抗滑桩合理桩间距的确定方法

抗滑桩合理桩间距的确定方法

桩土之间的作用力在土木工程中，土壤边坡稳定是一个非常重要的问题。例如高速公路、铁路、机场和运河等交通设施的建设以及露天矿井、废渣处理、土坝工程等天然资源的开发都要考虑土坡稳定的问题。在维持土坡稳定、防止土坡滑动(滑坡)的支挡结构中,抗滑桩以其具有施工快、安全可靠、节省圬土等特点,很快在我国山区和矿山、水电等部门被广泛使用,成为整治滑坡的主要工程措施之一。抗滑桩在土中支承着滑动土体,为一空间结构的受力体系,其受力状态很复杂。对桩土之间的作用力,国内许多学者都在进行研究,但这些研究大都局限于单桩,对排桩虽然有一些研究,但可用于指导实践的成果还相对较少。国外在这方面比我们起步较早,提出了一些排扩承载力的计算式,其中有一些被工程设计者普遍采用。但这些计算式都把抗滑桩视为平面问题,有的甚至连桩间距因素都未加考虑。国内在排桩方面的一些研究,也多未克服以上缺点。实际上,桩在土中支承着滑动土体,是一空间横向受力结构,其受力状态很复杂,而且桩土之间的作用力与桩的间距有着密切的关系。抗滑力计算方法的优劣直接影响设计的合理性。1桩间破坏区分析在假定桩完全刚性,滑面以下完全固定的前提下,经过试验观察和理论分析,可以将每根桩的前后土体的塑性破坏区域分成三个区域,即桩后被压力区Ⅰ、Ⅱ区和桩前主动压力区Ⅲ区,如图1.所示。I区土体在破坏过程中主要表现为向后上方运动,产生桩后隆起现象,Ⅰ区高度为H0,当桩间距D较大时,I区下面还存在另一塑性破坏区,即Ⅱ区,Ⅱ区的土体主要表现为桩间的水平绕流运动。Ⅱ区高度为H—H0,当桩间距的无量纲值D/B(B为桩宽)小至一定值时,H0=H,Ⅱ区抗力可视为0。Ⅲ区的土主要表现为向后下方的运动,它对桩的抗力为负值。根据试验观察,假定符合实际的计算图式,根据塑性极限分析中的上限方法,由外力作用所产生的功率W外和土体的塑性变形所消耗的内能率W内相等,即w外=W内,可导出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ区土体对桩的抗力或推力E1、E2、E3及桩土摩擦力Ef的计算公式分别为:(1)f15h0+b函数当D<时(D为桩的中心间距):当D<D时:其中D=2f15H0+B函数f1,f2,…,f65是x1,x2,x3的函数。其中z1、x2、x3为几何角度,由对E1进行最小值优化确定。(2)桩厚及几何角度Ⅱ区存在三个临界桩间距D当D时:当时:其中a0=1,fk0=1-sinφB1——桩厚;δ——桩土摩擦角;x5——几何角度,经过对E2的最小值优化确定其值;α——系数,在0～1之间,由下式决定:D=(3)单桩者无桩E3不受桩间距的影响,即其计算式与单桩者无区别。其中x6为几何角度(自变量),通过对E3的最大值优化确定,函数(i=1,…,6),请参阅文献。(4)桩的极限抗滑力e当土体滑动时,在高度H0范围内还存在桩土摩擦阻力作用在桩的两侧,其总值为:计算时对F1、F2进行最小值优化,对E3进行最大值优化,并由确定临界高度H0,最后得出桩的极限抗滑力E为:实际上,与E1、E2相比,E3、2Ef的值甚至可以忽略不计,而认为E=E1+E2。经计算分析可知,当桩间距D大于某一临界间距Dσ时,按上述方法所得之极限抗滑力E与单桩者一样;当D/B愈来愈小,桩的极限抗滑力逐渐接近连续挡土墙的总被动土压力。但当D<Dcr时,桩的极限抗滑力与桩的间距有着密切的关系。根据上法确定桩的极限抗滑力结合目前工程实际中计算下滑力的方法,可以确定桩的合理间距。2单排抗滑桩的合理距离2.1剩余下滑力的计算在实际工程中,根据现场勘察确定滑坡高度H,根据上节介绍的方法计算极限抗滑力E,并选择适当的方法计算滑坡的下滑力Ps和抗滑力Pa,采用适当的安全系数,算出剩余抗滑力Pr,令F=Pr定出桩的合理间距,具体步骤如下:(1)采用合适的方法计算滑坡单位宽度的剩余下滑力,绘出剩余下滑力随斜坡宽度增大的变化曲线(设为“曲线1”)。(2)采用上节介绍的方法计算单排抗滑桩对应不同间距的单桩极限抗滑力,绘出单桩极限抗滑力随桩间距的变化曲线(设为“曲线2”)。(3)找出“曲线1”和“曲线2”交点处所对应的坡宽(桩间距),此即为单排抗滑桩的合理间距。当单排抗滑桩按其最合理间距布置时,一根桩的极限抗滑力恰好等于桩的间距范围内的剩余下滑力,此时桩的承载力以及滑坡土体的抗滑力都得到了充分发挥。至于剩余下滑力的计算,方法很多,但目前比较通用的当属圆柱滑动面的条分法,即Fellenius法。其基本原理是由下式计算斜坡稳定的安全系数:由此可以求得滑坡的剩余下滑力:如采用其它方法计算Pr,其确定合理桩间距原理不变。2.2d曲线下抗滑桩的最合理桩间距的确定,把所有大学生在其面某斜坡高30m,坡度为1.5:1,斜坡土性参数为y=18kN/m3,c=10kPa,φ=15°,欲用单排抗滑桩加固之,设桩宽桩厚均为1.0m,现按本文介绍的方法确定其最合理桩间距。如图2所示,用条分法计算斜坡的剩余下滑力。取坡宽1.0m,设经试算,确定了最危险滑动面的圆心为O点,滑动面半径为R=35m,将滑体分为若干条(为计算方便,取分条宽度为b=R/10=3.5m,各分条编号i如图2所示,令各分条圆弧滑面上重力Wi的作用点与圆心O的连线与通过O点的铅直线的夹角为θi,O点距分条i的中心的水平距离为di,则除第10分条外,均有量出各分条换算中心高度hi及弧长Li,并列表计算∑hisinθi、∑hicosθi以及L=∑Li如表1。若取不同k,可得不同之Pr(见表2):分别作不同K的Pr～D曲线(曲线1),如图3所示。设抗滑桩置于斜面至滑面深度为15m处,即滑面以上长为H=15m,采用上节介绍的方法计算不同桩间距时抗滑排桩的单桩极限抗滑力E。由于此承载力为上限值,为使计算值与真实值更为接近,根据文献的试验资料,将此承载力除以系数1.15。然后给出E～D曲线(如图3曲线2),此曲线2与Pr～D曲线之交点处对应的D值即为最合理桩间距。根据K取值不同,列表如下(表3),表中之D/B即为合理桩间距的无量纲值。3计算结果与试验结果对比(1)根据塑性极限分析中的上限方法,将单排抗滑桩的桩土相互作用视为空间问题进行研究