摘要：
滑坡具有發生頻率高、災害損失嚴重等特點，合理計算抗滑樁滑坡推力及樁前抗力對於滑坡治理具有重要意義。滑面抗剪強度參數 c、φ 的設計值是根據少數鑽孔取樣進行試驗得到或根據經驗取值，不能代表滑面的平均抗剪強度，導致滑坡穩定安全係數及相應的滑坡推力曲線計算結果與實際情況存在差別。單排抗滑樁設計計算時通常不考慮樁前抗力，雙排或多排抗滑樁滑坡推力的分配尚無相關規定，造成了抗滑樁滑坡推力及樁前抗力設計計算不合理。通過理論分析、數值模擬和工程應用等手段對滑坡穩定性狀態及相應的滑坡推力曲線、單排抗滑樁滑坡推力與樁前抗力計算、雙排抗滑樁滑坡推力分配等進行研究。研究得出: 滑坡體處於極限平衡狀態的判定依據為滑坡末端條塊剩餘滑坡推力 Tn = 0 和滑坡體天然邊坡穩定係數 K = 1. 0，兩個條件需同時滿足; 單排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力設計計算中，當滑坡天然穩定係數 K≥1. 0 時，採用實際 c、φ 求得的設計滑坡推力與實際滑坡推力之差作為抗滑樁樁上的設計值能保證滑坡的穩定; 當 K ＜ 1. 0 時，應採用實際c、φ 求得的設計滑坡推力曲線與樁前剩餘抗滑力之差作為抗滑樁設計值。提出的考慮樁前土體剩餘下滑力的設計計算方法能使雙排抗滑樁更合理地分配滑坡推力。研究成果對抗滑樁的設計計算具有一定參考價值。
關鍵詞：
滑坡推力; 樁前抗力; 滑坡推力曲線; 雙排抗滑樁; 穩定係數; 邊坡
作者簡介：
韋秀東( 1995—) ，男，碩士研究生，主要從事滑坡治理、基坑工程等方面的研究。E-mail: weixiudong@ whu. edu. cn
基金項目：
國家自然科學基金項目( 51978540，51378403)
引用：
韋秀東，盧繼忠，李澤江，等 . 抗滑樁滑坡推力及樁前抗力設計計算［J］. 水利水電技術，2020，51( 1) : 23-31.
WEI Xiudong，LU Jizhong，LI Zejiang，et al. Design calculation of landslide thrust and front resistance of anti-slide pile［J］. WaterResources and Hydropower Engineering，2020，51( 1) : 23-31.
0 引言
抗滑樁利用滑床的錨固作用和樁前滑體的被動抗力來平衡滑坡推力,具有施工簡便、滑坡治理效果好等優點,是滑坡防治的常用支擋結構型式,滑坡推力及樁前抗力是滑坡穩定性評價與治理設計的重要參數,其準確性直接關係到抗滑工程是否安全、經濟,合理計算抗滑樁滑坡推力及樁前抗力具有重要的理論意義和工程價值。
滑坡剩餘推力計算法中的傳遞係數法適用於滑面較緩的滑坡,且其主要分為增大下滑力法和強度折減法兩種。增大下滑力的傳遞係數法其避開了抗剪強度參數折減程度這一難題,在工程界得到了較多使用。在使用增大下滑力法時,c、φ的設計值是根據少數鑽孔取樣進行試驗得到或根據經驗取值,不能代表滑面的平均抗剪強度,導致滑坡穩定安全係數及相應的滑坡推力曲線計算結果與實際情況存在差別。王亮清[ 5 ]指出滑坡推力曲線的準確計算和合理利用是設計是否合理的關鍵,並針對《鐵路路基支擋結構設計規範》與工程設計中存在的滑坡推力曲線計算及分析問題,提出一種使得推力曲線計算結果更為接近於實際情況的方法,但其中對於滑坡穩定係數實際值的確定有待推敲。
目前在單排抗滑樁設計時,為計算方便以及更大程度的保證工程的安全性,通常未考慮樁前土體抗力。張利潔等針對單排抗滑樁支護設計中使用增大下滑力計算法不能充分考慮樁前土體抗力的不足,提出了考慮樁前土體抗力的滑坡抗滑樁設計值計算新方法,該方法設計值計算是依據滑坡當前狀態進行,既能夠起到及時遏制滑坡進一步發展的作用,又比較符合坡體實際情況。
針對雙排或多排抗滑樁滑坡推力分配和樁身設計推力問題,目前尚無明確相關規定。張友良等提出忽略前排樁的樁前抗力在抗滑樁設計中是不合理的,認為樁前滑體抗力的大小應由抗滑樁與土體的相互作用來決定。申永江等針對雙排抗滑樁推力分配問題,運用極限平衡理論推導了前、後排抗滑樁所承受滑坡推力的計算公式,並提出了雙排抗滑樁支護條件下的滑坡推力分配計算方法。上述方法雖能準確計算出前後抗滑樁設計推力,結果與實際受力狀態更為相符,但是計算或建模過程較為複雜,不便於工程實際應用。
基於上述問題,本文擬對滑坡穩定性狀態及相應的滑坡推力曲線、單排抗滑樁滑坡推力與樁前抗力計算、雙排抗滑樁滑坡推力分配等進行研究,探索一種能充分發揮樁前土體抗滑性能的設計計算方法,並將所得設計計算方法應用於三峽庫區彭家槽滑坡治理工程。
1 滑坡穩定係數實際值的準確確定
經研究可知,黏聚力c、內摩擦角φ和坡角α對增大下滑力法計算結果影響較為顯著,而對強度折減法計算結果影響則較為平緩。同一工程中,採用增大下滑力法式(1)計算所得結果比強度折減法計算所得結果大。在滑坡工程中,土體的內摩擦角φ比較穩定,黏聚力c的影響因素較多,因此這兩個參數的折減係數在數值上應該是不同的,且滑動面參數的折減程度也很難把握,因此不推薦使用折減係數法進行抗滑樁滑坡推力計算。在後續相關計算研究時,選用工程界常用的增大下滑力的傳遞係數法
式中,Ti、Ti-1分別為第i、i-1個條塊末端的滑坡推力(kN/m);K為安全係數;Wi為第i個條塊滑體的重力(kN/m);αi、αi-1分別為第i、i-1個條塊所在滑動面的傾角(°);φi為第i個條塊所在滑動面上的內摩擦角(°);ci為第i個條塊所在滑動面上的單位黏聚力(kPa);li為第i個條塊所在滑動面上的長度(m);ψ為傳遞係數。
當滑面抗剪強度參數c、φ的設計值採用試驗或經驗值,並假設滑坡體天然邊坡穩定係數K=1.0,通過增大下滑力的傳遞係數法可求出滑坡前緣第n個條塊末端的滑坡推力Tn,計算結果有三種情況:Tn>0、Tn=0、Tn<0,三種情況對應的滑坡推力曲線如圖1所示。
圖1 實際滑坡推力曲線
(1)當T <0時,如圖1中的a曲線所示。
此時,滑坡穩定係數實際值大於其假定值K=1.0,滑坡穩定係數實際值K可根據T =0來計算確定,有如下三種情形,若1.00≤K<1.05>
(2)當T =0時,如圖1中的b曲線所示。
此時,滑坡穩定係數實際值等於其假定值K=1.0,表明滑坡體正處於極限平衡狀態。
(3)當T >0時,如圖1中的c曲線所示。
此時,滑坡穩定係數實際值小於其假定值K=1.0,即滑坡處於不穩定狀態。滑坡穩定係數實際值的準確確定將會影響相應剩餘下滑力曲線的計算,因此,滑坡穩定係數實際值的準確確定是滑坡治理合理設計關鍵點,高估和低估滑坡穩定係數實際值將會造成樁體設計資源的浪費和設計的不安全。
2 單排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力確定
抗滑樁設計值等於滑坡推力及樁前抗力的差值,只要準確計算出滑坡推力及樁前抗力的大小,就可以進行抗滑樁樁身設計。對需進行治理的基本穩定、欠穩定和不穩定滑坡的天然穩定係數進行分析,研究其滑坡推力和樁前抗力該如何合理確定。
2.1 滑坡基本穩定及欠穩定時的抗滑樁設計值確定
當滑坡處於基本穩定及欠穩定時,天然穩定係數1.0
圖2 天然穩定性係數K>1.0時的滑坡推力曲線
由圖2可知:採用實際c、φ求得的設計滑坡推力T與實際滑坡推力F之差H作為抗滑樁的樁身設計值,其值偏大,設計偏於安全。
2.2 滑坡極限平衡狀態時的抗滑樁設計值計算
當滑坡處於極限平衡狀態時,天然穩定係數K=1.0,仍採用假設的滑坡體天然邊坡穩定係數(K=1.0)作出的滑坡推力曲線如圖3中的a曲線所示。令K=[K ],採用實際c、φ求出各滑塊的滑坡推力,作出設計滑坡推力曲線如圖3中的b曲線所示。
圖3 天然穩定係數K=1.0時的滑坡推力曲線
由圖3可知:採用實際c、φ求得的設計滑坡推力與實際滑坡推力之差H作為抗滑樁的設計值,其值恰好能保證樁后土體的穩定性要求。
2.3 滑坡不穩定狀態時的抗滑樁設計值計算
當滑坡處於不穩定狀態,天然穩定係數K<1.0,仍採用假設的滑坡體天然邊坡穩定係數(K=1.0)作出的實際滑坡推力曲線如圖4中的a曲線所示。
令K=[K ],採用實際c、φ求出各滑塊的滑坡推力,作出設計滑坡推力曲線如圖4中的b曲線所示。
圖4 天然穩定係數K<1.0時的滑坡推力曲線
由圖4可知:採用實際c、φ求得的設計滑坡推力T作為抗滑樁的設計值是滿足穩定性要求的,但其值偏大,設計偏於安全;採用實際c、φ求得的設計滑坡推力與實際滑坡推力之差H作為抗滑樁的設計值,這是不滿足穩定性要求的;應採用實際c、φ求得的設計滑坡推力曲線與樁前剩餘抗滑力之差T-F作為抗滑樁的設計值,且在設樁之後,應驗算剩餘下滑力是否會將樁后土體推走。
3 雙排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力分配
傳統雙排抗滑樁設計計算時均不考慮樁前抗力。設計後排樁時剩餘下滑力的計算採用增大下滑力法求取,並作出後排樁滑坡推力設計曲線,以設樁處的剩餘下滑力H 作為後排樁的設計值,以設樁處的剩餘下滑力H 作為前排樁的設計值,如圖5所示。
圖5 不考慮樁前剩餘抗力的雙排抗滑樁滑坡推力示意
一般工程實際中,雙排抗滑樁中的前排樁更為關鍵,主要承擔滑坡推力的作用,採用該方法極有可能高估後排樁的滑坡推力,低估前排抗滑樁的滑
坡推力,使得後排樁資源浪費,前排樁設計不安全。因此,有必要深入分析雙排抗滑樁的受力機理,提出一種合理的設計計算方法。
3.1 前排樁樁前滑塊分析
前排樁樁前滑塊分析如圖6所示。假定前排樁樁前滑塊後緣所受推力值為P1,在安全係數K等於設計穩定係數[Kst]的情況下,由式(2)對樁前滑塊的剩餘下滑力進行計算。依次計算至最後條塊,若求得最後條塊剩餘下滑力等於或趨近於零,則取該假定推力值P1作為前排樁樁前抗力值;如若最後條塊剩餘下滑力不等於或不趨近於零,則對假定值P1進行調整,並重新計算,直至最後條塊剩餘下滑力等於或趨近於零,這時取調整後的假定值P1作為前排樁樁前抗力值
圖6 前排樁樁前滑塊分析
式中,P 為前排樁樁前滑塊後緣所受推力值;其餘參數T 為前排樁樁前滑體最後一條塊剩餘下滑力;其餘參數同式(1)。
對比假定值P1與樁前土體的被動土壓力值Ep,取其中的較小值作為抗滑樁樁前抗力設計值。
3.2 雙排抗滑樁前後排樁之間滑塊分析
雙排抗滑樁前後排樁之間滑塊分析如圖7所示。假定前後排樁之間滑塊後緣所受推力值為P3,前後排樁之間滑塊前緣所受推力值為P2,在安全係數K等於設計穩定係數[Kst]的情況下,由式(3)對前後排樁之間滑塊的剩餘下滑力進行計算,以計算所得剩餘下滑力值Tn1作為前排樁的設計值H1
圖7 雙排抗滑樁前後排樁之間滑塊分析
式中,P3為前後排樁之間滑塊所能提供的極限抗力值;P2為前排樁樁前抗力通過樁體作用於中間滑塊上的力,P1和P2為相互作用力,即P1=P2;Tn1為前排樁所受的剩餘下滑力;其餘參數同式(1)。
3.3 後排樁樁後滑塊分析
後排樁樁後滑塊分析如圖8所示。假定後排樁滑體,樁前所受推力值為P4,在安全係數K等於設計穩定係數[Kst]時,由式(4)對後排樁樁後滑塊的剩餘下滑力進行計算,以計算所得剩餘下滑力值Tn2作為後排樁的設計值H2
圖8 後排樁樁後滑塊分析
式中,P4為後排樁樁前抗力值;P3和P4為相互作用力,即P3等於P4;Tn2為後排樁所受剩餘下滑力;其餘參數同式(1)。
3.4 雙排抗滑樁最佳抗滑效果判定
考慮樁前土抗力的雙排抗滑樁設計滑坡推力曲線示意如圖9所示。雙排抗滑樁支護中,當排距較小時,滑坡推力幾乎全由後排樁承擔,由於後排樁的分擔作用,前排樁達不到最佳抗滑效果,隨著排距增加,前排樁分擔的推力逐漸增加,當達到一定排距後,前後雙排抗滑樁均達到最佳抗滑效果。因此,本文推薦以前後雙排抗滑樁均達到最佳抗滑效果,即前後排樁的滑坡推力值大致相等作為設計的判定標準。具體判定可採用如下公式
H1=H2(5)
圖9 考慮樁前剩餘抗力的雙排抗滑樁滑坡推力曲線
綜上所述可得:不考慮樁前剩餘抗力的設計方法雖然能較好的滿足安全穩定性的要求,但也存在高估後排樁剩餘滑坡推力的現象,這將會造成後排樁的資源浪費,低估前排抗滑樁滑坡推力,造成前排樁的設計不安全;本文所提出的方法能使得抗滑樁抗力設計值在滿足安全穩定性的前提下有所降低,充分發揮樁前土的抗滑性能,使得抗滑樁設計更加經濟合理;前後雙排抗滑樁均達到最佳抗滑效果,即前後排樁所受滑坡推力值大致相等作為設計的判定標準是合適的。
4 工程應用
4.1 參數的選擇
彭家槽滑坡位於三峽庫區興山縣香溪河右岸支流螃蟹溪南岸斜坡地帶,場地現場示意如圖10所示。興山縣遭遇連續強降雨,彭家槽滑坡之上高程360～404 m之間的山體發生垮塌。該滑坡主軸Ⅰ-Ⅰ′工程地質縱剖面如圖11所示。
圖10 彭家槽滑坡場地示意
圖11 三峽庫區興山縣彭家槽滑坡治理Ⅰ-Ⅰ′工程地質縱剖面
自然工況時滑坡實際穩定係數K=1.03,彭家槽滑坡屬中等複雜等級,滑坡防治安全等級為二級,滑坡設計穩定係數[Kst]=1.15。暴雨工況下,滑體和滑帶分別選用飽和固結快剪、排水反覆剪參數進行分析,具體參數指標如表1所列。
表1 滑坡土體物理力學指標
4.2 雙排抗滑樁設計計算
由於推力值較大,設置單排樁進行支護需較大截面,成本偏高且難以有效支擋,樁身受力不合理,因此該滑坡使用雙排抗滑樁進行支護。在ZK12鑽孔設置後排抗滑樁,ZK15鑽孔設置前排抗滑樁。
4.2.1 考慮樁前剩餘抗力滑坡推力設計計算
滑坡土體是不能夠承受拉應力的,使用傳遞係數法進行下滑力計算時,有時會碰到剩餘下滑力為零甚至負值,原則上應該不再考慮為負值的剩餘下滑力,在繪圖的時候看成零,但本文為了更為直觀的表達,在繪圖的時候也把負值部分繪製出來。採用放大下滑力的傳遞係數法對滑坡進行剩餘下滑力及樁前剩餘抗力計算,所得結果如圖12所示。
圖12 考慮樁前剩餘抗力的雙排抗滑樁滑坡推力曲線
根據圖12可得:後排抗滑樁設計值H 取後排樁設計滑坡推力與實際滑坡推力之差,經計算該值為2 463.2 kN/m;前排抗滑樁的設計值H 取後排樁樁前剩餘抗力曲線與前排樁樁前剩餘抗力之差,經計算該值為2 879.9 kN/m。前後排抗滑樁的滑坡推力設計值之差為416.7 kN/m,因此可認定這兩排樁基本能同時達到最佳抗滑效果。
4.2.2 不考慮樁前剩餘抗力滑坡推力設計計算
不考慮樁前剩餘抗力的雙排抗滑樁滑坡推力曲線如圖13所示。
圖13 不考慮樁前剩餘抗力的雙排抗滑樁滑坡推力曲線
根據圖13可得:後排樁設計滑坡推力曲線上的推力值為4 741.16 kN/m,因為不考慮樁前剩餘抗力,因此取4 741.16 kN/m作為後排樁推力設計值,受力過大,常用的滑坡抗滑樁尺寸(2 m×3 m)難以滿足要求;前排樁設計抗力曲線上的推力值為470.84 kN/m,因為不考慮樁前剩餘抗力,因此取470.84 kN/m作為後排樁推力設計值,與後排樁的滑坡推力設計值相差較大,荷載在兩排抗滑樁上的分配不合理。
綜上所述可知:不考慮樁前剩餘抗力時,前後排樁的滑坡推力設計值相差較大,荷載在兩排抗滑樁上的分配不合理,樁體不能同時達到最佳抗滑效果;考慮樁前剩餘抗力時,前後排抗滑樁的滑坡推力設計值之差變小,更符合樁體實際受力情況,並且差值相對較小,可認定這兩排樁基本能同時達到最佳抗滑效果。
根據以上計算結果進行相關設計為:後排樁的樁截面尺寸為2 m×3 m,樁的中心距為6 m;樁長22 m,其中滑動面以上樁身長度15 m,滑動面以下樁身長度(嵌固深度)為7 m;前排樁的樁截面尺寸為2 m×3 m,樁的中心距為5 m;樁長26 m,其中滑動面以上樁身長度為17 m,滑動面以下樁身長度(嵌固深度)為9 m。
4.3 有限元數值模擬
為驗證本文所提方法的準確性和優越性,依據彭家槽滑坡工程條件及支護設計文件建立有限元計算模型。
4.3.1 計算模型和材料參數
以滑坡主軸剖面為對象,採用有限元軟件MIDAS GTS建立二維平面應變分析模型。邊界上部取至滑坡後緣,下部取到坡腳外側37 m。計算模型單元網格劃分如圖14所示,單元大多為四邊形單元,局部為三角形單元,共劃分單元17 635個,節點19 690個。
圖14 有限元模型及網格劃分示意
計算模型中材料類型共分為4種(滑床、滑帶、滑坡體、樁體),其中土體採用Mohr-Coulomb破壞準則,樁為彈性模型,且樁身E折算為實際值的1/d(d為樁間距)。具體材料參數如表2所列。
表2 有限元計算模型物理力學參數
4.3.2 有限元數值模擬結果及分析
建立未設置抗滑樁時的滑坡二維平面應變分析模型,分析得出其強度折減法安全係數為0.985,與採用本文方法得出的滑坡實際穩定係數K=1.03較為接近。對滑面抗剪強度參數c、φ進行折減(按折減係數等於邊坡穩定係數[Kst]=1.15計算)後,建立設置雙排抗滑樁支護模型,所得支護之後滑坡位移變形雲圖如圖15所示。
圖15 雙排抗滑樁安設與滑帶土參數折減之後滑坡位移變形雲圖
由圖15可知:滑坡整體下滑趨勢得到有效遏制,但前排樁前地表層出現局部變形較大的現象,局部最大變形為0.869 m。根據樁前土與樁體變形協調關係可知,該表層部分土體基本上難以提供樁前抗力,其樁前抗力由該表層以下土體提供。綜上所述,雙排抗滑樁支擋效果總體上達到預期要求,採用此時樁身前後對應的受力值作為樁前抗力及滑坡推力設計值是可行的。
圖16為雙排抗滑樁樁身應力分佈圖。根據圖16可得:滑坡推力及樁前抗力作用於樁身之上產生的應力為非均勻分佈,呈現自樁頂往下逐漸增大的變化趨勢;樁身於滑動帶附近出現應力集中現象,這種現象於前排樁之上更為明顯。
圖16 樁身應力分佈(上為後排樁、下為前排樁)
考慮抗滑樁樁身應力分佈的不均勻性質,對滑坡推力及樁前抗力的反推算時,先對樁身應力進行等效變換,等效為均勻分佈於樁體之上的應力,而後進行滑坡推力及樁前抗力反推算(考慮前後排抗滑樁各自樁間距d)。雙排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力等效值如表3所列。
表3 雙排抗滑樁樁身受力等效值
根據表3中可得:後排樁所受滑坡推力及樁前抗力之差為2 662 kN/m,稍大於本文理論計算值2 463.2 kN/m;前排樁所受滑坡推力及樁前抗力之差為2 950 kN/m,與本文理論計算值2 879.9 kN/m基本一致;前排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力值與本文理論值存在偏差。
本文所提出的抗滑樁滑坡推力及樁前抗力設計計算方法是準確的,較以往的設計計算方法具有一定的優越性,但前排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力值與本文理論值存在偏差,這是值得進一步深入研究的問題。
5 結 論
(1)採用增大下滑力的傳遞係數法進行滑坡穩定性狀態判定時,當滑坡末端條塊剩餘滑坡推力Tn=0和滑坡體天然邊坡穩定係數K=1兩個條件同時滿足時,所對應的狀態才為真實的滑坡體極限平衡狀態。
(2)單排抗滑樁滑坡推力及樁前抗力設計計算中,當滑坡天然穩定係數K≥1.0時,採用實際c、φ求得的設計滑坡推力與實際滑坡推力之差作為抗滑樁樁上的設計值能保證滑坡的穩定。
(3)當滑坡天然穩定係數K<1.0時,採用實際c、φ求得的設計滑坡推力H作為抗滑樁樁上的設計值是滿足穩定性要求的,但其值偏大,設計偏於安全;按採用實際c、φ求得的設計滑坡推力與實際滑坡推力之差作為抗滑樁樁上的設計值是不滿足穩定性要求的;應採用實際c、φ求得的設計滑坡推力曲線與樁前剩餘抗滑力之差作為抗滑樁設計值。
(4)本文提出的考慮樁前剩餘抗滑力設計計算方法能充分發揮樁前滑塊的抗滑性能,使得抗滑樁設計在滿足安全穩定性的前提下更加經濟合理,且提出雙排樁支護時,可以以前後排樁的設計值相等作為最佳抗滑效果判定依據。
(5)運用本文所提出的方法對典型滑坡進行支護設計計算,並通過有限元數值模擬進行對比分析,驗證本文所提方法的準確性和優越性,研究成果對抗滑樁設計計算具有一定的參考價值。
前排樁滑坡推力及樁前抗力差值與理論計算差值基本一致,但這兩者分別對比時存在一定的偏差,由於篇幅的限制,對於偏差產生的原因本文並非展開分析,待獲得現場監測數據後再深入的研究偏差產生的原因,並對本文所提設計計算方法進行完善。
水利水電技術
水利部《水利水電技術》雜誌是中國水利水電行業的綜合性技術期刊（月刊），為全國中文核心期刊，面向國內外公開發行。本刊以介紹我國水資源的開發、利用、治理、配置、節約和保護，以及水利水電工程的勘測、設計、施工、運行管理和科學研究等方面的技術經驗為主，同時也報道國外的先進技術。期刊主要欄目有:水文水資源、水工建築、工程施工、工程基礎、水力學、機電技術、泥沙研究、水環境與水生態、運行管理、試驗研究、工程地質、金屬結構、水利經濟、水利規劃、防汛抗旱、建設管理、新能源、城市水利、農村水利、水土保持、水庫移民、水利現代化、國際水利等。
