排水抗滑桩设计及验证★

汪思聪 朱剑锋 艾述刚 邓岳保

(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211)

·岩土工程·地基基础·

排水抗滑桩设计及验证★

汪思聪 朱剑锋 艾述刚 邓岳保

(宁波大学建筑工程与环境学院，浙江 宁波 315211)

提出了排水抗滑桩排水系统设计的理论基础，并以此为依据设计了一种集排水与抗滑为一体的新型抗滑桩系统，基于理正软件，开展了新型抗滑桩和传统抗滑桩的对比分析。数值模拟结果表明：新型的排水抗滑桩排水效果显著，对滑坡稳定性提高可起到重要作用。

抗滑桩，排水系统，模拟试验，CFRP

0 引言

在岩土工程中，对失稳边坡或滑坡进行有效治理是一项重要工作。当前，对滑坡的治理方法很多，如：挡土墙、锚杆、削坡减载和反压、抗滑桩等。其中，抗滑桩具有布置灵活、施工简单、对滑坡扰动小等优点，因此受到工程界和学术界的广泛关注[1]。

20世纪70年代末以来，国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、计算方法和参数进行了研究，并结合实际工程进行了现场测试，使得抗滑桩设计理论日趋完善[2]。但是，在分析、校核滑坡稳定性时，地下水的不利影响因素却常被忽视，认为没有必要精心布置疏排水，甚至认为有无疏排水都无关紧要。但由李新强等人[2]对渗流与抗滑桩抗滑稳定性的分析结果可知，抗滑桩在提高滑坡体抗滑稳定性的同时，也减少了坡体内部水的渗流通道，从而在一定程度上增加了潜在的滑坡危险。卢应发等人[1]的研究也指出，抗滑桩对滑体渗流具有阻渗作用，抬高了滑体水位，增加了滑体自重，并使得滑体、滑床粘聚力和内摩擦角下降，滑坡稳定性下降，下滑力增加。因此，做好滑坡体的疏水和坡体排水布置，对于确保滑坡体的稳定具有重要的作用。

本文拟在传统抗滑桩基础上，设计一种集抗滑和排水为一体的新型排水抗滑桩，并借助理正软件开展新型排水抗滑桩和传统抗滑桩的对比研究，进而获得排水抗滑桩设计的意义。

1 抗滑桩排水系统设计

1.1 桩身设计

排水抗滑桩系统示意图如图1，图2所示。其中包括圆筒形桩体，桩体内设置有圆柱形空腔，桩体上沿轴向均布有若干个滤水孔，圆柱形空腔内设置有排水管，圆柱形空腔的空隙处填充有碎石，排水管的出水口与外部的真空泵连接。

在桩体桩壁内纵向设置有若干个碳纤维筋(CFRP)，碳纤维筋沿桩体截面圆周均匀分布；滤水孔的两侧孔端包裹有用于反向滤除杂质的土工布；滤水孔沿桩体径向交错分布。

真空泵与用来控制排水管抽水量的阀门连接；桩体采用混凝土材料制作而成。

1.2 抗滑桩排水孔布置

空心抗滑桩在成桩之前，可由强降雨或持续降雨条件下水体在边坡的流速，利用达西定律，根据流量相等原则计算出滤水孔孔径，并综合考虑现场实测地下水位情况，在桩身合理间距处预留适当数量的滤水孔，孔端作反滤层并用土工布包扎，防止堵塞。然后预制成抗滑桩管节，在拟加固边坡采用机械钻孔，下预制碳纤维混凝土空心抗滑桩管节至开挖深度，空心部分用碎石填充，并且引排水管，在保证桩体良好抗弯性能的前提下增强桩的排水能力。

排水抗滑桩滤水孔设计。首先，由达西定律可知：

V=KI

(1)

由边坡坡面深入到边坡内的水量为：

ΔQ1=A1V1Δt=A1K1IΔt

(2)

由排水孔排出的水量：

ΔQ2=A2V2Δt=A2K2IΔt

(3)

根据出水量与入水量相等，即：

ΔQ1=ΔQ2

(4)

可得：

A1K1=A2K2

(5)

由此可得，当孔径数n=15时，re=2.3 cm；当孔径数n=10时，re=2.8 cm。

另外，假设孔径数n=10时，re=2.8 cm，分析此时开孔对抗滑桩刚度的影响。由孔直径可得：孔体积V孔=0.015 m3。

假设桩为单位体积，则：

m′/m=(1-0.015)/1=0.985

(6)

由量纲分析，有：长度L(m)、体积V(m3)、抗弯刚度I(m4)，可得：

V′/V=0.9853=0.994

(7)

I′/I=0.9943=0.980或I′=0.980I

(8)

上面的计算过程表明，开设滤水孔后，抗滑桩抗弯刚度改变很微小。

设计总结如下：抗滑桩开设10个～15个滤水孔，孔直径5 cm(半径2.5 cm)，可满足边坡排水要求，且几乎不影响抗滑桩的抗弯刚度。

2 数值模拟及验证

2.1 边坡模型

滑动体重度18.0 kN/m3，滑动体饱和重度18.0 kN/m3，安全系数为1.0，考虑动水压力和浮托力，滑体土的孔隙度0.8，不考虑承压水的浮托力与坡面外的静水压力的作用，不考虑地震力。

简单边坡模型见图3。坡面数据、水面数据、滑动面数据及滑体推力计算如表1～表5所示。

表1 坡面数据

坡面线段数1起始点标高/m8.0段号投影Dx/m投影Dy/m附加力数110.05.00

表2 水面数据

表3 滑动面数据

表4 滑体推力计算(一)

2.2 算例

通过一个算例来分析抗滑桩增设排水功能后的意义。算例示意图见图4。算例基本参数：

1)桩混凝土强度等级：C30；2)桩纵筋合力点到外皮距离：35 mm；3)桩纵筋级别：HRB335；4)桩箍筋级别：HPB235；5)桩箍筋间距：200 mm；6)桩配筋形式：纵筋均匀配筋；7)抗滑桩类型：一般抗滑桩；8)桩背与桩后填土摩擦角：15.0°；9)桩后填土容重：18.0 kN/m3；10)横坡角以上填土的土摩阻力：25.0 kPa；11)横坡角以下填土的土摩阻力：25.0 kPa。

2.3 抗滑桩验算

2.3.1 不排水时抗滑桩数值模拟

1)桩身尺寸:桩总长：11.0 m；嵌入深度：3.0 m；截面形状：圆桩；桩径：1.0 m；桩间距：5.0 m；嵌入段土层数：1；桩底支撑条件：固定；计算方法：K法[3]。

2)坡体参数：土层厚：20.0 m；内摩擦角：20.0°；重度：18.00 kN/m3；土摩阻力：25.0 kPa；K：10.0；被动土压力调整系数：1.0；桩前滑动土层厚：8.0 m；坡线与滑坡推力：坡面线段数：1；地面横坡角度：20.0°；墙顶标高：0.0 m;水平投影长：10.0 m；竖向投影长：5.0 m。

表5 滑体推力计算(二)

3)桩身内力计算。计算方法：K法；库仑土压力计算，计算过程如图5所示。

计算高度为8.0 m处的库仑主动土压力；第1破裂角：50.0°；Ea=583.180,Ex=563.309,Ey=150.938 kN；土压力合力作用点高度Zy=2.667 m；背侧为挡土侧；面侧为非挡土侧。

背侧最大弯矩Mdmax=4 302.999 kN·m；距离桩顶10.786 m。

面侧最大弯矩Mfmax=602.488 kN·m，距离桩顶5.111 m。最大剪力Vmax=1 339.502 kN，距离桩顶8.000 m；最大位移Smax=53 mm。

结论为：超筋，且为纵筋超筋，即该抗滑桩属于脆性破坏类型。

2.3.2 排水情况下抗滑桩数值模拟

排水桩利用排水原理将边坡土体中的大部分水通过排水管向外排出，土体参数中的内摩擦角度将变大，不排水时为20°，排水时取值为25°。抗滑桩及土体其他条件相同(由于土体内摩擦角的改变，滑坡剩余下滑力将改变，采用库仑土压力计算)。计算过程和结果如下：

库仑土压力计算：计算高度为8.0 m；第1破裂角：50.0°；Ea=439.634,Ex=424.654,Ey=113.786 kN；土压力合力作用点高度Zy=2.667 m。

桩身内力计算。计算方法：K法；背侧为挡土侧；面侧为非挡土侧。背侧最大弯矩Mdmax=3 243.845 kN·m；距离桩顶10.786 m；面侧最大弯矩Mfmax=454.190 kN·m；距离桩顶5.111 m；最大剪力Vmax=1 009.79 kN；距离桩顶8.0 m；最大位移Smax=40 mm。根据《铁路路基支挡结构设计规范》可知，悬臂式抗滑桩桩顶位移应小于桩悬臂端长度的1/100，且不宜大于10 cm，此处Smax=40 mm<110 mm，且小于10 cm，故符合设计规范要求。

综上，数值模拟对比分析表明：同等条件下，当采用不排水桩时，抗滑桩超筋；当采用排水桩时，抗滑桩适筋。因此排水桩更加合理，具有较好的支挡效果，从而证明了抗滑桩增设排水功能的意义。

3 结语

1)文中根据达西定律和流量相等原理设计的具有排水功能的抗滑桩，并详细阐述了抗滑桩滤水孔的设计方案和其在桩身的具体布设情况。

2)文中在对桩身设计时，用CFRP筋替代钢筋，可提高抗滑桩的耐腐蚀性，进而可延长桩体的使用寿命。

3)本文提出的抗滑桩排水系统，经数值模拟，验证了其排水的意义。

[1] 卢应发，周盛沛，罗先启，等.渗流对抗滑桩加固滑坡后的影响效果评价[J].岩石力学与工程学报，2007(9)：1840-1846.

[2] 李新强，杨 健，陈祖煜.渗流与抗滑桩的抗滑稳定性分析[J].水文地质工程地质，2004(3)：66-68.

[3] 吴新星.边坡抗滑桩受力分析与结构优化[D].宜昌：三峡大学硕士学位论文，2010.

[4] 古 浩.边坡稳定及抗滑桩加固研究[D].南京：河海大学硕士学位论文，2006.

[5] 胡成宝，朱剑锋，诸葛萍，等.一种排水抗滑桩：中国专利，ZL201220581962.7[P].2013-07-25.

[6] TB 10025-2006,铁路路基支挡结构设计规范[S].

The design of an anti-slide pile with drainage function and its verification★

WANG Si-cong ZHU Jian-feng AI Shu-gang DENG Yue-bao

(FacultyofArchitecturalCivilEngineeringandEnvironment,NingboUniversity,Ningbo315211,China)

This paper put forward the theoretical basis of drainage anti slide pile drainage system design, based on this designed a new anti slide pile system integration of drainage and anti slide, based on the software, developed the compare and analysis on new anti slide pile and traditional anti slide pile. The numerical simulation results showed that: the new drainage anti slide pile drainage had obvious effect, had important role to improve the landslide stability.

anti slide pile, drainage system, simulation test, CFRP

1009-6825(2014)13-0061-03

2014-02-20★：浙江省科技厅公益项目(项目编号：2012C21058)；宁波市自然科学基金项目(项目编号：2012A610160)

汪思聪(1992- )，男，在读本科生； 朱剑锋(1982- )，男，讲师； 艾述刚(1992- )，男，在读本科生； 邓岳保(1981- )，男，讲师

TU473

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