一、概述
抗滑樁具有以下優(yōu)點(diǎn):
(1) 抗滑能力強(qiáng),支擋效果好;
(2) 對(duì)滑體穩(wěn)定性擾動(dòng)小,施工安全;
(3) 設(shè)樁位置靈活;
(4) 能及時(shí)增加滑體抗滑力,確;w的穩(wěn)定;
(5) 預(yù)防滑坡可先做樁后開(kāi)挖,防止滑坡發(fā)生;
(6) 樁坑可作為勘探井,驗(yàn)證滑面位置和滑動(dòng)方向,以便調(diào)整設(shè)計(jì),使其更符合工程實(shí)際。
二、抗滑樁類型
實(shí)際工程應(yīng)用中,應(yīng)根據(jù)滑坡類型及規(guī)模、地質(zhì)條件、滑床巖土性質(zhì)、施工條件和工期要求等因素具體選擇適宜的樁型。
三、抗滑樁破壞形式
總體而言,抗滑樁破壞形式主要包括:
(1) 抗滑樁間距過(guò)大、滑體含水量高并呈流塑狀,滑動(dòng)土體從樁間擠出;
(2) 抗滑樁抗剪能力不足,樁身在滑面處被剪斷;
(3) 抗滑樁抗彎能力不足,樁身在最大彎矩處被拉斷;
(4) 抗滑樁錨固深度及錨固力不足,樁被推倒;
(5)抗滑樁樁前滑面以下巖土體軟弱,抗力不足,產(chǎn)生較大塑性變形,使樁體位移過(guò)大而超過(guò)允許范圍;
(6)抗滑樁超出滑面的高度不足或樁位選擇不合理,樁雖有足夠強(qiáng)度,但滑坡從樁頂以上剪出。
對(duì)于流塑性地層,滑體介質(zhì)與抗滑樁的摩阻力低,土體易從樁間擠出。此時(shí),可在樁間設(shè)置連接板或聯(lián)系梁,或采用小間距、小截面的抗滑樁,因流塑體的自穩(wěn)性差,當(dāng)?shù)叵滤S富時(shí),開(kāi)挖截面過(guò)大的抗滑樁易造成坍塌,對(duì)處于滑移狀態(tài)的邊坡,還可能會(huì)加速邊坡的滑移速度,甚至造成邊坡失穩(wěn)。
四、抗滑樁設(shè)計(jì)
01基本要求
抗滑樁是一種被動(dòng)抗滑結(jié)構(gòu),只有當(dāng)邊坡產(chǎn)生一定的變形后,才能充分發(fā)揮作用。因此,抗滑樁宜用于潛在滑面明確、對(duì)變形控制要求不高的土質(zhì)邊坡、土石混合邊坡和碎裂狀、散體結(jié)構(gòu)的巖質(zhì)邊坡。
抗滑樁宜布置在滑體下部且滑面較平緩的地段;當(dāng)滑面長(zhǎng)、滑坡推力大時(shí),可與其它加固措施配合使用,或可沿滑動(dòng)方向布置多排抗滑樁,多排抗滑樁宜按梅花型布置。此外,抗滑樁設(shè)計(jì)還應(yīng)滿足以下要求:
✔通過(guò)樁的作用可將滑坡推力滑坡的剩余抗滑力傳遞到滑面以下穩(wěn)定地層中,使滑體邊坡安全系數(shù)達(dá)到規(guī)定值。保證滑體不越過(guò)樁頂,不從樁間擠出。
✔樁身有足夠的穩(wěn)定性。樁的截面、間距及埋深適當(dāng),錨固段的橫向應(yīng)力在容許值內(nèi)。
✔樁身有足夠的強(qiáng)度。鋼筋配置合理,能夠滿足截面內(nèi)力要求。
✔保證安全,施工方便,經(jīng)濟(jì)合理。
02設(shè)計(jì)流程
1)研究滑坡原因、性質(zhì)、范圍、厚度,分析滑坡的穩(wěn)定狀態(tài)、發(fā)展趨勢(shì);
2)根據(jù)滑坡地質(zhì)剖面及滑面處巖土體的抗剪強(qiáng)度指標(biāo),計(jì)算滑坡推力;
3)根據(jù)地形、地質(zhì)及施工條件等確定設(shè)樁位置及范圍;
4)根據(jù)滑坡推力大小、地形及地層性質(zhì),擬定樁長(zhǎng)、錨固深度、樁截面尺寸及樁間距;
5) 確定樁的計(jì)算寬度,并根據(jù)滑體的地層性質(zhì),選定地基系數(shù);
6)根據(jù)選定的地基系數(shù)及樁的截面形式、尺寸,計(jì)算樁的變形系數(shù)及其計(jì)算深度,據(jù)此判斷是否按剛性樁或彈性樁進(jìn)行設(shè)計(jì);
7) 根據(jù)樁底的邊界條件采用相應(yīng)的公式計(jì)算樁身各截面的變位、內(nèi)力及樁側(cè)應(yīng)力(樁周巖土抗力)等,并計(jì)算最大剪力、彎矩及其位置;
8)校核地基強(qiáng)度,若樁身作用于地基的彈性應(yīng)力(橫向壓應(yīng)力)超過(guò)地層容許值或小于容許值過(guò)多時(shí),則應(yīng)調(diào)整樁的埋深、截面尺寸或間距,重新計(jì)算,直至達(dá)到相關(guān)要求;
9) 根據(jù)計(jì)算結(jié)果,繪制樁身的剪力圖和彎矩圖;
10) 對(duì)于鋼筋混凝土樁,根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)。
03作用力系
作用于抗滑樁的外力主要包括滑坡推力、樁前滑體抗力(滑面以上樁前滑體對(duì)樁的抗力)、錨固段地層抗力(滑面以下地層對(duì)樁的抗力)、樁側(cè)摩阻力和黏著力以及樁底反力等,其均為分布力。
04滑坡推力
作用于抗滑樁上的滑坡推力,與滑坡性質(zhì)、滑體厚度、滑面形狀以及樁的位置、間距等因素相關(guān)。一般先用工程地質(zhì)法的各種手段,對(duì)滑坡穩(wěn)定性進(jìn)行分析,然后輔以力學(xué)計(jì)算。由于樁間土拱對(duì)滑坡推力的影響機(jī)理尚不清晰,通常假定每根樁所承受的滑坡推力等于樁距(相鄰兩根樁中心的距離)范圍之內(nèi)的滑坡推力。剩余下滑力的計(jì)算有兩種模式,分別通過(guò)加大下滑力、折減抗滑力進(jìn)行計(jì)算。
1) 計(jì)算基本假定
①在沿滑動(dòng)主軸方向的地質(zhì)縱斷面圖上,按滑面的產(chǎn)狀和巖土性質(zhì)劃分為若干鉛直條塊,由后向前計(jì)算各條塊分界面上的剩余下滑力即是該部位的滑坡推力;
②每段滑體的下滑力方向與其所在條塊的滑面平行;
③橫向按單位寬度計(jì)算,不考慮兩側(cè)的摩擦阻力;
④視滑體為連續(xù)而無(wú)壓縮的介質(zhì),由后向前傳遞下滑力并作整體滑動(dòng),不考慮滑體內(nèi)部的局部應(yīng)力作用。
2) 滑體上的作用力
第i 個(gè)條塊滑體上的作用力可分為基本力系和特殊力系兩類。
基本力系包括滑體自重Wi、上一條塊傳遞來(lái)的剩余下滑力Ei-1、下一條塊產(chǎn)生的支撐力Ei、滑床反力Ni、滑面的抗滑力Ti;
特殊作用力系只有在可能出現(xiàn)的情況下,才列入計(jì)算,其主要包括作用在條塊上的外部荷載Pi、動(dòng)水壓力Di (滑體飽水或其下部飽水且與滑帶水相連通時(shí)考慮)、滑床上產(chǎn)生的浮托力Si、滑頭水系有壓力水頭時(shí)的浮托力Si’ 及地震力Esi等。
3) 各作用力的計(jì)算
4) 通過(guò)加大下滑力計(jì)算
5) 通過(guò)折減抗滑力計(jì)算(推薦)
05滑坡推力計(jì)算
計(jì)算滑坡推力時(shí),首先根據(jù)試驗(yàn)資料、經(jīng)驗(yàn)數(shù)據(jù)等進(jìn)行綜合分析,擬定各條塊滑面的ci、φi值,或整個(gè)滑面的平均c、φ值,令F=1,依次計(jì)算各條塊的剩余下滑力,并要求滑坡前緣出口的剩余下滑力等于或趨近于零。若不為零,則需調(diào)整c、φ值,重復(fù)計(jì)算,直至等于或趨近于零為止,即反算求得c、φ值,如曲線a,進(jìn)而綜合確定滑面(帶)的強(qiáng)度指標(biāo)。
其次,根據(jù)工程要求,選定安全系數(shù)F,再重新計(jì)算各條塊的剩余下滑力,即為設(shè)計(jì)下滑力,如曲線b;虑熬壋隹谔幍淖罱K不平衡下滑力 ,其為抗滑樁設(shè)計(jì)的主要依據(jù)之一。最后,根據(jù)選定的樁位、樁間距,計(jì)算作用在每根樁上的滑坡推力。
06滑坡推力分布形式
滑坡推力分布及其作用點(diǎn)位置,與滑坡類型、部位、地層性質(zhì)、變形狀況及地基系數(shù)等因素有關(guān)。當(dāng)滑體沿?cái)嗝娓叨染鶆蛳蛳伦冃、地基系?shù)為常數(shù)時(shí),推力呈矩形分布;當(dāng)?shù)鼗禂?shù)沿?cái)嗝娓叨瘸示性變化時(shí),則推力呈三角形分布;當(dāng)?shù)鼗禂?shù)在頂部呈線性變化、底部為常數(shù)時(shí),則推力呈梯形分布。
當(dāng)滑坡為堆積層、破碎巖層時(shí),下滑力自上而下呈三角形分布,由于滑體與滑床間存在摩擦,其下滑力有所減小,因而整個(gè)分布圖形接近于拋物線形。一般而言,若滑體變形是均勻向下蠕滑,當(dāng)滑體是一種黏聚力較大的地層(如黏土、土夾石等),其推力分布圖形可近似按矩形考慮;若滑體是一種以內(nèi)摩擦角為主要抗剪特性的堆積體,其推力分布圖形可近似按三角形考慮,甚至按二次曲線考慮;介于此兩者間的情況,可假定為梯形。實(shí)際工程中,一般根據(jù)具體情況采用三角形、梯形或矩形分布。
07樁周巖土抗力
設(shè)置抗滑樁后,當(dāng)抗滑樁受到滑坡推力作用產(chǎn)生變形時(shí),一部分滑坡推力傳遞到樁前滑體(滑面以上),另一部分通過(guò)樁體傳遞到錨固段地層(滑面以下)?够瑯吨?chē)鷰r土體對(duì)抗滑樁的抗力作用稱為樁周巖土抗力,其中滑面以上的稱為樁前滑體抗力,或受荷段地層抗力;滑面以下的為錨固段地層抗力。
① 地基系數(shù)為常數(shù)(即“K”法)的假定,適用于較完整巖層和硬黏土;
② 地基系數(shù)與深度成正比例增加(即“m”法)的假定,適用于硬塑至半堅(jiān)硬的砂黏土、碎石類土或風(fēng)化破碎的巖層。
2) 彈性抗力
在彈性限度內(nèi),與變位成正比的樁周巖土抗力稱為彈性抗力,根據(jù)彈性理論,由地基系數(shù)計(jì)算樁周巖土作用于樁身的彈性抗力值及其分布。假定地層為彈性介質(zhì),樁為彈性構(gòu)件,作用于樁側(cè)任一點(diǎn)y處的彈性抗力
3) 樁前滑體抗力樁前滑體抗力與滑坡性質(zhì)、樁前滑體規(guī)模等因素相關(guān)。試驗(yàn)表明,樁前滑體體積愈大,抗剪強(qiáng)度愈高,滑面愈平緩、粗糙,樁前滑體抗力愈大,反之愈小。此外,還與是否存在多層滑面有關(guān)。當(dāng)抗滑樁在滑坡推力作用下產(chǎn)生變形,滑面以上樁前滑體抗力小于樁體所提供的極限抗力時(shí),樁前滑體將產(chǎn)生隆起破壞,或沿樁前滑體中某一薄弱面產(chǎn)生剪切破壞。
樁前滑體抗力可由極限平衡時(shí)滑坡推力曲線、樁前被動(dòng)巖土壓力或樁前滑體的彈性抗力(樁前剩余抗滑力)確定,設(shè)計(jì)時(shí)選用較小值。
①根據(jù)滑坡推力曲線確定樁前滑體抗力時(shí),假定滑坡處于極限平衡狀態(tài),滑面以上的c、φ值根據(jù)反算法確定時(shí),抗滑樁需要承受的推力(樁上設(shè)計(jì)荷載)為T(mén)=E-P 。
②以樁前被動(dòng)土壓力作為樁前滑體抗力時(shí),可按朗肯被動(dòng)土壓力公式計(jì)算。
③采用地基系數(shù)法時(shí),將滑面以上樁身所受的滑坡推力作為已知設(shè)計(jì)荷載,然后根據(jù)滑面上下地層的地基系數(shù),把整根樁視為彈性地基梁進(jìn)行計(jì)算,不考慮滑面存在的影響。
應(yīng)特別注意,若樁前滑體將被挖掉或可能滑動(dòng),則不存在樁前滑體抗力,此時(shí)應(yīng)將滑坡推力直接作為樁上設(shè)計(jì)荷載。
樁前滑體抗力的分布圖形基本呈拋物線,抗力的最大值出現(xiàn)在滑體中部,靠近滑面的應(yīng)力較小。當(dāng)滑體為黏性土?xí)r,由于黏聚力影響,頂端抗力較滑體為松散介質(zhì)時(shí)大,合力重心也較高。在工程設(shè)計(jì)中,樁前滑體抗力一般采用與滑坡推力相同的應(yīng)力分布形式,也可采用拋物線分布形式。當(dāng)采用拋物線分布時(shí),可將抗力圖形簡(jiǎn)化為一個(gè)三角形和一個(gè)倒梯形。
4) 錨固段地層抗力
錨固段地層抗力分兩種情況:①抗滑樁錨固在完整巖層中,此時(shí)把滑面以下的地層當(dāng)作半無(wú)限的空間彈性體,抗滑樁處理為插入其中的一根桿件較為合適,因按空間彈性體計(jì)算較為復(fù)雜,故一般采用彈性力學(xué)中簡(jiǎn)便的鏈桿法計(jì)算,滑面處的抗力圖形有明顯的應(yīng)力集中現(xiàn)象;②抗滑樁錨固在破碎巖層或堆積層中,此時(shí)可將地層視為彈性介質(zhì),采用地基系數(shù)法較為合適,而滑面處抗力較小。
08抗滑樁設(shè)計(jì)要素
1) 樁的平面位置及其間距
抗滑樁的平面位置和間距,一般應(yīng)根據(jù)滑坡的地層性質(zhì)、推力大小、滑面坡度、滑體厚度和施工條件等因素綜合考慮確定。多數(shù)滑坡體上部滑面陡,張拉裂縫多,不易設(shè)樁且在此部位設(shè)樁并不能對(duì)潛在滑體的中下部發(fā)揮作用,故效果較差;中部滑面深,下滑力大,設(shè)樁的工程量大,施工較為困難;潛在滑體的下部,滑面較緩,下滑力較小或系抗滑地段,布設(shè)樁容易,且基本上能對(duì)整個(gè)潛在滑體起到抗滑作用,在工程實(shí)踐中,多將抗滑樁布設(shè)在該部位。
在平面上,樁通常為一排,布置方向應(yīng)與滑體滑動(dòng)方向垂直或接近垂直。對(duì)于沿滑動(dòng)方向很長(zhǎng)的多級(jí)滑體或下滑力很大的滑體,設(shè)兩排或多排抗滑樁分級(jí)處治較為合理,也可采用抗滑樁和其它措施聯(lián)合處理。合理的樁距應(yīng)使樁間滑體具有足夠的穩(wěn)定性,在下滑力作用下,不致從樁間擠出。初步選定時(shí),樁的中心距可為6~10m,且宜大于樁的橫截面短邊或直徑的2.5倍。
2) 樁的橫截面及其計(jì)算寬度
抗滑樁橫截面形狀對(duì)樁的抗滑作用有較大影響。當(dāng)滑體滑動(dòng)方向明確時(shí),可采用矩形截面,其長(zhǎng)邊宜與滑動(dòng)方向一致;當(dāng)滑體滑動(dòng)方向難以準(zhǔn)確確定時(shí),宜采用圓形截面。抗滑樁的截面尺寸應(yīng)根據(jù)單樁承受的滑坡推力大小、錨固段地層橫向容許承載力和樁間距等因素確定,且樁最小邊寬度不宜小于1.25m。初步選定時(shí),矩形截面的短邊邊長(zhǎng)可為1.5~3m,長(zhǎng)邊邊長(zhǎng)不宜小于短邊的1.5倍;圓形截面的直徑為1.5~5m。
3) 樁的錨固深度
樁的錨固深度與穩(wěn)定地層的強(qiáng)度、滑坡推力、樁體剛度、截面和間距、是否及如何考慮樁前滑體抗力等因素有關(guān)。錨固不宜過(guò)深,通常采用縮小樁距或調(diào)整樁體截面尺寸等方法,以減小錨固深度?够瑯跺^固段應(yīng)錨固于潛在滑面以下的穩(wěn)定地層內(nèi),且不應(yīng)產(chǎn)生新的深層滑動(dòng)。初步選定時(shí),錨固深度可為樁長(zhǎng)的1/4~1/3,最終應(yīng)根據(jù)計(jì)算確定。
4) 樁底支承條件
抗滑樁的頂端一般為自由支承,而底端根據(jù)錨固程度不同,可分為自由支承、鉸支承、固定支承三種,工程上通常采用前兩種。
① 自由支承:在滑面以下樁的OB段,地層為土體、松軟破碎巖體;
② 鉸支承:當(dāng)樁底巖層完整時(shí),并較OB段地層堅(jiān)硬,但樁嵌入此層不深;
③固定支承:當(dāng)樁底巖層完整且極堅(jiān)硬,樁嵌入該層較深。(不推薦)
5) 剛性樁與彈性樁
當(dāng)βh2≤1.0或αh2≤2.5時(shí),抗滑樁屬剛性樁,否則屬?gòu)椥詷。錨固段地基系數(shù)為梯形分布時(shí),可將樁分成若干小段,每小段內(nèi)采用常數(shù)分布近似計(jì)算。
09抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)
抗滑樁樁身按受彎構(gòu)件設(shè)計(jì),當(dāng)無(wú)特殊要求時(shí)可不做變形、抗裂及撓度等驗(yàn)算。樁身混凝土的強(qiáng)度等級(jí)宜為C30,樁身中的主筋宜采用HRB 400鋼,箍筋可采用HRB 335鋼或HRB 400鋼。
10抗滑樁內(nèi)力計(jì)算
國(guó)外通常采用線彈性地基系數(shù)法計(jì)算抗滑樁內(nèi)力,將滑面以上按懸臂樁考慮,并采用一般靜力學(xué)方法求解其內(nèi)力,而滑面以下采用有限差分法求解其內(nèi)力。國(guó)內(nèi)大多采用懸臂樁法和地基系數(shù)法。
懸臂樁法是最早提出的一種方法,具有簡(jiǎn)單實(shí)用的優(yōu)點(diǎn),其將滑面以上視為懸臂梁,滑面以下視為Winkler彈性地基梁,由于其對(duì)樁的實(shí)際受力狀況偏于安全的簡(jiǎn)化,因而對(duì)樁的內(nèi)力計(jì)算結(jié)果是過(guò)于保守的;地基系數(shù)法把整根梁作為彈性地基梁來(lái)處理,通常認(rèn)為其較接近抗滑樁的實(shí)際受力狀況,根據(jù)地基系數(shù)的假定不同,上述方法又分為“K”法、“m”法等。
對(duì)于懸臂式抗滑樁、樁前滑體可能滑動(dòng)的全埋式抗滑樁,通常采用懸臂樁法,對(duì)于一般的全埋式抗滑樁,上述兩種方法均可采用!惰F路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB 10025)推薦使用懸臂樁法。
11地基強(qiáng)度校核
抗滑樁錨固深度的計(jì)算應(yīng)根據(jù)地基的橫向容許承載力確定。