預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在邊坡治理工程中的應(yīng)用

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在邊坡治理工程中的應(yīng)用

1抗滑樁技術(shù)特點(diǎn)自20世紀(jì)60年代初至今已有抗鋼筋混凝土滑動樁引入中國，并在成昆鐵路的成功圓弧控制中取得成功后，已發(fā)展成為成熟的圓弧控制技術(shù)措施，并在國際金融中得到廣泛應(yīng)用。但在治理地形較陡、滑動面較深的大型、特大型滑坡時,往往暴露出截面很大,埋深很長,樁頭懸臂過長,樁頭位移偏大,造價高,施工困難等缺點(diǎn)。20世紀(jì)80年代,鐵道部科學(xué)研究院西北分院在樁頭加預(yù)應(yīng)力錨索后大大改善了樁的受力條件,樁身彎矩和剪力大大減小,取得了良好的工程治理效果和經(jīng)濟(jì)效益。近年來,隨著國內(nèi)山區(qū)高速公路建設(shè)的快速步伐,錨索抗滑樁技術(shù)也愈來愈為廣大工程技術(shù)人員所了解并靈活采用,解決了很多邊坡治理工程的技術(shù)難題。因?yàn)槠溆嬎憷碚摷坝嬎惴椒ㄏ鄬Ρ容^復(fù)雜,設(shè)計人員多采用工程類比方法來進(jìn)行錨索抗滑樁設(shè)計。本文結(jié)合西藍(lán)商秦嶺南段隧道邊坡治理的工程實(shí)踐,旨在通過對普通抗滑樁及錨索抗滑樁受力特點(diǎn)的對比分析,見表1,更好地說明錨索抗滑樁的結(jié)構(gòu)優(yōu)點(diǎn)。2抗滑樁和錨索抗滑樁的張力特征分析2.1土拱作用下土拱作用普通抗滑樁是利用穩(wěn)定地層巖土的錨固作用以平衡滑坡推力,借助于樁的受力段以及樁背土體與樁兩側(cè)的摩阻力形成的土拱效應(yīng)以穩(wěn)定滑體。它的作用機(jī)理是把樁身嵌入滑床以下,利用抗滑樁自身的強(qiáng)度和地基抗力來抵抗滑移和傾覆力矩。2.2大中軸預(yù)應(yīng)力變形懸臂樁的形成原因錨索抗滑樁結(jié)構(gòu)是通過錨索施加預(yù)應(yīng)力在樁頭上,使抗滑樁-預(yù)應(yīng)力錨索形成聯(lián)合受力體系,用預(yù)應(yīng)力產(chǎn)生的穩(wěn)定力矩平衡傾覆力矩,使原來的懸臂樁變成了近似的簡支體系,樁的受力條件發(fā)生了根本的變化,通過施加大噸位預(yù)應(yīng)力,可使樁身反壓在巖土上,形成“主動反壓”支擋結(jié)構(gòu),嚴(yán)格限制滑體的位移再發(fā)生。2.3錨索抗滑樁是一種特殊的樁-錨索聯(lián)合體系,主要考從受力機(jī)制上看,普通抗滑樁是“被動型”的受力結(jié)構(gòu),其允許樁頭在一定范圍內(nèi)位移?？够瑯稘仓瓿珊?并不立即起支擋作用,只有當(dāng)滑坡推力作用在樁上,使樁產(chǎn)生位移和變形,形成地基反力,樁才能逐漸具備抗滑能力。此種受力特點(diǎn),對需要治理的滑坡,特別是當(dāng)滑坡體上或前緣處有重要的建筑物時,都不能很快地阻止滑坡的變形和開裂。錨索抗滑樁是將樁-錨索這種聯(lián)合體系用于支擋結(jié)構(gòu),使二者協(xié)調(diào)受力,既利用了預(yù)應(yīng)力錨索強(qiáng)度高、抗拉性好、易彎曲、好操作的特點(diǎn);也利用了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)易于形成整體結(jié)構(gòu),混凝土的抗剪、抗壓性能好,與土體反壓后形成自身阻滑的特點(diǎn)。通過預(yù)應(yīng)力的“主動提前作用”,既改善了樁身的受力情況,又嚴(yán)格限制了樁頭的位移,有效地阻止了滑體的變形趨勢。錨索抗滑樁的優(yōu)點(diǎn):(1)錨索抗滑樁改變了普通抗滑樁的受力狀態(tài),減小了樁身彎矩和剪力,因而減小了樁的截面和埋深,節(jié)省了材料和造價。(2)預(yù)應(yīng)力錨索嚴(yán)格地控制了樁頭的位移量,變普通樁的被動受力為主動受力,減小了滑體位移量,對保持滑帶或潛在滑帶的強(qiáng)度有好處。(3)能較快穩(wěn)定邊坡。3錨索錨固力計算錨索抗滑樁設(shè)計包括:滑坡推力和樁身內(nèi)力計算;確定樁在滑面以下的埋深;樁身截面選擇,錨索錨固力和設(shè)計拉力計算;錨索孔直徑及錨固深度計算等。其中設(shè)計拉力和樁身內(nèi)力計算是廣大設(shè)計者比較頭疼的計算步驟,下面進(jìn)行簡化計算加以說明,其他步驟可按照相關(guān)規(guī)范公式套用。3.1構(gòu)彈性樁-裂性樁-變形樁的連接(1)樁頂錨索的設(shè)置不妨礙樁頂轉(zhuǎn)動,只限制它在一定范圍內(nèi)發(fā)生水平位移,它們是鉸性連接。(2)樁在彈性地基中受力變形。(3)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的受力狀態(tài)類似簡支梁。3.2預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)有限元分析前蘇聯(lián)學(xué)者л·K金布格和Б·N依申柯曾經(jīng)提出用控制樁頂水平位移的方法計算錨索抗滑樁錨索的設(shè)計拉力P。其計算公式和模型如下:式中:EcIc為樁截面剛度;δQQ、δQm為分別為在M0=1和H0=1時0點(diǎn)在剪力方向產(chǎn)生的位移;δmm、δmQ為分別為在M0=1和H0=1時0點(diǎn)產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角;y2為給定的樁頂允許水平位移。在預(yù)應(yīng)力錨索的彈性變形范圍內(nèi)。上述計算比較繁瑣,通常用的簡化計算方法為:計算作用在每根樁上的滑坡推力E、樁前滑動面上巖土的抗力Ea,計算出H0,錨索拉力取P=0.5H0是比較常規(guī)的做法,為有效減小樁彎矩,應(yīng)達(dá)(0.2～0.3)H0,再小就不能發(fā)揮錨索的優(yōu)點(diǎn)。拉力計算筒圖見圖1。3.3內(nèi)桿截面的內(nèi)力計算(1)錨固段地基系數(shù)求出單根樁上錨索的總拉力在水平方向的分力P之后,把其視為作用在樁頂?shù)耐饬?滑坡推力按矩形分布,樁前滑動面以上巖土抗力按主動土壓力或剩余下滑力計算,就很容易算出預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的樁身內(nèi)力。樁身內(nèi)力計算筒圖見圖2。計算時首先把各力移至滑面處,求出H0和M0:H0=E?P?EaM0=Eh0?Ph?13Eah1Η0=E-Ρ-EaΜ0=Eh0-Ρh-13Eah1式中:E為作用在樁上的滑坡推力;h0為滑坡推力合力作用點(diǎn)至滑動面的距離;Ea為作用在樁上的樁前主動土壓力;h為錨索合力作用點(diǎn)至滑動面的距離;h1為滑動面以上樁前巖土厚度。當(dāng)錨固段地基系數(shù)為常數(shù)K時式中:β為樁的變形系數(shù),m-1;K為地基系數(shù),kPa/m;E為樁彈性模量,kPa;I為樁的截面慣性矩,m4;Bp為樁的計算寬度,m,對矩形樁Bp=b+1(b為矩形樁的設(shè)計寬度)。當(dāng)錨固段地基系數(shù)為三角形分布時式中:α為樁的變形系數(shù),m-1;m為地基系數(shù)(隨深度增加的比例系數(shù)),kPa/m。設(shè)滑動面作用單位力(即H0=1)時,滑動面處樁的水平位移為δ(0)HHΗΗ(0),轉(zhuǎn)角為δ(0)MHΜΗ(0)設(shè)滑動面作用單位力(即M0=1)時,滑動面處樁的水平位移為δ(0)HHΗΗ(0),轉(zhuǎn)角為δ(0)MHΜΗ(0)則滑動面處樁的水平位移x0=H0δ(0)HHΗΗ(0)+M0δ(0)HMΗΜ(0)轉(zhuǎn)角φ0=?(H0δ(0)MH+M0δ(0)MM)轉(zhuǎn)角φ0=-(Η0δΜΗ(0)+Μ0δΜΜ(0))滑動面以下深度z處樁各截面內(nèi)力:Mz=α2EI(x0A3+φ0αB4+M0α2EIC3+H0α3EID3)Μz=α2EΙ(x0A3+φ0αB4+Μ0α2EΙC3+Η0α3EΙD3)(2)計算的鋼筋調(diào)整算出樁身內(nèi)力并繪出剪力圖、彎矩圖之后,即可進(jìn)行配筋計算。4采用隧道邊坡處理工程4.1滑樁設(shè)計方案劉坡隧道滑塌段是淺埋隧道段,原有山體地表自然坡度40°～45°,圍巖為絹云母片巖,巖石強(qiáng)度較低,易風(fēng)化,圍巖自穩(wěn)能力差。2011年夏季受50年一遇連續(xù)降雨,地表水充分飽和,地表水沿碎石土體孔隙滲入,改變碎石土體內(nèi)的水動力條件,增大了碎石土的重度并降低了碎石土的力學(xué)強(qiáng)度,隧道洞頂上方山體的堆積體發(fā)生滑塌,滑塌體整體形態(tài)呈馬蹄形,前緣至后壁高差約60m,滑坡體長約135m,寬約108m,平均厚度約18m,方量16萬m3,邊坡變形方向?yàn)?24°,后緣拉張裂隙寬約0.3m,左、右緣拉張裂隙寬約0.05～0.1m,裂隙最大可見深度約1.2m,每延米計算剩余下滑力為2400kN/m。工程平面布置圖見圖3,工程斷面布置圖見圖4。因其滑動面較深,且滑坡推力較大,地面坡度較陡,如采用普通抗滑樁無法治理,故設(shè)計方案調(diào)整為:隧道洞身開挖邊線左、右兩側(cè)各4m外平行隧道方向設(shè)置兩排抗滑樁,共38根。其中隧道洞身左側(cè)共設(shè)置錨索抗滑樁19根,縱向間距6m,主滑段采用2.5m×3.5m矩形截面,兩邊側(cè)為2m×3m矩形截面,抗滑樁每根樁樁頂設(shè)置4根預(yù)應(yīng)力錨索,單根錨索施加600kN預(yù)應(yīng)力。樁間采用現(xiàn)澆鋼筋混凝土擋板將樁連為一體,遮擋表層落石。隧道洞身右側(cè)共設(shè)置普通抗滑樁19根,縱向間距6m,采用2m×3m矩形截面?；麦w外緣線以外5m處及滑坡體坡面上設(shè)置截水溝。4.2圍巖自穩(wěn)能力韓村隧道左線明洞段及洞口自然坡度45°～50°,巖體為絹云母片巖,巖石強(qiáng)度較低,易風(fēng)化,圍巖自穩(wěn)能力差,洞口易落石。隧道明洞開挖過程中,邊坡出現(xiàn)變形。在開挖邊線外設(shè)置7根抗滑樁,樁均為2m×3m矩形截面。其中在明洞范圍內(nèi)設(shè)置4根全埋置式普通抗滑樁;在隧道洞口外設(shè)置3根錨索抗滑樁,