箱型竖向预应力抗滑桩的机理研究

侯小强 ，曹建宇 ，钱普舟 ，孙 泓

（1.甘肃建筑职业技术学院，甘肃兰州 730050；2.甘肃省远大路业集团有限公司，甘肃兰州 730030；3.甘肃交通规划设计研究院，甘肃兰州 730030）

0 引言

抗滑桩是穿过滑坡体深入于滑床的桩柱，用以支挡滑体的滑动力，起稳定边坡的作用，适用于浅层和中厚层的滑坡，是一种抗滑处理的主要措施。抗滑桩对滑坡体的作用，利用抗滑桩插入滑动面以下的稳定地层，通过桩的抗力（锚固力）平衡滑动体的推力，增加其稳定性，当滑坡体下滑时受到抗滑桩的阻抗，使桩前滑体达到稳定状态。通常根据滑体的厚薄、推力大小、防水要求及施工条件等选用木桩、钢桩、混凝土及钢筋混凝土桩。普通抗滑桩锚固深度一般根据地层岩性确定，按一般经验，软质岩层中锚固深度为设计桩长的 1/3，硬质岩中为设计桩长的 1/4，土质滑床中为设计桩长的 1/2[1-2]。近年来，在传统抗滑桩基础上进行了技术改进，在桩顶施加锚索，使得抗滑桩由原来的悬臂式受力状态变为上部简支梁，下部为一次超静定结构[3]。刘小丽等（2004）提出根据预应力锚索抗滑桩的实际施工过程和受力条件分阶段计算桩身内力，特别在第一阶段计算预应力作用下抗滑桩的内力时考虑桩后滑面以上岩土体的反力作用[4-5]。魏宁等（2004）基于 Winkler 假定，采用杆件有限元计算模型模拟预应力锚索抗滑桩，研究其桩身的内力和位移[6]。桂树强等在锚拉桩的结构计算中，采用双参数法计算地基系数，将锚索视为弹性铰支座，利用抗滑桩和锚索位移变形协调条件，计算锚索的设计拉力及桩身的内力分布[7-14]。尽管锚索抗滑桩的最大剪力和最大弯矩均比传统抗滑桩小很多，这样可以适当减小锚索抗滑桩的几何尺寸及配筋，然而这些均属于抗滑桩体外预应力，并没有更加有效的减小弯矩和工程费用，特别在桩内实施有效变形监控和维护更加困难。

截至目前，很少有专家学者提出箱型预应力抗滑桩的各种研究成果，基于以上本次提出箱型竖向预应力抗滑桩，充分利用预应力锚固技术和抗滑桩结构的优点，一方面与一般锚拉桩相比锚索长度大为减少，与悬臂桩相比，由于有了竖向预应力作用，桩身的锚固段减少，可以降低施工难度，同时，竖向预应力荷载施加在桩身上，可以改善混凝土的受力状态，从而改善桩体的结构性能，预应力筋在混凝土的受拉区，可替代部分桩身受拉钢筋，在结构上采用箱型，进一步节约成本，在抗滑桩工作期间，可以进入桩心进行监测和维护，由此可见该桩是一种值得深入研究的桩型。

1 抗滑桩结构假设及基本假定

1.1 结构假设

本次以箱型竖向预应力、箱型钢筋混凝土和普通混凝土抗滑桩三者结合起来进行比较研究。截面尺寸为 1.8 m×2.2 m，其中箱内尺寸为 0.8 m ×1.2 m，桩长为 20 m，见图1。滑坡推力采用 1 000 kN/m、1 500 kN/m、2 000 kN/m 三种推力，通过比较桩身最大剪力、最大弯矩及位移变化情况，说明箱型竖向预应力抗滑桩特性，见表1。

1.2 基本假定

（1）岩土体假定为理想弹塑性体，满足弹性塑应力一应变关系；桩与预应力筋为线弹性体，按弹性受力进行分析。

（2）滑动面是确定的，在整个工作过程中不会改变。

图1 抗滑桩推力时受力模型

表1 三种推力情况下各节点力的大小

（3）在滑面以上的桩体施加滑坡推力，根据戴自航[15]在总结分析我国大量抗滑桩模型试验和现场试桩实测试验资料的基础上，针对不同的滑坡岩土体性质，推导了相应的滑坡推力分布函数。本次模拟滑坡推力呈梯形分布，假定上、下底滑坡推力之比为 2∶5。

（4）在预应力桩两端施加一对相向的反力，模拟预应力，预应力的大小为预应力锚索的设计拉力。在桩两端施加一对弯矩，模拟偏心拉力产生的弯矩，弯矩大小为预应力锚索设计拉力乘以偏心拉力到转点的偏心距。

2 受力分析

假定 20 m 长的抗滑桩，截面尺寸为 1.8 m ×2.2 m，其中箱型结构中箱内尺寸为 0.8 m× 1.2 m，桩长为 20 m，分别建立了实心桩、箱型钢筋混凝土桩和预应力箱型混凝土桩三种结构，根据滑坡推力为 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 作用下，建立多种工况有限元模型进行数值分析。

首先确定预应力抗滑桩结构在不同等级混凝土时，对于抗滑能力影响程度，位移主要能反应其抗滑效果，为此通过各节点和桩顶节点位移大小来判断。为此采用工程常用到的 C25、C30、C35、C40、C45、C50 混凝土等级进行抗滑效果分析，根据位移变化大小分析，C50 抗滑桩位移最小，C25混凝土位移最大，说明随着混凝土等级强度增加位移减小；为进一步明确不同等级混凝土具体效果，通过位移变化大小来看分析比较合理。由图2分析可知，C25、C30 和 C35 之间位移较大，比 C35大 12.49%和 4.99%，C35、C40、C45、C50 之间变化较小，分别比 C35 小 3.07%、5.96%和 8.69%。说明采用 C35 混凝土比较适合做预应力抗滑桩。

图2 不同混凝土等级箱型预应力抗滑桩位移

确定混凝土等级强度为 C35 后，以 C35 混凝土建立三种桩结构有限元模型，在同样 1 000 kN推力作用下，产生的位移、弯矩和剪力进行分析。由图3可知，箱型预应力结构位移 3.058 mm,实心结构位移为 5.715 mm,钢筋混凝土箱型结构位移为 6.315 mm。说明预应力箱型结构在桩顶最大位移量最小，箱型钢筋混凝土结构比预应力箱型混凝土结构位移大 106.5%，实心钢筋混凝土箱型结构比预应力箱型混凝土结构大 86.9%。

由图4可知，三种结构产生弯矩变化比较相似，均在 7 m 处弯矩最大，两端弯矩逐渐减小。在 7 m处，箱型预应力混凝土抗滑桩弯矩为 4 271.44 kN · m，箱型钢筋混凝土和实心钢筋混凝土抗滑桩弯矩均6 428.1 kN· m，箱型预应力混凝土抗滑桩弯矩比其他两种抗滑桩小 50.5%。在 0 到 7 m 之间，实心桩和箱型钢筋混凝土桩弯矩逐渐增大，变化幅度接近，在 7 m 到 20 m 之间，实心桩和箱型钢筋混凝土桩弯矩逐渐减小为 0，且大小相等；在箱型预应力混凝土抗滑桩两端存在负弯矩小，是由于预应力筋在两端张拉后本身产生，更有利于增加抗滑效果。

图3 推力1000 kN 时 C35 混凝土抗滑桩位移

图4 推力1000 kN 时 C35 混凝土抗滑桩弯矩

由图5可知，在推力 1 000 kN 时，三种结构产生剪力变化比较相似，正负剪应力交替位置相同，均在 6 m 处负剪应力最大，7 m 处正剪应力最大。其中箱型预应力混凝土抗滑桩最大负剪应力为-2 105.65 kN，箱型钢筋混凝土抗滑桩最大负剪应力均为-2 930.73 kN，实心钢筋混凝土抗滑桩最大负剪应力为-2 930.73 kN，最大负剪应力大小方面，箱型预应力混凝土抗滑桩比箱型钢筋混凝土抗滑桩和实心钢筋混凝土小 39.1%，三种最大正剪应力为相同，均为 999.95 kN，说明箱型预应力混凝土结构对于提高整体抗剪效果更加明显。

图5 推力1000 kN 时 C35 混凝土抗滑桩剪力

为进一步说明，采用同样的方法通过加大三种结构抗滑桩的滑坡推力进行验证，均为 C35 混凝土等级强度，分别采用了 1 500 kN 和 2 000 kN推力计算分析，由图6可知，其中推力 1 500 kN 箱型钢筋混凝土位移为 9.47 mm，实心混凝土桩的位移为 8.57 mm，推力 2 000 kN 时箱型预应力结构抗滑桩位移仅为 7.29 mm，比推力 1 500 kN 的实心混凝土和箱型钢筋混凝土两种桩都小，说明箱型预应力结构位移一定比同样推力其它两种结构抗滑桩小的多。由图7可知，其中推力 1 500 kN 箱型钢筋混凝土最大负剪力为 4 396.38 kN，实心混凝土桩的最大负剪力为 5 484.87 kN，推力 2 000 kN时箱型预应力结构抗滑桩最大负剪力仅为4 579.82 kN，比推力 1 500 kN 的实心混凝土还小，和箱型钢筋混凝土比较接近，由图7可知，箱型预应力结构最大负剪力一定比同样推力其它两种结构抗滑桩小的多。图8可知，箱型预应力结构最大负剪力一定比同样推力其它两种结构抗滑桩小的多。

图6 1500 kN C35 混凝土不同结构抗滑桩位移

图7 推力1500 kN 时 C35 混凝土抗滑桩剪力

图8 推力1500 kN 时 C35 混凝土抗滑桩弯矩

3 结论

箱型竖向预应力抗滑桩是一种新型抗滑桩，截止目前国内外尚未发现此类研究成果，本次通过建立有限元模型，采用三种不同结构抗滑桩，即传统实心抗滑桩、箱型钢筋混凝土抗滑桩和箱型竖向预应力混凝土桩，在不同混凝土等级强度和1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 三种滑坡推力等条件下进行计算分析，得出如下结论：

（1）通过 6 个不同等级混凝土进行抗滑受力分析，箱型竖向预应力混凝土桩采用 C35 混凝土比较科学合理；

（2）通过三种不同结构抗滑桩受力分析，分别在 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 推力作用下，箱型竖向预应力混凝土结构完全可桩身各节点位移最小，说明该种抗滑桩比其它抗滑桩抗滑能力要强；

（3）箱型竖向预应力混凝土结构在同样推力小，其产生的弯矩和剪力比其它两种抗滑桩要小，这样不但提高抗滑效果，而且减少抗拉、抗剪钢筋和混凝土数量，节省工程造价；

（4）同样可以在靠近山体一侧桩壁开设泄水孔，有利于滑坡体内排水，进一步提高抗滑效果，在检测和维护可以直接进入抗滑桩箱内进行检测很有好处。

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