抗滑樁合理樁間距的確定方法

抗滑樁合理樁間距的確定方法

樁土之間的作用力在土木工程中，土壤邊坡穩(wěn)定是一個(gè)非常重要的問(wèn)題。例如高速公路、鐵路、機(jī)場(chǎng)和運(yùn)河等交通設(shè)施的建設(shè)以及露天礦井、廢渣處理、土壩工程等天然資源的開(kāi)發(fā)都要考慮土坡穩(wěn)定的問(wèn)題。在維持土坡穩(wěn)定、防止土坡滑動(dòng)(滑坡)的支擋結(jié)構(gòu)中,抗滑樁以其具有施工快、安全可靠、節(jié)省圬土等特點(diǎn),很快在我國(guó)山區(qū)和礦山、水電等部門(mén)被廣泛使用,成為整治滑坡的主要工程措施之一?？够瑯对谕林兄С兄瑒?dòng)土體,為一空間結(jié)構(gòu)的受力體系,其受力狀態(tài)很復(fù)雜。對(duì)樁土之間的作用力,國(guó)內(nèi)許多學(xué)者都在進(jìn)行研究,但這些研究大都局限于單樁,對(duì)排樁雖然有一些研究,但可用于指導(dǎo)實(shí)踐的成果還相對(duì)較少。國(guó)外在這方面比我們起步較早,提出了一些排擴(kuò)承載力的計(jì)算式,其中有一些被工程設(shè)計(jì)者普遍采用。但這些計(jì)算式都把抗滑樁視為平面問(wèn)題,有的甚至連樁間距因素都未加考慮。國(guó)內(nèi)在排樁方面的一些研究,也多未克服以上缺點(diǎn)。實(shí)際上,樁在土中支承著滑動(dòng)土體,是一空間橫向受力結(jié)構(gòu),其受力狀態(tài)很復(fù)雜,而且樁土之間的作用力與樁的間距有著密切的關(guān)系。抗滑力計(jì)算方法的優(yōu)劣直接影響設(shè)計(jì)的合理性。1樁間破壞區(qū)分析在假定樁完全剛性,滑面以下完全固定的前提下,經(jīng)過(guò)試驗(yàn)觀察和理論分析,可以將每根樁的前后土體的塑性破壞區(qū)域分成三個(gè)區(qū)域,即樁后被壓力區(qū)Ⅰ、Ⅱ區(qū)和樁前主動(dòng)壓力區(qū)Ⅲ區(qū),如圖1.所示。I區(qū)土體在破壞過(guò)程中主要表現(xiàn)為向后上方運(yùn)動(dòng),產(chǎn)生樁后隆起現(xiàn)象,Ⅰ區(qū)高度為H0,當(dāng)樁間距D較大時(shí),I區(qū)下面還存在另一塑性破壞區(qū),即Ⅱ區(qū),Ⅱ區(qū)的土體主要表現(xiàn)為樁間的水平繞流運(yùn)動(dòng)。Ⅱ區(qū)高度為H—H0,當(dāng)樁間距的無(wú)量綱值D/B(B為樁寬)小至一定值時(shí),H0=H,Ⅱ區(qū)抗力可視為0。Ⅲ區(qū)的土主要表現(xiàn)為向后下方的運(yùn)動(dòng),它對(duì)樁的抗力為負(fù)值。根據(jù)試驗(yàn)觀察,假定符合實(shí)際的計(jì)算圖式,根據(jù)塑性極限分析中的上限方法,由外力作用所產(chǎn)生的功率W外和土體的塑性變形所消耗的內(nèi)能率W內(nèi)相等,即w外=W內(nèi),可導(dǎo)出Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ區(qū)土體對(duì)樁的抗力或推力E1、E2、E3及樁土摩擦力Ef的計(jì)算公式分別為:(1)f15h0+b函數(shù)當(dāng)D<時(shí)(D為樁的中心間距):當(dāng)D<D時(shí):其中D=2f15H0+B函數(shù)f1,f2,…,f65是x1,x2,x3的函數(shù)。其中z1、x2、x3為幾何角度,由對(duì)E1進(jìn)行最小值優(yōu)化確定。(2)樁厚及幾何角度Ⅱ區(qū)存在三個(gè)臨界樁間距D當(dāng)D時(shí):當(dāng)時(shí):其中a0=1,fk0=1-sinφB1——樁厚;δ——樁土摩擦角;x5——幾何角度,經(jīng)過(guò)對(duì)E2的最小值優(yōu)化確定其值;α——系數(shù),在0～1之間,由下式?jīng)Q定:D=(3)單樁者無(wú)樁E3不受樁間距的影響,即其計(jì)算式與單樁者無(wú)區(qū)別。其中x6為幾何角度(自變量),通過(guò)對(duì)E3的最大值優(yōu)化確定,函數(shù)(i=1,…,6),請(qǐng)參閱文獻(xiàn)。(4)樁的極限抗滑力e當(dāng)土體滑動(dòng)時(shí),在高度H0范圍內(nèi)還存在樁土摩擦阻力作用在樁的兩側(cè),其總值為:計(jì)算時(shí)對(duì)F1、F2進(jìn)行最小值優(yōu)化,對(duì)E3進(jìn)行最大值優(yōu)化,并由確定臨界高度H0,最后得出樁的極限抗滑力E為:實(shí)際上,與E1、E2相比,E3、2Ef的值甚至可以忽略不計(jì),而認(rèn)為E=E1+E2。經(jīng)計(jì)算分析可知,當(dāng)樁間距D大于某一臨界間距Dσ時(shí),按上述方法所得之極限抗滑力E與單樁者一樣;當(dāng)D/B愈來(lái)愈小,樁的極限抗滑力逐漸接近連續(xù)擋土墻的總被動(dòng)土壓力。但當(dāng)D<Dcr時(shí),樁的極限抗滑力與樁的間距有著密切的關(guān)系。根據(jù)上法確定樁的極限抗滑力結(jié)合目前工程實(shí)際中計(jì)算下滑力的方法,可以確定樁的合理間距。2單排抗滑樁的合理距離2.1剩余下滑力的計(jì)算在實(shí)際工程中,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察確定滑坡高度H,根據(jù)上節(jié)介紹的方法計(jì)算極限抗滑力E,并選擇適當(dāng)?shù)姆椒ㄓ?jì)算滑坡的下滑力Ps和抗滑力Pa,采用適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù),算出剩余抗滑力Pr,令F=Pr定出樁的合理間距,具體步驟如下:(1)采用合適的方法計(jì)算滑坡單位寬度的剩余下滑力,繪出剩余下滑力隨斜坡寬度增大的變化曲線(xiàn)(設(shè)為“曲線(xiàn)1”)。(2)采用上節(jié)介紹的方法計(jì)算單排抗滑樁對(duì)應(yīng)不同間距的單樁極限抗滑力,繪出單樁極限抗滑力隨樁間距的變化曲線(xiàn)(設(shè)為“曲線(xiàn)2”)。(3)找出“曲線(xiàn)1”和“曲線(xiàn)2”交點(diǎn)處所對(duì)應(yīng)的坡寬(樁間距),此即為單排抗滑樁的合理間距。當(dāng)單排抗滑樁按其最合理間距布置時(shí),一根樁的極限抗滑力恰好等于樁的間距范圍內(nèi)的剩余下滑力,此時(shí)樁的承載力以及滑坡土體的抗滑力都得到了充分發(fā)揮。至于剩余下滑力的計(jì)算,方法很多,但目前比較通用的當(dāng)屬圓柱滑動(dòng)面的條分法,即Fellenius法。其基本原理是由下式計(jì)算斜坡穩(wěn)定的安全系數(shù):由此可以求得滑坡的剩余下滑力:如采用其它方法計(jì)算Pr,其確定合理樁間距原理不變。2.2d曲線(xiàn)下抗滑樁的最合理樁間距的確定,把所有大學(xué)生在其面某斜坡高30m,坡度為1.5:1,斜坡土性參數(shù)為y=18kN/m3,c=10kPa,φ=15°,欲用單排抗滑樁加固之,設(shè)樁寬樁厚均為1.0m,現(xiàn)按本文介紹的方法確定其最合理樁間距。如圖2所示,用條分法計(jì)算斜坡的剩余下滑力。取坡寬1.0m,設(shè)經(jīng)試算,確定了最危險(xiǎn)滑動(dòng)面的圓心為O點(diǎn),滑動(dòng)面半徑為R=35m,將滑體分為若干條(為計(jì)算方便,取分條寬度為b=R/10=3.5m,各分條編號(hào)i如圖2所示,令各分條圓弧滑面上重力Wi的作用點(diǎn)與圓心O的連線(xiàn)與通過(guò)O點(diǎn)的鉛直線(xiàn)的夾角為θi,O點(diǎn)距分條i的中心的水平距離為di,則除第10分條外,均有量出各分條換算中心高度hi及弧長(zhǎng)Li,并列表計(jì)算∑hisinθi、∑hicosθi以及L=∑Li如表1。若取不同k,可得不同之Pr(見(jiàn)表2):分別作不同K的Pr～D曲線(xiàn)(曲線(xiàn)1),如圖3所示。設(shè)抗滑樁置于斜面至滑面深度為15m處,即滑面以上長(zhǎng)為H=15m,采用上節(jié)介紹的方法計(jì)算不同樁間距時(shí)抗滑排樁的單樁極限抗滑力E。由于此承載力為上限值,為使計(jì)算值與真實(shí)值更為接近,根據(jù)文獻(xiàn)的試驗(yàn)資料,將此承載力除以系數(shù)1.15。然后給出E～D曲線(xiàn)(如圖3曲線(xiàn)2),此曲線(xiàn)2與Pr～D曲線(xiàn)之交點(diǎn)處對(duì)應(yīng)的D值即為最合理樁間距。根據(jù)K取值不同,列表如下(表3),表中之D/B即為合理樁間距的無(wú)量綱值。3計(jì)算結(jié)果與試驗(yàn)結(jié)果對(duì)比(1)根據(jù)塑性極限分析中的上限方法,將單排抗滑樁的樁土相互作用視為空間問(wèn)題進(jìn)行研究