桩板结构组合抗滑桩现场监测与计算分析

邹小兵

(中铁十九局集团有限公司 北京 100176)

1 引言

铁路路基的强度、刚度和稳定性是列车高速平稳运营的保障。在不良地质，特别是跨越深厚软弱土区域，需要采用特殊结构进行地基处理。桩板结构作为一种下部基础结构，能够改变荷载在地基结构中的传递路径，从而减小不良地质条件对列车行驶安全舒适性的影响[1]。国内工程实践中，郑西客专首次采用桩板结构对深厚湿陷性黄土地基进行处理，凭借其结构优越性，逐步成为处理深厚不良土地基的有力手段[2]。目前桩板结构已广泛应用于高铁、公路地基处理，长期监测结果表明上部荷载能通过桩板结构传递至更深的持力层，改善软弱土受力状态，且有效控制工后累计沉降[3]。随着桩板结构应用效果得到不断验证，一些工程将其作为采空区上方路基加固技术[4]以及隧道施工下穿铁路线时的路基保障技术[5]。为了解释其作用机理进而优化设计参数，文献[6]通过建立有限元模型，提出通过缩小桩体间距、按三角形布桩以及增大板厚等方式，减小板中最大主应力并降低路面不均匀沉降。

抗滑桩是一种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，是一种处理滑坡问题的可靠手段。国外早在1975年便开展了将其用于边坡的理论研究，并提出塑性和塑性流动两种理论[7]。基于这些理论，文献[8，9]提出了抗滑桩设计方法以及抗滑桩加固边坡的安全系数计算方法。在国内，特别是西部山区，抗滑桩也得到了广泛的应用[10]。文献[11]通过强度折减法进行抗滑桩加固前后高陡边坡稳定性研究，结果表明，加固后滑移带向岩土体深处转移，边坡最大位移降低且安全系数显著提高。然而，由于山区地形崎岖、地质条件复杂，工程实践中通常采用现场监测手段对其受力变形进行评价[12－15]。现场监测数据不仅能够真实反映出桩体工作性状，而且为抗滑桩的研究提供可靠数据支撑。

随着工程建设不断向山区推进，降雨引发滑坡频繁发生，桩板结构难以在桩周土体发生滑移时仍保持较好的工作状态。因此，本文提出采用桩板结构组合抗滑桩对上述问题进行处理。为进一步分析桩板结构组合抗滑桩工作机理并优化设计参数，本文对组合结构加固滑坡体进行现场监测，基于现场监测数据，建立简化的数值计算和理论计算模型分析抗滑桩参数及桩板结构－抗滑桩空间布置参数对其协同作用的影响。

2 项目概况

本监测试验工点选在新建高速铁路云桂线昆明至南宁段正线宜良－昆明区间滑坡处。该段沟谷发育，地形起伏较大，局部黏土含量大，常年有水。地下水有土层空隙潜水，少量基岩裂隙水，自然坡度一般为10°～35°，局部山坡陡峻。滑坡起讫里程为D2K700＋280～D2K700＋360，总厚度6～20 m，与线路方向基本正交。目前滑坡体上未见变形迹象，整体处于基本稳定状态。线路通过滑坡中下部，施工开挖减载后，后部将形成临空面，滑坡可能复活而产生新的滑动，滑坡体对工程影响大。

监测试验针对滑坡段采用抗滑桩加固后设置桩板结构路基，正线路基采用桩板结构处理地基，滑坡段设置抗滑桩，试验监测断面选择在D2K700＋300处，如图1所示。监测对象为后排抗滑桩(桩长16 m)。

图1 现场监测断面

根据现场调研各部分材料参数见表1。

表1 材料参数

3 桩板结构简化计算方法

桩板结构在滑面以上部分采用结构力学中“位移法”求解:

式中:[F]为节点力(N)；[K]为刚度矩阵(N/m)；[δ]为位移矩阵(m)。

滑面以下桩基计算按单桩考虑，其受力如图2所示。

图2 锚固段受力简图

采用“m”法求解锚固段内力及变形，桩体变形系数为α。

式中:mH为地基系数随深度增加的比例系数(kPa/m2)；βp为桩的计算宽度(m)。

锚固段桩的挠曲方程为:

式中:y为深度(m)；x为桩体水平位移(m)。

4 现场监测与数值模型结果对比

本监测试验采用TGCX-1-100型滑动式水平位移计(测斜仪)，为以伺服加速度计为敏感元件的滑动式测斜仪。数值模拟参照图1及表1进行建模，模型中各部件主要包括滑床、滑带、滑体、抗滑桩、桩板结构及轨道板，其中滑床、滑带、滑体采用Mohr-Coulomb模型描述，其余采用各向同性弹性模型描述。

图3为现场实测数据与计算结果对比曲线，图中红色曲线为后排抗滑桩监测结果，距桩顶6 m范围内产生比较明显的位移变化趋势，水平位移从下向上逐渐增大，方向指向坡脚外侧。黑色曲线为数值模拟计算结果，后排抗滑桩水平变形与现场实测数据趋势相同，水平变形在距离桩12 m位置处，即滑带附近出现急剧变化。

图3 抗滑桩水平变形计算与现场实测结果对比

5 桩板结构－抗滑桩相对位置研究

由于现场条件限制，有关桩板结构滑坡体受力、位移响应尚未测得。因此，基于验证后的建模思路，建立简化的桩板结构组合抗滑桩模型，进一步分析两者不同相对空间位置下的受力变形特性，为后续相关工程提供理论指导和科学依据。

5.1 数值模型建立

建立如图4所示的抗滑段滑坡桩板结构简化模型，抗滑桩分别位于桩板结构后方(见图4a)和桩板结构前方(见图4b)；采用矩形桩(3×2 m)，桩长20 m，桩间距6 m；抗滑桩与桩板结构间距均为8 m，桩板结构路基基桩采用圆形桩，桩径为1 m，桩长20 m，桩间距9 m；边坡长度和纵向深度分别为110 m和9 m，基桩和抗滑桩所在滑动面倾角为28°，各部件材料参数选取见表1。

图4 数值模型示意

5.2 数值结果分析

图5a为抗滑桩位于桩板结构后时，基桩和抗滑桩水平变形沿桩身的分布情况。对于基桩而言，水平位移在桩顶位置处最大，且由于在桩顶板与桩之间的刚性连接，内外基桩水平变形基本一致，在桩顶4 m深度以下范围内迅速减少。内基桩沿深度衰减较快，水平位移略小于外基桩，两者水平位移差在中部最大，随后差异减小，进入锚固段后水平位移基本为零。对于抗滑桩而言，变形最大值同样出现在桩顶位置，沿深度方向基本呈线性衰减，其变形最大值约为基桩的1.3倍。

图5 抗滑桩位于桩板结构后位移及弯矩情况

图5b为抗滑桩位于桩板结构后时，基桩和抗滑桩弯矩沿桩身分布情况。可见，内基桩和外基桩弯矩沿深度分布形式基本一致，基桩弯矩在桩身8 m以上时变化不大。桩身8 m以下段，弯矩沿桩身逐渐减少，并沿反向迅速增大，并在滑动面达到桩身弯矩极值。随着埋深继续增加，桩身弯矩迅速减小，在桩底弯矩近似为零。对于抗滑桩弯矩而言，在桩顶基本为零，沿桩身逐渐增加，在滑面处达到最大值而后逐渐衰减至零。从量值上来看，抗滑桩的弯矩最大值远大于基桩的弯矩，如滑面处抗滑桩最大值约为1 100 kN˙m，内基桩在滑面处的弯矩为140.6 kN˙m，说明抗滑桩提供了较大的抗力，分担了滑体中下滑力，减小滑坡体对基桩的不利影响。

图6a为抗滑桩位于桩板结构前时，基桩和抗滑桩水平变形沿桩身的分布情况。对基桩而言，水平位移沿桩身变化较设置前排抗滑桩相似，但其数值约为设置前排抗滑桩的1.5倍。对于抗滑桩而言，变形最大值同样出现在桩顶位置，沿深度方向基本呈线性衰减，其值约为前排抗滑桩的1.2倍。

图6 抗滑桩位于桩板结构前位移及弯矩情况

图6b为抗滑桩位于桩板结构前方时，基桩和抗滑桩弯矩沿桩身的分布。内基桩和外基桩弯矩沿深度分布形式有一定的差异，基桩弯矩在桩身8 m以上时变化不大，桩身8 m以下时沿桩身逐渐减少，并沿反向迅速增大，并在滑动面达到桩身弯矩极值。随着埋深继续增加，桩身弯矩迅速减小，在桩底弯矩近似为零，且内基桩承受弯矩大于外基桩。对于抗滑桩弯矩而言，在桩顶基本为零，沿桩身逐渐增加，在桩身8 m处达到极值，而后沿反向迅速增大，并在滑动面达到桩身弯矩极值而后逐渐衰减至零。

图7为抗滑桩设置在后排与抗滑桩设置在前排内基桩的受力与变形特性。选取基桩和抗滑桩间距为8 m进行对比分析。由图7可知，设置后排抗滑桩能够大幅度地限制基桩的水平变形，并减小了基桩的内力，如水平变形最大值从6.4 mm减少至3.68 mm，减少约42.5%；而设置前排抗滑桩时只减少了17.2%。由此可知，设置后排抗滑桩其效果明显优于设置前排抗滑桩。此外，针对同一工况，如无抗滑桩，基桩的变形、弯矩都将大幅增加。因此，在实际工程中为控制基桩的受力和变形应优先考虑设置后排抗滑桩[16－17]。

图7 抗滑桩及其位置对内基桩响应影响

6 结论

本文综合现场监测数据并采用数值分析方法分析了桩板结构组合抗滑桩在山区岩堆、滑坡地形中的稳定性，并探讨了不同桩板结构与抗滑桩相对位置下的组合结构响应，得出如下主要结论:

(1)桩板结构组合抗滑桩能够充分发挥两者各自的优势，同时避免滑坡推力和深厚软弱土地基对路基结构的扰动；且抗滑桩自施工完成后便立刻开始发挥承担滑坡推力的作用。

(2)设置抗滑桩能有效降低桩板结构受力变形。将抗滑桩设置在桩板结构后排优于将其设置在前方。后排抗滑桩能够更加充分地发挥承担滑坡推力的作用，使得弯矩在桩板结构内外基桩上的分配更加合理，从而更好地控制桩板结构变形。