大截面钢筋混凝土抗滑桩位移监测与分析

大截面钢筋混凝土抗滑桩位移监测与分析

1支护结构的监测山坡或山坡工程是一项复杂的开放系统，其工程地质和水文条件非常复杂、多变。此外，人类工程活动的变化不足。为了给出完整的答案，许多知识很难理解。滑坡或边坡工程现场原型观测是1∶1的模型试验,监测结果包含众多作用于工程实际且符合工程实际运行条件与物理过程的影响因素,包含各种复杂的地质和边界条件,是研究工程实体的最强有力的第一手实测资料。抗滑桩是目前治理大中型中、深层滑坡的基本方法,已在水电、铁(公)路、矿山和城建等滑坡加固工程中得到广泛应用,尤其是当滑坡滑动面较深,滑动面以下滑床地层强度较高时,更能体现其优越性[1~4]。前人[5~12]对桩身变形受力状态、桩前抗力和桩后推力等也做了一定研究。桩身变形监测主要是为了测定桩身沿桩长位移大小、位移分布状况和桩身变形规律等。开展抗滑桩变形受力状态现场监测,以期达到以下目的:(1)判断滑动面位置和滑动体规模。(2)实时监控抗滑桩工程的安全性,切实提高边坡和整治工程的安全度。(3)检验抗滑桩的加固效果和施工质量,同时为深入分析其加固机制、受力变形状况提供第一手的观测数据,将监测资料反馈于抗滑桩设计与施工,以达到优化设计与施工的目的。(4)结合其他监测项目,可揭示一些重要的影响滑坡和路堑边坡稳定性的因素;(5)为指导今后同类问题的整治优化、反分析等提供大量可资借鉴的实测资料。通过测定桩身位移来估算抗滑桩所受的弯矩、剪力和抗滑力等受力状态,目前仅有关于钢轨抗滑桩的文献报道,未见有关钢筋混凝土抗滑桩的,本文尝试在这方面作些有益的探讨。2抗滑桩加固坡体设计在湖北省一高速公路建设过程中,发现韩家垭滑坡规模巨大,边界清楚,具有典型的滑坡特征,滑面因蠕滑变形而形成的摩擦镜面在太阳光下闪闪发光。其中上部变质辉绿岩体中存在双层滑动带,上层滑动面埋深7.5~13.5m,发育于强风化与弱风化层的分界面,属浅层滑动;下层滑动面埋深18.0~30.0m,发育于弱风化变质辉绿岩内,属深层滑动。该滑坡为一巨型推动式、坐落式基岩型滑坡。在充分搞清滑坡特征和深入分析滑坡形成力学机制基础上,针对本滑坡产生的原因以及各种整治措施的使用条件,使边坡及滑坡处治方案更加经济合理,经多种方案的比选,最终采用在其中上部变质辉绿岩内的滑体主要采用2排大截面钢筋混凝土抗滑桩支挡、在人工开挖边坡上采用锚喷支护,辅以深部及地表截排水、现场监测等综合整治方案。所设计的抗滑桩,在主滑断面I–I′上,上排抗滑桩自由段长26.0m,锚固段长13.0m;下排抗滑桩自由段长19.0m,锚固段长10.0m。在副剖面上,上排抗滑桩自由段长22.0m,锚固段长11.0m;下排抗滑桩自由段长16.0m,锚固段长8.0m。抗滑桩截面为2.6m×5.0m(滑动主轴附近),2.4m×3.0m(下排桩滑体两侧),2.4m×4.0m(上排桩滑体两侧)3种,抗滑桩长边与滑体主轴方向一致(NE14°)。抗滑桩桩心距为8.0m。0509工点滑坡在高速公路未施工前处于相对稳定状态。在2000年10月边坡出现失稳破坏形成约10×104m3的滑坡,滑面深10.0m左右。后将滑坡体清除,该处边坡坡率放缓至1∶2。在2001年5月一次较大降雨后,在原滑坡部位再次出现更大规模的滑坡,滑动面埋深约14.0m左右,南北长约80.0m,东西宽约60.0m,加固前最大下滑位移达150cm,建点观测水平位移速率大于1cm/d,2001年8月7~8日的一场大雨使该滑坡下滑1.0m多,并有不断向南山坡上逐渐发展的趋势。最后采用钢轨抗滑桩对该滑坡进行应急加固抢险,当施工约20根时,就基本遏制住该滑坡的下滑。由于抗滑桩是治理该二处滑坡的关键支挡工程,必须确保抗滑桩的稳定和安全,为此,尝试采用钻孔测斜仪监测抗滑桩变形受力状态。韩家垭和0509工点滑坡抗滑桩和监测孔布置如图1所示。3基本原则3.1桩身变形刚度计算方法将抗滑桩视为埋于土内的弹性地基梁,把桩周的土体视为弹性变形介质,具有沿深度成正比增长的地基系数。在计算桩身弯曲变形时,不考虑桩与土之间的黏着力和摩阻力的影响,桩顶与地面齐平,桩顶作用有力矩M0、轴向力N和横向力Q0,因此,桩身产生横向(侧向)位移y(z)和转角ϕ(z),当深度z处桩身产生侧向变位y(z)时,该深度z处桩侧土作用于桩上的土抗力为式中:C(z)为深度z处土的侧向(水平向)地基系数,该系数随深度成直线增长,即C(z)=mz(其中m为地基系数);b0为桩侧土抗力的计算宽度。则根据文克勒假设,得出这种弹性地基梁的弹性曲线微分方程为由于N的影响很小,所以可以不考虑项。于是,该梁的弹性曲线微分方程为式中:E为桩身材料的受挠弹性模量,I为桩身横截面惯性矩。现按图2(a)的图式采用幂级数对式(3)进行求解,可获得图2(b)~(f)所示的一组曲线,由此可分别求得桩身水平位移、转角、桩中弯矩和剪力以及桩侧土压力。根据桩身水平位移监测结果,求得桩身转角、弯矩、剪力、桩前抗力分别为式中:Eg为钢轨材料弹性模量。3.2抗滑桩的设计计算为了大致估算出钢轨抗滑桩的受力状况,将钻孔测斜仪法应用到钢轨抗滑桩受力状态监测中,主要是想通过捆绑在钢轨两侧的测斜仪导管测定钢轨桩沿中轴线的横向水平位移,把所测横向变形当作钢轨桩的弯曲变形,根据变形反算出钢轨桩横截面上的弯矩、正应力,进而计算出钢轨桩的抗滑力。首先,求出钢轨桩所受的弯矩:式中:z为抗滑桩轴线方向的深度坐标,以地面处桩顶为坐标原点;y(z)为抗滑桩截面形心点在垂直于z轴方向的合成累积水平向位移函数,即挠度;y′(z)为挠度y(z)对z的二阶导数,可由差分方法计算得到。然后,求出抗滑桩所受的应力:式中:d为截面边缘到中性面的最大距离。最后,求出钢轨抗滑桩的实际抗滑力:式中:w为截面抗弯模量;l为钢轨的最大尺寸;即,B为轨底宽,h为轨高。而钢轨抗滑桩的设计抗滑力为式中:[σ]为钢轨的允许应力。把据式(10)求出的钢轨桩实际所受抗滑力与据式(11)所求得的钢轨桩设计允许抗滑力进行比较,即可检验抗滑桩实际所受的力是否超过设计的抗滑力。4监控结果分析4.1深度滑动面16#桩身根据15#抗滑桩测斜孔监测结果,先求桩身平均累计水平位移(见图3),然后根据式(5),(7)求得桩身弯矩和桩前抗力随深度变化曲线(见图4,5)。从图4中可见15#桩身在9~10,17~18m处弯矩明显较大,可进一步判定该二处滑动面的存在。由图5可知,15#桩桩前抗力约为9,17~18m处较大,但总体上看比较杂乱,规律性不明显。4.2受弯矩、实际抗滑力在计算钢轨桩所受的弯矩和实际抗滑力时,先根据BM11~16孔所测得的合成累积位移数据,求得各对孔的平均合成累积位移值(见图6),然后根据式(8),(10)求出钢轨桩所受弯矩、实际抗滑力随深度变化的数值,并绘出相应的图件(见图7,8)。从图8可见,50#钢轨桩处滑面埋深约14m,所受最大实际抗滑力为222.09kN,位于主滑断面附近的50#钢轨桩处滑面埋深最大、所受抗滑力也最大,而靠近滑体边缘的钢轨桩所受抗滑力明显较小,滑面埋深也相对较浅。钢轨桩的设计抗滑力为355.00kN,说明目前钢轨桩所受的力为中等,最大实际抗滑力约为设计荷载的62.56%,该结果表明0509工点滑体经加固整治后目前处于稳定状态,抗滑支挡结构目前的安全储备较高。5现场监测结果(1)运用钻孔测斜仪来监测抗滑桩身水平位移,然后通过桩身挠度估算抗滑桩所受的弯矩、剪力和抗滑力,定量确定抗滑桩的受力状态。(2)钢筋混凝土抗滑桩可根据弹性地基梁有关公式,由桩身水平位移监测结果来求出桩身所受弯矩、剪力及桩前抗力等。钢轨抗滑桩也可由桩身水平位移监测数据来计算得出钢轨桩所受弯矩、抗滑力等。(3)从现场监测结果可知,韩家垭滑坡中的主滑体存在上、下2层滑动带。抗滑桩在滑动带处