抗滑桩加固路基边坡稳定性分析

2017-01-05

福建交通科技 2016年6期

关键词：抗滑桩车辙内力

(龙岩市兴达交通工程设计有限公司，龙岩 364000)

抗滑桩加固路基边坡稳定性分析

■林珍扬

(龙岩市兴达交通工程设计有限公司，龙岩 364000)

针对路基边坡变形破坏特点，从抗滑桩加固边坡结构设计与施工出发，分析了工程上常用弹性桩的桩端内力变化计算过程。结合工程算例，分析了抗滑桩加固边坡的塑性分布特征，总结了边坡破坏模式及其重点加固范围，对抗滑桩加固边坡的设计和施工提供借鉴。

路基工程抗滑桩稳定性内力计算

1 引言

近年来随着国家基础建设力度的加大和中西部大规模发展，各等级公路、铁路、地下交通的兴建，边坡防护与加固建设工程中所碰到的岩土边坡工程稳定问题也大大增多。而在工程边坡施工及以后的运营过程中，边坡失稳破坏现象频频发生，并且边坡一旦滑移，其破坏后果是灾难性的，造成损失巨大[1]。

抗滑桩是近几年来得到广泛应用的一种新型阻滑支挡加固构筑物之一。抗滑桩应置于滑面以下的结构称为锚固段，露于滑面以上的结构称为受力段。抗滑桩的结构承受边坡滑坡推力效应，传递到滑面以下的锚固段,并在滑床的抗滑桩周围地层产生反力嵌固桩身[2,3]。譬如抗滑桩的强度能够承受哪些滑坡推力和反力，也能阻止桩背岩土体滑体的滑动，更有效地提高边坡滑体的抗滑能力。

2 抗滑桩内力计算

工程上常用弹性桩作为加固形式之一，主要设计与施工要素为：内力和变形。实施过程中：在计算坡体滑动面以下的桩身内力、位移和桩侧向压力时，通常需要确定桩的变形系数。

2.1 m法

该法是根据弹性地基上的连续梁在挠曲后的力学方程常用幂级数解答出的。地基梁挠曲方程为：

式中：P为地基岩土作用于抗滑桩的水平反力(kN/m3)。

假设桩作用在岩土上的水平应力等于抗滑桩上计算点的水平位移x与计算点处的地基系数CH的乘积，即P=xCHBP,由于CH随桩深度y呈正比关系，故

通过力学求解该组幂级数的方程式，得到抗滑滑动面以下桩结构任一截面的四个物理参数 (初始参数为抗滑桩起始端的位移、转角、弯矩和剪力四个物理量，即y=0时的x0、φ0、M0和Q0)解为：

侧压力：

式中：Ai、Bi、Ci、Di分别为桩身截面的换算深度，而不同的“m”法无量纲影响参数值(i=1,2,3,4)，具体见文献[4]。

(1)当抗滑桩底为固定端

xh=0,φh=0，但Mh≠0,Qh≠0将计算参数代入上式的前面两式，联立可求解。

将x0和φ0再代入上式，可获得桩身任一截面处的内力和变位。

(2)当抗滑桩底为铰支端

xh=0,Mh=0，但φh≠0,Qh≠0再不计桩底的弯矩影响。将计算参数代入上式的1，3式，联立可求解。

将x0和φ0代入上式，可获得桩身任一截面处的内力和变位。

(3)当抗滑桩底为自由端

Mh=0,Qh=0，但xh≠0,φh≠0。将计算参数代入上式后面两式，联立求解得。最后将x0和φ0代入上式，可求得桩身任一截面的内力和变位。

2.2 K法

抗滑桩顶部受水平荷载，确定挠曲线力学微分方程为：

式中：xKHBP为地基材料作用在桩上的水平抗力。

通过力学求解，得到抗滑桩滑面以下任一位置的变位、侧力和内力的计算式：

侧压力：

式中：φ1，φ2，φ3，φ4为“K”法的影响参数值，见文献[4]。

(1)当抗滑桩底为固定端

xh=0,φh=0。将计算参数代入上式的前两式，联立可求解。

(2)当抗滑桩底为铰支端

xh=0,Mh=0,但φh≠0,Qh≠0，不计桩底弯矩的影响。将计算参数代入上式前两式，联立可求解：

(3)当抗滑桩底为自由端

Mh=0,Qh=0,但xh≠0,φh≠0，将计算参数代入上式的后面两式，联立可求解。

综述上述几种边界条件对应的x0和φ0代入式(3)，可获得滑动面以下抗滑桩身任一截面位置的变形和内力。

3 算例分析

福建省内某公路地处闽西重丘山区，地质情况差异性大，坡面汇水范围大，属高填深挖岩土边坡、岩石风化导致边坡滑坡成为了路基工程的关键技术。若边坡防护加固不当，不但浪费防护加固投资，而且更能诱发滑坡，会造成严重交通阻塞，恶性事故发生。

本文以第七标段为研究范围，其重点边坡岩土主要为页岩，在工程地质、节理断裂、风化和地表水、地下水内外构造力的作用下，各种岩土介质在不同路段均造到不同程度的变形与破坏。文中以K123+300边坡为算例进行抗滑桩加固分析。

该边坡岩土层厚6～30m。风化后出现褐色和黄褐色。层理十分发育，韵律细，粘质层和泥质层互替发育，其分布厚度一般为1～3m，局部则达到0.2m。

岩体性脆，易破裂，一方面沿结构面剥离，另一方面弱面发育。在裂隙面上，常伴有褐铁薄膜。岩层产状稍缓，产状为320°∠22°，主要结构面产状为186°∠70°，其密度为24条/m。

抗滑桩加固模型采用位移边界约束条件：边坡体底部为固定边界，左、右水平边界采用水平位移约束，坡上表面为自由。本次计算的网格共划分为2524个节点，6311个单元，为保证计算的准确度，计算网格划分如图1所示。

图1 网格划分

为了节省篇幅，文中仅对抗滑桩加固的破坏模式和破坏范围进行了阐述，其应力分布计算结果不再详细列出，计算结果如图2所示。

图2 塑性区分布

图2是通过现代计算技术获得的抗滑桩加固边坡塑性区分布图。根据塑性区的分布特征可以对加固的边坡进行稳定性判断。工程上，往往是用塑性区是否贯通来控制计算的收敛性，当计算收敛时，边坡计算是稳定的，当计算未收敛时，边坡出现不同程度的贯通塑性区存在，边坡将失稳。根据文中抗滑桩加固方案，当形成从坡脚到坡顶贯通的塑性区时，意味着该边坡出现潜在的滑动的可能性，若没有形成贯通的塑性区则意味着边坡暂时是稳定的。在抗滑桩未加固情况下，边坡呈现出从坡底到坡顶贯通的塑性区，该边坡已出现了失稳。在抗滑桩加固之后，塑性区分布有了明显的改善，塑性区主要分在坡脚沿抗滑桩顶部的局部区域，在抗滑桩下部沿坡脚范围塑性区比其他区域要大，这是该边坡加固的重点范围所在，一旦塑性区贯通，并沿第二级平台发展，抗滑桩将失去加固效果。从图2所示，抗滑桩已明显的阻止了塑性区的进一步扩展，在抗滑桩后部，已无塑性区的贯通，且坡顶也没有出现失稳的塑性区，同时在边坡深部已无塑性区的存在，表明该加固技术效果明显，控制了边坡滑动的可能性。

通过抗滑桩内力计算，可以从图2的塑性区分布图得到抗滑桩加固塑性区的分布规律。在抗滑桩顶部出现微小的塑性区，沿桩身塑性区进一步扩展，在桩的顶端沿坡面出现了逐渐贯通的塑性区，呈现边坡从坡顶沿坡脚的剪切破坏模式，因此，将抗滑桩设置在边坡的中下部是减少灾害发生的关键位置所在。因此理论计算与工程实践相吻合，这为抗滑桩加固的破坏模式和加固范围提供的有益借鉴。

4 结论

在抗滑桩工程实践中发现，抗滑桩桩侧与岩土体的相互作用非常复杂，在抗滑桩的设计计算中如何考虑这一影响，值得研究。此外，对抗滑桩的设置位置、埋置深度、破坏形式等问题也需进行详细的研究。

[1]杨航宇，颜志平，朱赞凌，等.公路边坡防治与治理[J].北京：人民交通出版社，2002，1-3.

[2]刘小丽，周德培，杨涛.加固土坡的抗滑桩内力计算新方法[J].工业建筑，2003，33(4)：35-39.

[3]郑颖人，陈祖煜，王恭先，等.边坡与滑坡工程治理[M].北京：人民交通出版社，2007：394-400.

[4]戴自航，彭振斌.抗滑桩全桩内力计算“m-K”法的有限差分法[J].岩土力学，2002，23(3)：321-328.

表8 不同沥青混合料低温性能试验结果

从表8和图4可以看出：(1)未添加抗车辙剂或者湖沥青的基质沥青混合料、加入湖沥青的沥青混合料和加入抗车辙剂的沥青混合料低温性能均满足《公路工程沥青及沥青混合料试验规程》(JTJ E20—2011)中1-4区低温性能要求。，加入抗车辙剂或者湖沥青后沥青混合料低温性能提高，说明抗车辙剂和湖沥青均可以改善沥青混合料的低温性能。(2)加入湖沥青混合料低温性能＞加入抗车辙剂的混合料抗低温性能＞未加抗车辙剂或者湖沥青的混合料低温性能，说明湖沥青在改善混合料低温性能方面比抗车辙剂更优。