图7～图10。

图7 加固后最危险滑面形状位置(Morgenstern－price法)

图8 加固后最危险滑面形状位置(Bishop法)

图9 加固后最危险滑面形状位置(Janbu法)

图10 加固后最危险滑面形状位置(Ordinary法)

各计算方法得到的最小安全系数如表5所示

表5 微型桩加固后陡坡最小安全系数

2.4 计算结果分析

对比表4和表5可以看出，在采取微型桩结构工程措施情况下，本段陡坡稳定性得到了较大的提高。因此在本路段采取微型桩结构加固是可行的。

3 结论

查阅国内外大量参考文献及其成都铁路局在抢险加固中大量应用微型桩的实践证明，微型桩在铁路地灾抢险中的应用前景广阔，能达到良好的工程和经济效果。

［1］ 夏永承．土力学［M］．成都:西南交通大学出版社，1990

［2］ 徐岳良．数值分析［M］．成都:西南交通大学出版社，2000