抗滑桩在工程中的应用

抗滑桩在工程中的应用

1抗滑桩在边坡治理中的应用抗滑桩的抗滑作用主要是利用稳定层的稳定作用和被动抗护力平衡滑动轴的斜面。与其它抗滑工程如抗滑挡墙、锚杆等相比,其具有抗滑能力强、适用条件广泛、不易恶化滑坡状态、施工安全简便,并能进一步核实地质条件等突出优点。同时抗滑桩可以和其他边坡治理措施灵活的配合。由于抗滑桩在治理滑坡及维护边坡稳定上的突出优点,使抗滑桩广泛应用于矿山边坡、铁路、公路滑坡、工业与民用建筑基坑支护、港口等边坡工程中。且抗滑桩的单桩截面已达3.5m×7.0m,单桩的长度已超过50m。抗滑桩按施工方法可分为:打入桩、钻孔桩和挖孔桩;按材料可分为:木桩、钢桩和钢筋混凝土桩;按桩的截面形状可分为:圆形桩、管形桩和矩形桩等;按桩与周围岩土的相对刚度分为:刚性桩和弹性桩;按结构型式可分为:排式单桩、承台式桩和排架桩。在滑坡治理及边坡工程中,针对不同工程地质条件,采用不同类型的抗滑桩进行边坡加固与滑坡治理取得了大量成功的经验。随着国民经济建设速度的加快,其应用前景将更加广阔。2抗滑桩的基本概念长期以来,抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理中。在国内外自20世纪60年代中较成功地开始使用抗滑桩以来,至今已有40余年的历史。在60～70年代末近10a的时间里,国内抗滑桩较多地应用于铁路滑坡治理中,并取得了良好的结果。早期的抗滑桩的设计主要参照桩基的设计推导演变而来。70年代末以来国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、方法和参数进行了广泛的研究。并结合实际工程进行了现场测试,使得抗滑桩设计理论自80年代初以来逐步完善。随着对抗滑桩研究的重视,建立在理论分析和试验基础上的计算方法,越来越接近于其实际受力状况。以下介绍抗滑桩内力的计算方法及其研究进展。2.1新型桩基、桩周土在线弹性有限元分析和计算方法国内关于抗滑桩内力计算研究成果集中体现在文献中。已有的计算方法均只考虑桩周土线弹性阶段如悬臂桩法、地基系数法、矩阵分析法、有限元法等。当今国际上流行的非线性弹塑性地基反力法是P-y曲线法。我国学者吴恒立提出的计算推力桩的综合刚度原理和双参数法,可考虑桩周土处于线弹性或非线弹性阶段。然而这两者均主要适用于桩顶作用有横向荷载或桩的外露部分作用有分布荷载。如某些桥梁桩基、海洋平台桩基的内力计算。而抗滑桩作用的主动外力——滑坡推力一般为滑动面以上的分布荷载,是有别于上述桩的。因此,在大量的实际工程中仍是采用考虑桩周土在线弹性阶段的方法计算。国外,采用线弹性地基系数法计算抗滑桩内力,常将滑面以上(受荷段)按悬臂桩考虑,按一般静力学方法求解其内力。而滑面以下(锚固段)采用有限差分法求解其内力。国内,大多采用悬臂桩法和地基系数法。悬臂桩法是最早提出的一种方法,具有简单实用的优点。该方法因将滑动面以上桩段(受荷段)视为悬臂梁,滑动面以下(锚固段)视为Winkler弹性地基梁而得名。悬臂桩法由于对桩的实际受力状况作了偏于安全的简化,因而对桩的内力计算结果是过于保守的。地基系数法即把整根梁作为弹性地基梁来处理。一般认为,其分析原理较为接近抗滑桩的实际受力状况。由于对地基系数的假定不同,以上方法又可分为“k”法、“m”法、“c”法、“m-k”法、“双参数法”等。2.2计算结果的误差由于上述方法需通过查表手算或经过查表、计算换算深度、再查表手算等烦琐的计算过程。因此,其计算过程复杂、容易出错、计算效率低、且受计算用表系数截断误差影响,计算结果会有不同程度的误差。为此,岩土工程界为了寻求更为合理的计算模式和计算方法,做了很多尝试[9,10,11,12,13,14,15,16,17,18,19,20]。然而,究竟哪种方法最符合抗滑桩的实际受力和变形情况,尚未定论。尽管国内外用抗滑桩成功地治理了大量的滑坡,但并不意味着设计与计算均与实际受力和变形情况吻合或趋于实际。往往可能是过于保守设计的结果,使滑坡治理资金浪费严重。2.2.1基于剩余推力法的抗滑桩设计推力文献根据我国一些抗滑桩模型试验和现场试桩实测试验资料分析结果,针对滑坡体岩土体性质不同,提出和推导了相应的滑坡推力和土体抗力分布函数,并列成图表。其与目前国内外习惯采用的分布图式相比,滑坡推力合力作用点均有所降低,而土体抗力作用点均有所提高,更符合抗滑桩实际受力状况。从而使抗滑桩设计更为经济合理,提高了滑坡治理设计水平。文献对抗滑桩所受的滑坡推力进行了研究,建立了剩余推力法计算滑坡推力的力学模型。给出了在不同荷载作用下的滑坡剩余推力表达式。运用剩余推力曲线,通过分析桩前土体的极限平衡,探讨了抗滑桩设计推力的计算方法。并成功的分析了位于湖北省巴东县境内的长江三峡水库区宋家屋场滑坡。2.2.2有限差分格式文献指出了抗滑桩内力计算的传统方法之地基系数法应用于岩体抗滑桩时,存在一些问题。对此,首先根据刚性抗滑桩的受力和变形特性,推导了地基系数法计算刚性桩内力的计算公式;其次根据弹性抗滑桩的受力和变形特性,导出了有限差分格式。用以分析弹性桩全桩的内力。文献进一步研究了这种线弹性计算模式,并用有限差分法进行全桩的内力分析,推导出了相应的计算公式,编写了计算和图形处理程序。工程实例计算结果表明,该方法计算结果符合理论分析和我国现场试桩得出的规律。同时与现有计算方法相比,桩身最大弯矩显著减小,从而可使抗滑桩的潜力大大提高。使抗滑桩的设计与计算更加合理、经济而有效地治理滑坡。文献基于地基系数“m-k”法的原理,提出了锚索抗滑桩当为弹性桩时全桩内力计算的有限差分法。同时,编写了该法的计算和图形处理程序。并对某滑坡的锚索抗滑桩进行了设计与计算,得到了比较满意的结果。2.2.3潜在滑动抗滑桩的设计文献提出了一种多段地基系数法。其最大优点是不仅可以适合地基系数不同的多层岩土层,而且适合桩身为变截面的抗滑桩的计算。同时计算精度很高。利用该方法对蔗头山自然山体北段,位于潘田盆地SW坡的潜在滑坡的抗滑桩进行了设计。在1998年底实施了加固。经过3a的滑坡滑移监测,滑体已趋于稳定。消除了滑坡体下方居民的恐惧感,使社会得到了稳定。2.2.4双参数法计算在大量的工程实践中,确定地基系数K时存在局限性。传统的k法、m法、c法只能作为一种经验性的假设。于是提出了双参数法来确定地基系数K。用此地基系数可以得出桩在任意深度处的位移、转角、弯矩、剪力的解析解。该算法能满足桩在滑面处的位移、转角和最大弯矩值,与实测值相等。文献通过分析运用双参数法,成功治理了位于三峡水库区湖北省秭归县水田坝乡新址规划区北部的水田坝乡下土地岭滑坡。说明运用双参数法确定地基系数K与传统方法相比,能有效地提高抗滑桩设计的经济性和安全性。文献提出了地基系数按双参数抗力模式表达下的水平梯形分布荷载桩位移和内力计算的有限差分数值分析方法,并详细推导了桩身位移的差分格式。基于这些公式,编制了全桩位移、内力及桩侧土抗力的计算和图形处理程序。可适用于滑坡抗滑桩和深基坑悬臂支护桩的设计计算。2.2.5滑动面桩身位移文献考虑到由于滑坡推力作用,桩身变位使桩前土体受压,产生弹性压缩变形。同时在受荷段桩前土体产生抗力,抵制变形。因此,将受荷段视为弹性定向铰支的悬臂梁。滑动面处桩身可产生位移,以保证桩身位移在滑动面处的连续性。这样,在内力分析时,可建立统一的坐标系。文、分别考虑对悬臂桩的“K”法和“m”法进行改进。在计算滑面以下桩身内力时,滑动面处桩身的位移大小由锚固段计算结果决定。滑动面以上桩身位移由悬臂梁法计算结果与按锚固段计算的滑面处转角计算的位移2者叠加,建立一个统一的坐标系,使其符合抗滑桩实际受力和变形情况。同时文还推导了锚固段的有限差分计算公式;编制了全桩内力计算程序。可适用于滑坡推力和桩前滑体抗力分布的多种形式以及抗滑桩为刚性桩和弹性桩的情况,同时可得到理想的可视化计算结果。2.2.6主要的计算参数一般的悬臂梁法在处理复杂地层时比较繁琐。而且该方法把抗滑桩滑面以上部分简化成悬臂梁进行计算也会产生误差。对于较复杂的抗滑桩型式,如锚索抗滑桩和钢架抗滑桩等的计算也很繁琐。然而,有限单元法对复杂结构,尤其对复杂的边界条件、复杂的地层条件和复杂的荷载条件等的计算处理都比较方便。并且有限单元法能够考虑抗滑桩与土体的相互作用。文献运用杆件有限元法和Winkler假设建立了用于求解抗滑单桩、预应力锚索抗滑桩和钢架抗滑桩3种型式抗滑桩力学模型,开发了相应的计算软件。并已应用在几个抗滑桩工程设计中。文献应用有限元数值模拟方法,对采用抗滑桩进行某黄土滑坡体的滑坡治理效果进行研究。通过二维非线性理论,详细地研究单个桩体的抗滑作用,并通过三维线弹性理论分析群桩的整体抗滑功能。数值模拟过程中,岩土体采用非线性材料模拟,抗滑桩采用线弹性材料模拟,滑动面采用一系列接触单元模拟。通过对治理前后岩体的位移场和应力场的比较分析,得出相邻2抗滑桩形成一个明显的拱支撑,使得滑体的下滑位移被抑制。垂直于抗滑桩轴线的各个剖面的应力分布完全相同。说明各个抗滑桩提供相同的抵抗力。也说明用平面应力模型进行抗滑桩力学分析完全可行。3岩土体非线性研究的困难关于抗滑桩的实际作用原理及其效果的研究,目前还在不断深入。然而由于岩土体参数的不确定性以及桩本身的非线性,给这种研究带来了很大的困难。目前主要是通过一些简化的假定和数值模拟以及试验的方法来对其进行探讨。以下对抗滑桩的5个主要的研究方向作了一些论述。3.1滑坡体与抗滑桩相互作用的研究抗滑桩是一种大截面、侧向受荷桩。在推力作用下,它可以调动起超过桩宽范围相当大一部分地层的抗力,与之共同抗滑。这种桩、土共同作用的效应,是其他许多被动承受荷载的支挡结构物,包括抗滑挡土墙在内所没有和难以媲美的。文献研究了抗滑桩与滑坡体间的相互作用机理。提出了模拟抗滑桩与滑坡体之间相互作用的新方法——极限平衡法和有限单元法相结合的方法。该方法能够很好地解决滑坡体与抗滑桩相互作用的问题。它考虑了多排抗滑桩对滑坡体的共同作用以及抗滑桩与滑动面以下土层的相互作用。同时吸收了极限平衡法简便、实用等优点。还给出了加固后滑坡体安全系数计算和抗滑桩内力计算的流程图。最后用开发的软件计算了一个实例,得到了很好的结果。文献、、中,作者通过多年对推力桩桩-土共同作用的研究,提出了计算推力桩的综合刚度原理和双参数法以及参数的确定。灵敏地计算了推力桩的非线性全过程。它能使推力桩在地面处的绕度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置等主要工程指标的计算值,同时与实测值很好的符合。它比p-y曲线法具有更多的优点。用于应用该法时需要有桩在地面处的绕度、转角、桩身最大弯矩及其所在位置的实测值,以反算综合刚度和双参数。故推荐应用于有试桩资料的重大桩工程的设计。文献主要对水平推力桩的受力状态进行了三维空间的研究。本文结合在重庆大学松林坡进行试桩得到的数据(主要通过量测荷载作用下地表水平位移),初步估计出桩周土参与桩共同作用的大致范围。研究表明,在水平推力作用下,不仅是桩前土体提供抗力,桩2侧一部分土体也由于侧阻力作用参与桩土共同作用。并初步估计出大致范围:即桩2侧各影响至30°;桩前影响至1倍桩高处。为今后的深入研究奠定了基础。3.2桩间距的确定关于桩间距的计算,研究中主要有以下特点:文献、根据抗滑桩2侧摩阻力之和不小于桩间滑坡推力这一主导思想,建立了桩间距的计算公式。即依靠桩侧与土体之间的摩阻力,平衡由土拱传递的滑坡推力或土压力。文献主要根据土拱的强度条件建立了桩间距的计算方法。未考虑桩两侧摩阻力与滑坡推力之间的静力平衡条件。文献从抛物线型土拱效应分析出发,综合考虑土拱强度条件和桩间静力平衡条件来建立桩间距的计算方法。提出应以桩间静力平衡条件、跨中截面强度条件以及拱脚处截面强度条件共同控制来确定桩间距。但所得结果为最大桩间距。在设计时要取相应的安全系数。文献基于土体的极限平衡条件,对滑坡推力作用下的土体中的成拱作用进行了研究,得出了抗滑桩的最大桩间距公式。并以某一具体工程为例,对该最大桩间距的物理意义和可用性进行了讨论。提出了设计时要考虑拱高的影响,给出了在考虑土拱效应的情况下合理桩间距的确定方法。文献根据岩土工程力学基本原理,建立桩间土楔体力学模型。通过对桩间土体的受力分析,推导出抗滑桩间距的计算公式,得出影响抗滑桩间距的主要因素为滑坡推力大小、滑体的性质、滑体厚度及桩宽等。3.3抗滑动力类型优化研究3.3.1基于滑动桩的抗滑桩设计一般抗滑桩多数设计为矩型桩。这种设计对岩体滑坡、滑体整体性较好或强度较高的滑坡的支挡效果是很好的,也比较经济合理。但在滑坡体比较松散、强度较低的土体滑坡中,矩形抗滑桩治理成本费较高。文献通过对松散土体滑坡的活动特点及抗滑桩的受力分析,提出了异型抗滑桩的设计方案。如梯形截面抗滑桩。此种抗滑桩不但经济,而且桩间土在推力作用下被挤密,能与桩形成一道桩土墙。从而提高桩土共同作用效果,对滑坡构成有效支挡。文献在分析抗滑桩的受力性质和工作状态后,提出了变截面桩和推力传递桩2种桩结构,并通过与普通抗滑桩进行力学对比分析与计算。得出这2种桩结构均可改善受力性能。降低工程造价。3.3.2索锚固基岩固定术随着治理滑坡的规模不断扩大,在80年代后期出现和发展了一种全新而有力的新型抗滑结构——预应力锚索抗滑桩结构。该结构通常利用钻孔灌注或支模浇筑成桩。在桩上设置1排或多排锚索,并对锚索施加张拉力(预应力),将桩通过锚索锚固在稳定的基岩中,以达阻止边坡滑动的目的。自1983年在重庆金鸡岩使用该方案以后,已广泛应用于各大、中型滑坡治理工程中。文即对预应力锚索抗滑桩结构在一些实际工程中的应用进行了讨论。到目前为止,我国已开展了大量针对该结构受力性能的研究,取得了一定的研究成果。文献全面评述了预应力锚索抗滑桩按弹性理论的受力分析和抗滑桩原理。然后介绍了该抗滑结构的设计方法和在楚-大公路上应用及跟踪观察的初步结果。最后指出了该方法应该进行进一步研究和完善的问题。文献对预应力锚索钻孔抗滑桩结构的受力状态和抗滑机理进行了室内试验和现场监测研究。并分析了抗滑桩、土以及锚索的受力状况,得到了该结构受力及抗滑性的一些规律。为该类结构的设计和研究提供了试验依据。3.4确定抗滑桩位置的方法和模型在边坡支护设计中,对于弹性抗滑桩来讲,桩在承受上部滑体的推力时,必然对上部土体或岩体产生反力。而该反力对桩后土体或岩体的稳定性的影响往往被人为忽略了,以至产生不安全因素。而文献在采用传递系数法对边坡进行稳定性分析的基础上,深入探讨了抗滑桩加固边坡的作用机理,建立了抗滑桩的合理位置和设计参数的确定方法。对抗滑桩的应用及设计具有一定的指导作用。文献通过运用确定1排或多排抗滑桩抗滑阻力的上、下限计算方法,提出对于1排桩,借助于下限法,可以通过试算确定其设桩范围;对于多排桩,借助于上限法,可以通过有限的组合,确定其最佳的配置。同时,运用该方法还可以确定不宜设置抗滑桩的位置范围。文献在说明岩石高边坡开挖工程中最下一级坡通常采用悬臂式抗滑桩结构的一些弊端的基础上,提出在桩前仍适当保留部分岩土体而形成埋入式抗滑桩结构,以改善桩身受力状况。并对比分析了埋入式与悬臂式抗滑桩的优缺点,阐明埋入式抗滑桩应用的经济合理性。以工程实例说明埋入式抗滑桩的应用效果好于悬臂式抗滑桩。在工程中,我们把桩顶在地面以下有一定埋深的抗滑桩称为深埋式抗滑桩。由于深埋桩较之普通抗滑桩可以减小桩长从而降低工程造价,故对其进行研究具有重要的意义。文献在深埋式抗滑桩的模型试验和相关数值模拟分析的基础上,通过资料分析,就深埋式抗滑桩的桩身受力分布规律、深埋桩承担的滑坡推力与桩顶埋深之间的关系及其适用条件,滑坡—抗滑桩体系的位移和变形特征等问题进行了深入的探讨,并得出了相关结论。其具有一定的学术和实用价值,可在抗滑桩的研究设计中参考使用。但由于试验次数较少,所以还有待进一步的研究工作加以补充和完善。3.5在相关研究中的应用情况与一般边坡治理中的抗滑桩设计相比,以整治滑坡地段隧道变形为主要目的抗滑桩设计具有特殊性。比如,在抗滑桩类型的选择和合理位置的确定上,必须考虑滑坡成因和隧道在滑坡体中的位置;在抗滑桩受力分析时,应考虑抗滑桩与隧道衬砌的相互作用等。总之,抗滑桩设计方法是否合理,是滑坡地段隧道变形整治能否成功的关键。文献针对滑坡地段隧道变形整治中抗滑桩的设计问题,提出了典型的抗滑桩类型及各类抗滑桩的适用条件,指出了确定抗滑桩合理位置的方法,讨论了抗滑桩设计中应注意的问题,并对具体的设计过程进行了举例说明。文献以东荣河隧道滑坡为原型,进行了无桩、桩隧间距16m和桩隧间距22m3种室内模型试验,研究了滑坡体内压力和位移的变化规律以及隧道衬砌的受力情况。在抗滑桩类型的选择、桩隧间距的确定、抗滑桩设置对隧道稳定的影响以及滑坡推力的分布型式等方面取得了一定的研究成果。公路边坡是运用抗滑桩支护较多的地方。文献通过对公路各型抗滑桩的介绍和受力特点的分析,提出公路边坡抗滑桩的经济、适用条件如下:当在滑坡推力不大,抗滑挡墙无法实施时,宜采用单桩。但总桩长不宜超过20m。从大量的工程实践看,锚固段岩层的强度是单桩设计的关键。桩板抗滑桩宜置于路基边缘,易于施工,外形美观,能充分利用桩的抗滑作用。但自由段不宜过长,对锚固段的承载力要求较高。框架式抗滑桩的抗滑能力大,适用于大型滑坡治理,造价比单桩和桩板抗滑桩经济。由于是排桩共同作用,对锚固段地基的强度要求不高。锚索桩的受力特点合理,可大大缩短桩的锚固段长度,施工简单,造价低。在一般情况下均可采用,并且可根据不同的滑坡形态灵活应用。4抗滑桩结构设计由于20世纪80年代初计算工具的局限性,抗滑桩设计的过程手段主要采用了查表法确定计算中的一系列系数,进而计算桩内力的方法。随着计算机技术的发展,这种分析方法已不能很好地适应现代高速发展的国民经济建设的需要。文献利用计算机技术实现抗滑桩设计中滑坡评价、参数调整、推力计算、抗滑桩内力分析、抗滑桩结构设计、施工图绘制这一系列工作的“自动化”实现,为抗滑桩的设计提供了一种准确、快速、简便、可动态调整的分析方法及评价软件。文献在抗滑桩的内力分布,抗滑桩的长度,锚固深度已知或按照经验确定了的基础上,考虑抗滑桩设计中参数的模糊性。根据相关规范在抗滑桩普通优化模型基础上建立了抗滑桩实用模糊优化模型,给出了求解该优化模型的计算方法。并用一个具体实例显示了该模型和方法的优化效果比普通优化模型优化结果更为优秀、合理。文献讨论了抗滑桩的设计方法,并编写了设计计算程序。计算结果表明在滑坡治理中综合考虑勘察和试验、滑坡稳定分析、滑坡推力计算和抗滑结构