滑坡抗滑桩的研究与应用.pdf

- 1 - 滑坡抗滑桩的研究与应用滑坡抗滑桩的研究与应用 祝艳波，徐伟 中国地质大学（武汉）工程学院，武汉（430074） E-mailzhuyanbo05204330 摘摘 要要 本文针对三峡库区一滑坡体在各种工况下的稳定性， 用极限平衡理论进行稳定性计 算和剩余推力计算，并提出了治理设计方案。同时以该工程的抗滑桩治理设计为工程背景， 对抗滑桩的设计进行专线分析。 关键词关键词滑坡体治理 极限平衡法 稳定性系数 滑坡剩余推力 抗滑桩 1. 引言引言 抗滑桩也是边坡处治工程中常见常用的处治方案之一， 从早期的木桩， 到近代的钢桩和 目前在边坡工程中常用的钢筋混凝土桩，断面型式有圆形和矩形，施工方法有打入、机械成 孔和人工成孔等方法，结构型式有单桩、排桩、群桩，有锚桩和预应力锚索桩等。三峡库区 一滑坡治理方案选择了抗滑桩，在此进行了桩体的初步设计研究。 2. 抗滑桩概述抗滑桩概述 2.1 抗滑桩工作原理抗滑桩工作原理 桩是深入土层或岩层的柱形构件。边坡处治工程中的抗滑桩是通过桩身将上部承受的 坡体推力传给桩下部的侧向土体或岩体， 依靠桩下部的侧向阻力来承担边坡的下推力， 而使 边坡保持平衡或稳定，见图 1。 图 1. 抗滑桩工作原理示意图 2.2 抗滑桩类型、特点及适用条件抗滑桩类型、特点及适用条件 1抗滑桩的类型 抗滑桩按材质分类有木桩、钢桩、钢筋混凝土桩和组合桩。 抗滑桩按成桩方法分类，有打入桩、静压桩、就地灌注桩，就地灌柱桩又分为沉管灌 注桩、钻孔灌注桩两大类。在常用的钻孔灌注桩中，又分机械钻孔和人工挖孔桩。 抗滑桩按结构型式分类，有单桩、排桩、群桩和有锚桩，排桩型式常见的有椅式桩墙、 - 2 - 门式刚架桩墙、排架抗滑桩墙见图 2，有锚桩常见的有锚杆和锚索，锚杆有单锚和多锚， 锚索抗滑桩多用单锚，见图 5。 抗滑桩按桩身断面形式分类，有圆形桩、方形桩和矩形桩、“工”字形桩等。 图 2. 抗滑桩形式 a椅式 ；b门式 ；c排架式 图 3. 有锚抗滑桩 2.3 抗滑桩设计要求和设计内容抗滑桩设计要求和设计内容 抗滑桩设计一般应满足以下要求 1抗滑桩提供的阻滑力要使整个滑坡体具有足够的稳定性，即滑坡体的稳定安全系数满 足相应规范规定的安全系数或可靠指标，同时保证坡体不从桩顶滑出，不从桩间挤出； 2抗滑桩桩身要有足够的强度和稳定性，即桩的断面要有足够的刚度，桩的应力和变形 满足规定要求； 3桩周的地基抗力和滑体的变形在容许范围内； 4抗滑桩的埋深及锚固深度、桩问距、桩结构尺度和桩断面尺寸都比较适当，安全可靠， 施工可行、方便，造价较经济。 根据上述设计要求，抗滑桩的设计内容一般为 1进行桩群的平面布置，确定桩位、桩间距等平面尺度； 2拟定桩型、桩埋深、桩长、桩断面尺寸； 3根据拟定的结构确定作用于抗滑桩上的力系； 4确定桩的计算宽度，选定地基反力系数，进行桩的受力和变形计算； 5进行桩截面的配筋计算和一般的构造设计； 6提出施工技术要求，拟定施工方案，计算工程量，编制概预算等。 - 3 - 2.4 抗滑桩的设计计算程序抗滑桩的设计计算程序 图 4. 抗滑桩设计计算程序图 3. 3.三峡库区一滑坡抗滑桩设计计算三峡库区一滑坡抗滑桩设计计算 3.1 滑坡地质概况滑坡地质概况 三峡库区某滑坡位于香溪河左岸二里半村，为一典型老滑坡。其前缘至香溪河，高程约 170m，后缘高程 300m，纵向长 270m，横向宽 80m～180m，面积 6.6104m2，估算体积约 145104m3。滑体前缘临河地形坡度 30～35，中后部 10～25，滑体内见二级缓坡平台， 一级高程约 260m～280m，第二级高程约 200m～220m 左右。滑体物质以碎块石土及含泥碎 石土为主，部分地段见大块岩体。后缘圈椅状地形明显。钻孔揭露堆积体最大厚度可达 25.2m，主要为泥灰岩碎块石夹土，东侧有紫红色泥岩碎块石夹土。滑带挤压紧密，为碎石 及红色粘土，碎石呈次棱角～次圆状。滑床为巴东组、沙镇溪组和香溪组岩层，岩层产状 - 4 - 20∠37～56，其中巴东组岩层多褶曲。其工程地质剖面图如图 1 所示。 J1x delQ delQ 40 37 56 20 2 T2b T1j 2 T2b T3S 56 20 NE59 公 路 二 里 半 村 图 例 第 四 系 上 段 冲 积 物 （ 漫 滩 ） 三 叠 系 下 统 嘉 陵 江 组 三 叠 系 上 统 沙 镇 溪 组 三 叠 系 中 统 巴 东 组 第 二 段 三 叠 系 中 统 巴 东 组 第 一 段 砂 质 页 岩 砂 卵 石 层 碎 块 石 土 4alQ 2 bT Tj 1 T 1 b2 2 侏 罗 系 下 统 香 溪 组 T3S 1J x rQ人 工 堆 积 坡 积 物 滑 坡 堆 积 物delQ 2 dlQ 长 石 石 英 砂 岩 地 质 界 线 滑 带 及 滑 动 方 碳 质 页 岩 粉 砂 岩 泥 质 粉 砂 岩 细 砂 岩 图 5. 滑坡工程地质剖面图 3.2 滑坡稳定性分析计算滑坡稳定性分析计算 根据该滑坡的工程地质条件及滑坡的特征分析， 该滑坡可采用适用于折线型滑面的剩余 推力法进行稳定性计算[1]。在应用此方法进行计算时，视岩土体为刚体，以平面二维课题来 处理， 即沿滑面走向取单位宽度的滑体进行计算， 不考虑两侧滑体的摩擦力及其之间的挤压 力。在考虑重力、静（动）水压力和地震力作用的情况进行稳定性计算。根据钻探工程的成 果，在天然工况下地下水位埋深较大，均在滑床以下。 该滑坡在用剩余推力法计算时， 考虑水库蓄水后滑坡可能遇到的情况， 拟定出以下两种 工况进行稳定性计算 工况一 天然状况； 工况二 175m 水位暴雨； 根据钻探工程的成果，在天然工况下地下水位埋深较大，均在滑床以下。在工况二暴雨 情况下，考虑整个滑体均处于饱和状态。 3.2.1 稳定性系数计算原理稳定性系数计算原理 由滑坡稳定性计算规范定性系数有两种算法[2] ①显算算法安全系数 k总下滑力/总抗滑力。 ②隐式算法（迭代法）基本公式如下 根据分块后最后一块的剩余推力En为 11 tancossinEn −− −− nnnnnnnnn ELcWWλφαα [3] 其中 En第 n 块条块的剩余推力 1−n E第 n-1 块条块的剩余推力 n W第 n 块条块的重度 n φ第 n 块条块滑动面上岩土体的内摩擦角标准值 n c第 n 块条块滑动面上岩土体的粘结强度标准值 - 5 - n L第 n 块条块滑动面长度 n α第 n 块条块的倾角 1−n λ第 n-1 块计算条块剩余下滑力向第 n 块计算条块的传递系数 nnnnnn φααααλtansincos 111 −−− −−− 利用减小抗滑力方法则安全系数由下式求得 K LcWEW nnnnnnnnn 1 tancossinEn 11 − −− φαλα 首先给定一个 K，则 E 总可以找到 En0 求得 K. 当 K0 滑坡体不稳定； 当 K0 滑坡体处于极限状态； 当 KHβ，则按弹性桩进行内力计算。 （3）计算外力及滑动面以上桩体内力 每根桩承受的桩后的水平推力kN 7244.3551448.87T，每根桩前的剩余抗滑力为 kN 4736.155947.23P， 那 么 抗 滑 桩 受 到 的 水 平 推 力 的 合 HT-P7244.35-4736.152508.2KN,由于滑坡体较破碎，所以滑坡推力和剩余抗滑力均按三 角形分布,桩体受到的三角形荷载为mKNq/38.622 0 。 受荷段弯矩和剪力 所以滑面处的剪力2508.2KNQ0；滑面处弯矩为 mKN697.67383/06. 82508.2M0, （4）滑动面以下桩体的内力、变位的计算 采用 K 法来计算桩的内力，计算的变量有距滑动面 x 米处的桩体水平位移 x y 、桩体的转 角 x ϕ、弯矩 x M 、剪力 x Q 和桩身对土的侧压力 x σ 。由于滑床为比较完整的岩层,将桩底看 作铰支,由 K 当 x5 时候 η1 2.4319 η21.14112 η30.02974 η4-0.53734 由公式 可以求得滑面处桩的水平位移 0 y0.008452654m,转角 0 ϕ -0.004187219rad。 各量计算结果如 下所示 表 1.装身截面各变量计算表 滑面 以下 的桩 长m 0 0.002912315 -0.001166721 6738.697 2508.2 1164.926 0.5 0.002360644 -0.001037251 7652.390202 1196.320942 944.2575865 1 0.001876858 -0.00089694 7974.457037 166.1141617 750.7433122 1.5 0.001463924 -0.000755247 7825.792588 -594.7577665 585.5694071 2 0.001120589 -0.000619631 7309.665517 -1099.103296 448.2356569 2.5 0.000842311 -0.00049586 6512.011515 -1358.49863 336.9243095 3 0.000622018 -0.000388317 5502.55349 -1382.157554 248.8073253 3.5 0.00045074 -0.00030027 4336.556247 -1176.348954 180.2959113 4 0.000318096 -0.000234113 3057.05936 -744.3416689 127.2385624 4.5 0.000212689 -0.000191564 1697.464041 -86.86270481 85.07554533 5 0.000122398 -0.000173807 284.3769659 796.9386537 48.95903595 22 03412042 0 23 23142314 22 01303412 0 2 23142314 44 44 44 44 MQ y E IE I MQ E IE I ηηη ηηη βηηη ηβηηη η ηηηηη η ϕ βηηη ηβηηη η ⎫ ⎪ −− ⎪ ⎬ − ⎪ − ⎪ −− ⎭ x y x ϕ x M x Q x σ - 8 - 图 7. 抗滑桩弯矩图 抗滑桩剪力图 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 -2000-1500-1000-500050010001500200025003000 剪力QKN 桩长LM 图 8.抗滑桩剪力图 抗滑桩弯矩图 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 -10000100020003000400050006000700080009000 弯矩M（KN.M 桩长LM - 9 - 图 9.抗滑桩滑面以下的水平位移 图 10.抗滑桩滑面以下桩的转角 滑面以下桩的水平位移 0 1 2 3 4 5 6 00.00050.0010.00150.0020.00250.0030.0035 水平位移（m 滑面下桩长（m 滑面以下桩的转角 0 1 2 3 4 5 6 -0.0014 -0.0012 -0.001 -0.0008 -0.0006 -0.0004 -0.00020 桩的转角rad 滑面下桩的长度（m - 10 - 图 11.抗滑桩滑面以下桩身对土的侧压力图 5校核地基强度 根据规范规定,桩身对围岩的侧向压应力应满足下式 0 2 1max RKK≤σ 1 K 取 0.5, 2 K 取 0.3, 0 R 取 30Mpa. max σ ≤ 0.50.33010004500KPa, 实 际 的 桩 身 对 围 岩 的 侧 向 压 应 力 最 大 值 σ 1164.926KPa60mm配筋率 .358. 01955*1500/471357014085ρ 满足条件。 配筋图见图 - 12 - 抗滑桩纵剖面抗弯配筋图尺寸单位m 图 13.抗滑桩纵剖面抗弯配筋图 图 14. 剖面配筋图 - 13 - 图 15. 2-2 剖面配筋图 图 16 剖面配筋图 4. 总结总结 由此可见，治理一般的滑坡应用抗滑桩是比较经济实用的，尤其是在三峡库区的边坡治 理中应用非常广泛，也起到了初步的成效。抗滑桩设计充分结合地质资料情况，严格按照桩 体设计要求和内容步骤进行设计。以下是设计要点 1 作用于抗滑桩的外力有滑坡推力、桩前滑体抗力和锚固段地层的抗力。桩侧摩阻力和 粘聚力以及桩身重力和桩底反力可不计算。滑坡推力按规定采用传递系数法计算确定。 2 桩前抗力可按桩前滑体处于极限平衡时的滑坡推力或桩前被动土压力确定，取小值。 - 14 - 3 抗滑桩上滑坡推力可采用矩形分布或梯形分布，当滑体为极松散的土体，可采用三角 形分布。 4 桩底支承选用自由端，嵌入岩石较深可选用自由端或铰支。 5 抗滑桩的锚固段长度应满足桩侧最大压应力不大于地基的横向容许承载力的要求。 6 滑动面以上的桩身内力，应根据滑坡推力和桩前滑体抗力计算。滑动面以下的桩身变 位和内力，应根据滑动面处的弯矩和剪力，采用地基系数法进行计算，根据岩土条件可选用 “K 法”或“M 法”。地基系数 K、M 可根据试验资料和地区经验、工程类比综合确定。 7 抗滑桩的混凝土结构应按现行国家标准混凝土结构设计规范（GB50010）进行计 算，结构重要性系数 1.0，永久荷载的分项系数为 1.35。抗滑桩桩身按受弯构件设计，当无 特殊要求时，可不做变形、抗裂、挠度等项验算。 参考文献参考文献 [1]李智毅，唐辉明.岩土工程勘察[P].武汉中国地质大学出版社，2000.9 [2]GB50330-2002.建筑边坡工程技术规范.北京中华人民共和国建设部，2002.8. [3]徐菊明. 湖北地矿湖北省三峡库区滑坡防治地质勘察与治理工程技术规定（试行）,2003,17 卷 （3 期）56-64 页. [4]谭浩强.C 程序设计[T].北京清华学出版社，1999.12 [5]东南大学，天津大学，同济大学.混凝土结构[TU].北京中国建筑工业出版社，2002.9 [6] 李荣峰.抗滑桩设计计算方法研究[D]. 西安长安大学出版社,2006 Landslide Anti-Slide Pile Research and Application Zhu Yanbo,Xu Wei Department of engineering ,China University of Geoseience,Wuhan430074 Abstract This paper landslides in the Three Gorges reservoir area in a variety of conditions of stability, with the stability limit equilibrium theory and the calculation of residual thrust, and proposed governance design. At the same time the anti-slide pile of the project management for engineering design background against sliding pile of green design. Keyword Landslide governance,limit equilibrium,stability against sliding,coefficient residual thrust Anti-slide pile