探讨抗滑桩变形监测及位移的确定

2022-08-27丁金红

交通科技与管理 2022年16期

丁金红

（贵州省公路工程集团有限公司,贵州贵阳 550001）

0 引言

抗滑桩是治理滑坡的有效工具，工程项目施工中应用广泛且效果显著。该文应用布里渊光时域反射计（BOTDR）进行抗滑桩深部变形监测，深入挖掘监测数据并将其转变为抗滑桩工作状态评估的具体指标[1-3]。某高速公路滑坡抗滑桩，深部变形监测应用BOTDR技术，基于该技术提出抗滑桩位移值确定方案并明确计算方法[4-5]。

1 抗滑桩位移应用分析

弹性地基梁法是抗滑桩设计中最常用手段，相关公式如下所示：

（1）抗滑桩桩侧任意一点z的弹性抗力P(z)：

式中，K——地基系数；BP——桩计算宽度，X(z)为地层平均水平位移值。

（2）抗滑桩横向位移X(z)、转角φ(z)，弯矩M(z)、剪力H(z)均为埋深z的函数，其相互关系如下:

式中，EIz——抗滑桩的抗弯刚度。

结合上述公式进行抗滑桩设计、深度变形数据监测和数据验算，结合项目边界条件限定情况进行评估。抗滑桩位移值与力学指标之间存在相关性，可结合位移值进行抗滑桩相关参数的详细计算。

2 计算模型的建立

2.1 基本假定

不考虑对计算结果精度的影响，做出以下假定：

（1）抗滑桩为浇筑均匀的弹性构件形成的桩体。

（2）桩底为铰支端，存在转角但水平位移值为零[6]。

2.2 推导过程

将桩身自重考虑在内，抗滑桩应变与截面弯矩之间的关系如图1所示。

图1 计算模型

式中，γ——抗滑桩重度，取γ=2.5×104N/m3；H——抗滑桩桩高；ε(x,z)约为z处截面离中性轴x处点的应变；Iz——z处截面对中性轴的惯性矩；ε(x,z)约为z处截面离中性轴x处点的应变。

将式（6）代入式（3）得：

假定上述表达式中应变监测剖面固定，x与E已知，d为BOTDR采样间隔，且以ε(z)代替ε(x,z)，边界条件确定后即可获得抗滑桩应变位移值。从桩底进行计算，选定2d为长度单位，长度计算单位不足时，转角与该段起始点的应变值相等且挠度为零，对抗滑桩位移值进行分段计算，重合位置的位移值一致。根据连续条件逐段进行积分，以获取不同位置桩身对应的转角与位移值，获得连续的位移曲线。

计算过程如下：首先，对积分表达式进行变换x(z)=F(z)+Az+B，随后，将未知数项提取出来并用A和B来表示，分步进行计算，其公式如下：

（1）第一步（O≤z≤2d）：

1）计算表达式，x1(z)=F1(z)+A1z+B1；

2）边界条件，φ1(0)=A1=ε(0)，x1(0)=0。

（2）第二步（2d≤z≤4d）：

1）计算表达式，x2(z)=F2(z)+A2z+B2；

2）边界条件，φ2(2d)=A2=ε(2d)；x2(2d)=x1(2d)。

（3）第n步[2(n-1)d≤z≤2nd]：

1）计算表达式，xn(z)=Fn(z)+Anz+Bn；

2）边界条件，φn[2(n-1)d]=An=ε[2(n-1)d]；xn[2(n-1)d]=xn-1[2(n-1)d]。

3 工程案例

3.1 工程概况

为提高滑坡安全指数，降低事故风险概率，某高速公路滑坡段拟于滑坡坡脚处设置抗滑桩进行加固。应用BOTDR技术、测斜仪或对抗滑桩桩身应变值、位移值进行详细监测，判断目标坡段抗滑桩施工前、施工中、施工后滑坡状态[7]。验证光纤铺设方法与抗滑桩侧向位移值之间的关系：抗滑桩斜管外侧适宜位置附着光纤，并于刻槽位置标记Fiberl，如图2所示；光纤沿抗滑桩主筋外侧铺设并标记为Fiber2，如图2所示。

图2 抗滑桩z-z截面结构图

3.2 计算结果分析

3.2.1 Fiberl应变监测及计算结果

计算中的选用的坐标情况如图1所示。计算过程中以二次曲线对0.1 m内的监测点拟合成方程，减少数据拟合可能导致的计算误差并提高计算精度，分析拟合结果可知，抗滑桩自重与光纤应变之间无明显关联性。结合监测结果对抗滑桩位移、转角进行计算，详见图3所示。

图3 抗滑桩高与转角和位移的关系（Fiberl）

根据计算结果分析，抗滑桩桩身位移值与监测结果基本一致，位移曲线具备连续性。

抗滑桩测斜管位移监测结果显示，计算结果与位移曲线之间吻合性较高，桩底5 m左右有明显的突变性位移。抗滑桩应变监测结果显示，桩体整体应变性均匀，桩底上5 m左右位置无明显变形。抗滑桩测斜管位移监测结果显示位移突变，影响因素如下：

（1）测斜仪操作为人工作业，每次操作精度难以保持，各点对照无法保障完全一致。

（2）测斜管为节段性连接，每节管连接处易出现导向槽偏移，从而导致导向槽不成直线，测量值与正常值之间存在误差。

（3）测斜仪采样间隔为0.5 m，通过将各监测点数据连接形成位移曲线，可能影响曲线光滑度并引起突变状况。

（4）抗滑桩浇筑环节，桩体自身均匀度不一，而计算时将其看做完全均匀桩，埋深不同会导致参数差异，对最终的计算结果产生误差。

3.2.2 Fiber2应变监测及计算结果

将抗滑桩自重考虑在内，对比抗滑桩主筋光纤应变监测数据值与拟合数据值，结果显示两者吻合度高，抗滑桩重度对监测结果和拟合结果无显著影响。根据应变监测结果，抗滑桩光纤应变趋势与测斜管应变趋势之间的差异较小，可见抗滑桩光纤预埋位置、埋设方式会对应变监测结果产生影响[8]。

以上述模型为基础进行应变监测，对相关数据加以转换，详见图4所示。Fiber2的抗滑桩成桩过程与Fiberl一致，但其抗滑桩高为35 m，确定主筋附着光纤为35 m，而Fiberl测斜管光纤长度为32 m，故Fiber2监测条件与Fiberl有所差异。图中所示桩高与光纤长度相对应，对计算结果分析可知，抗滑桩桩底5 m内，存在一定的挠度但位移无明显变化，证实抗滑桩地段为铰支和测斜管底段位移为零的假设均合理。

图4 抗滑桩高与转角和位移的关系（Fiber2）

3.3 计算模型讨论

BOTDR监测技术在抗滑桩深度变形监测中广泛应用，该技术的最大优势在于抗干扰能力强，周边环境变化、施工操作等对测量结果影响较小，但该技术需进行大量数据监测，为提高数据准确性和精准度，需确保基础数据充足。计算假设是以实际项目实践为基础提出的，计算过程中理论物理公式意义明确，通过对计算结果与实际值的比对，可以验证计算假设的可靠性，判断其是否符合实际需求。根据实际计算结果分析，0.1 m范围内抗滑桩的应变变化跳跃性较小，分析监测结果可知目标范围内的应变属于微应变范畴，正切值与转角数据基本一致，符合实际情况。

对抗滑桩弹性模量、抗滑桩重度参数进行计算，由于试验条件受限，选定经验值作为相关数据值，可能导致计算值与监测结果之间存在一定误差。此外，地质条件会对抗滑桩工程质量产生影响，并导致监测结果与计算值之间不一致，而该文计算结果显示实际监测结果与计算值之间差异不大，基本上满足需要，可将监测结果作为抗滑桩位移监测的参考[9]。