抗滑樁的設(shè)計方法與邊坡穩(wěn)定評價方法的發(fā)展

抗滑樁的設(shè)計方法與邊坡穩(wěn)定評價方法的發(fā)展

1抗滑樁設(shè)計方法與邊坡穩(wěn)定性評價方法的發(fā)展相適應(yīng)抗滑樁作為控制傾斜過程的有效工程措施，在世界各國的傾斜過程管理中發(fā)揮著重要作用。迄今為止,它是在滑坡治理中應(yīng)用得最多的工程結(jié)構(gòu)物。國外從20世紀(jì)30年代(1931年11月12日,美國工程新聞雜志《滑坡和樁的作用》)、國內(nèi)從20世紀(jì)50年代初開始在工程中應(yīng)用以來,它的設(shè)計理論也隨著其廣泛的應(yīng)用得到了相應(yīng)的發(fā)展。目前,抗滑樁設(shè)計方法與邊坡穩(wěn)定性評價方法的發(fā)展相適應(yīng),可大致分為以下二類:第一類是與傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定評價的極限平衡方法相配套的設(shè)計方法。這類方法主要是進行平面分析,一般把樁和邊坡分開考慮。第二類是與邊坡穩(wěn)定評價的邊界元和有限元方法相配套的設(shè)計方法。這類方法可進行平面或三維分析,把土-樁-土作為一個相互作用的整體體系來考慮。2研究2.1抗滑樁與滑坡體相互作用的分析方法傳統(tǒng)的抗滑樁設(shè)計方法主要和傳統(tǒng)的邊坡穩(wěn)定極限平衡方法相適應(yīng),方法一般用一些簡化的方式來考慮抗滑樁和滑坡體的相互作用,主要包括抗滑樁所承受的不平衡下滑力的大小和分布、樁前抗力的大小和分布、樁的內(nèi)力計算、合理的樁間距四個方面。2.1.1傳遞系數(shù)法條我國的抗滑樁設(shè)計,多用剛體極限平衡法中的傳遞系數(shù)法來計算抗滑樁所受邊坡的作用力。潘家錚(1980年)提出在邊坡原始情況下用傳遞系數(shù)法計算的各分條的下滑力繪制天然下滑力曲線、用達到設(shè)計要求的安全系數(shù)時邊坡的下滑力繪制的設(shè)計下滑力曲線,用兩條曲線在抗滑樁所在位置處的差值作為樁所承受的滑坡推力值。賀建清、張家生(1999年)等則提出采用達到設(shè)計的安全系數(shù)情況下兩條不平衡下滑力曲線之間的差值,一條曲線是在該安全系數(shù)下用傳遞系數(shù)法從上至下計算得到的,該曲線同前述潘家錚方法的第二條曲線,另一條曲線是在同一安全系數(shù)下假定出口處下滑力為零由下至上計算而得到的。作者同時指出,合理的抗滑樁放置位置應(yīng)在兩曲線差值最小處。林峰、黃潤秋(2000年)提出用改進Janbu法計算樁所受的下滑力,并認(rèn)為傳遞系數(shù)法只考慮條塊平動趨勢,所求推力往往偏小,只考慮了條塊上力的平衡未考慮力矩的平衡,如果要考慮力矩平衡則條間合力作用點常不能保證在坡體內(nèi),存在不足之處,而改進Janbu法考慮了計算結(jié)果的合理性要求,在計算時作了相應(yīng)的假定。林魯生等(2001年)認(rèn)為樁所受的滑力可按公式(1)直接計算得到,即式中ΔR——單位寬度上的滑坡推力;FD——沿臨界破壞面的滑力之和;FT——需要的安全系數(shù);Fa——實際安全系數(shù)。Ito和Matsui在1975年基于剛性樁分析得出的計算抗滑樁所受下滑力的公式在國外抗滑樁設(shè)計中得到了廣泛的應(yīng)用。另外,在國內(nèi)常用的傳遞系數(shù)法中,計算樁所受的下滑力大小時,人們普遍認(rèn)為應(yīng)該考慮樁身變形產(chǎn)生的傳力作用,即考慮傳力系數(shù)ξ。蔣中明等認(rèn)為抗滑樁的傳力系數(shù)與下滑力的大小無關(guān),僅與樁的幾何特性相關(guān),隨樁的柔度的增加而增加,隨其截面尺寸的增大而減小,但當(dāng)其尺寸增大到一定程度后,傳力系數(shù)趨向于一定值;并認(rèn)為引入傳力系數(shù)可以減小樁的設(shè)計荷載從而減小樁的配筋量可達10%～30%。2.1.2樁前滑動面處的滑力文獻指出,抗滑樁受到滑坡推力作用后,通過抗滑樁將滑坡推力傳遞到滑動面以下樁周的巖、土中,此時樁下部的巖、土因受力而產(chǎn)生變形,當(dāng)應(yīng)力與應(yīng)變成正比例增加時屬彈性階段;超過彈性極限狀態(tài)后應(yīng)力增加不多而變形驟增時,屬塑性階段;當(dāng)應(yīng)力不再增大而變形不止時則達到破壞階段。當(dāng)變形在彈性階段時,滑床中樁前、后的巖、土抗力按彈性抗力計算;當(dāng)變形處于塑性階段,抗力近似地等于該地層的地基系數(shù)乘以相應(yīng)的與變形方向一致的巖、土在彈性極限狀態(tài)時的壓縮變形值,或用該地層的側(cè)向允許承載力代替;如樁身的巖、土處于塑性變形階段的范圍較大或巖體很松散時,則全樁可用極限平衡辦法計算滑床內(nèi)樁周巖、土的抗力值。由于滑動面的存在,滑動面處的抗剪強度比滑體和滑床小得多,滑體易沿該面滑動,而使樁前滑動面以上的滑體不能充分發(fā)揮其彈性抗力,因此樁前滑動面處的剩余抗滑力常是樁前滑體所能提供抗力的控制值。若樁前滑動面以上的滑體可能滑走(根據(jù)計算無剩余抗滑力),則樁上部受荷段假定無抗力作用;若樁前滑動面以上的滑體基本穩(wěn)定(有剩余抗滑力),則樁上部受荷段假定有抗力作用,但此假定抗力不應(yīng)大于樁前滑體的剩余抗滑力或被動土壓力。上述提到的樁前抗力大小的考慮方法,在我國的抗滑樁設(shè)計中得到廣泛的應(yīng)用,即樁前滑動面以上土體不滑走時,樁前抗力由樁前土體剩余抗滑力、被動土壓力或彈性抗力中小者決定;可能滑走時,則此抗力計為零。在計算樁周巖、土的抗力時通常忽略樁間巖土的摩擦力,但王文燦等認(rèn)為該力無論從理論上還是實踐上分析都是不能忽視的。而王化卿、李傳珠等則認(rèn)為對于大斷面的抗滑樁,垂直于滑坡推力方向樁周的摩阻力也是不容忽視的。2.1.3對于土體抗力分布圖式目前,一般認(rèn)為滑坡推力的分布圖式有三角形、矩形和梯形三種。林魯生等認(rèn)為真正的散體呈三角形分布,巖石滑坡按矩形分布,對沉積年代久、具有一定膠結(jié)的滑體,梯形分布比較符合。有錨索的剛性抗滑樁按梯形計算,而彈性樁則應(yīng)按拋物線分布。文獻建議:當(dāng)滑體是粘聚力較大的地層時,其推力分布圖式可近似按矩形考慮;如果是以內(nèi)摩擦角為主要抗剪特性的推積體,推力分布圖式可近似按三角形考慮;介于二者之間的,可按梯形分布。對滑動面以上土體抗力的分布圖式,一般均按三角形考慮。徐良德等對滑體為松散介質(zhì)時樁前滑體抗力的分布作了實驗分析,認(rèn)為當(dāng)滑體為松散介質(zhì)時,下滑力基本上為三角形,合力重心約在滑動面以上0.3h處;而樁前滑體抗力圖形接近拋物線形,合力重心在滑動面以上0.45h左右;滑面以下的抗力圖形為兩個對頂?shù)娜切?。后來徐良德等又對滑體為黏性土?xí)r樁前滑體抗力的分布作了實驗分析,認(rèn)為當(dāng)滑體為砂黏土?xí)r,下滑力基本上為三角形,合力重心約在滑動面以上0.26h(滑動面以上樁長)處;而樁前滑體抗力圖形接近拋物線形,合力重心約在滑動面以上0.6h處;滑面以下的抗力圖形亦為兩個對頂?shù)娜切?。戴自航在分析試驗和抗滑試樁實測資料結(jié)果的基礎(chǔ)上,針對滑坡體不同的巖土體類型,建立了相應(yīng)的滑坡推力和土體抗力的分布函數(shù)模型,并列成了圖表。2.1.4改進算法的計算公式和應(yīng)用說明在我國抗滑樁的工程設(shè)計中,一般把抗滑樁分成兩部分,滑面以上用懸臂梁進行計算,滑面以下按地基梁計算。有的則整個樁體都按彈性地基梁計算。按彈性地基梁計算樁身內(nèi)力和變位時根據(jù)對地基系數(shù)的假定的不同,分為“K”法、“m”法、“C”法以及它們的組合法,如“m-K”法。對這些方法,文獻中提供了其相應(yīng)的計算公式和查表計算表格。戴自航、彭振斌給出了“K”法、“m”法、“m-K”法的差分求解格式,楊佑發(fā)等也給出了“m-K”法、“K-K”法的差分求解格式。為了使地基系數(shù)取值更符合實際,吳恒立提出了雙參數(shù)法,它通過在地基反力系數(shù)的表達式中增加參數(shù)來模擬樁的非線性過程。張友良等提出用桿件有限元法來計算抗滑樁的內(nèi)力,把抗滑樁用若干個桿單元來模擬,可有效地解決復(fù)雜結(jié)構(gòu)、復(fù)雜邊界條件、復(fù)雜地層條件及復(fù)雜的荷載條件給計算所帶來的困難。2.1.5樁間距的上限解和下限解對于合理的樁間距的確定目前工程上還沒有很成熟的方法,通常是以經(jīng)驗值來控制,并用樁間土體與樁側(cè)兩面所產(chǎn)生的摩阻力不小于樁間滑坡推力作為控制條件進行間距的校核。合適的樁間距應(yīng)該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,應(yīng)按穩(wěn)定土體的拱作用理論和塑性土體中的塑性理論來決定。潘家錚基于樁間土體通過樁以后傳給樁前下塊的推力不超出下塊剩余抗滑力的思想,給出了抗滑樁樁間距的上限解公式。王士川、陳立新在上限解的基礎(chǔ)上,考慮土拱作用及樁斷面間土體的摩阻力及粘著力的前提下對樁間塊體進行穩(wěn)定分析,得出了抗滑樁樁間距的下限解公式。下限解的基本思想是,抗滑樁的間距恰好小到土拱作用充分發(fā)揮。王成華等通過對樁間土拱的形成及力學(xué)特性的分析,提出了最大樁間距的估算模型。常保平通過對樁間土拱的結(jié)構(gòu)分析、拱腳內(nèi)力分析和土拱強度分析,建立了能綜合反映滑坡推力、滑體和樁截面形狀及尺寸影響的抗滑樁臨界間距計算方法。B.K.Low等,W.及C.Y.Chen和G.R.Martin對樁間土拱的形成機制及力學(xué)特性作了詳細(xì)的討論。2.1.6基于極限下的滑樁設(shè)計在探討了上面的幾個問題后,將解決以上問題的方法進行組合就能構(gòu)成一套整體的抗滑樁設(shè)計思路。劉光代、戴自航和彭振斌對我國抗滑樁設(shè)計中常用的思路和設(shè)計步驟作了描述。佴磊等編制了從滑坡推力計算至樁結(jié)構(gòu)設(shè)計的全套應(yīng)用程序,從而使用傳統(tǒng)方法進行抗滑樁的分析更快捷、更準(zhǔn)確。鄒廣電、陳生水綜合應(yīng)用以上抗滑樁的極限承載理論和繞流阻力概念,通過由點到面、由面到空間的方式和三道安全系數(shù)的設(shè)立,建立了一套抗滑樁整體設(shè)計方法,該方法最終將抗滑樁設(shè)計歸結(jié)為一個特殊的優(yōu)化數(shù)值模型,應(yīng)用非數(shù)值并行算法中的模擬退火算法對其進行了求解。Ito和Matsui中用Ito公式求解作用在樁上的下滑力,把樁視為彈性地基梁用差分法求解其內(nèi)力,在抗滑力矩中計入樁的作用力矩來考慮樁加固后的邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)。在該法中樁和邊坡的安全系數(shù)分開計算,并要求分別達到要求。S.Hassiotis等提出的方法與Ito和Matsui方法只在計算邊坡安全系數(shù)時使用方法不同,他們認(rèn)為Ito和Matsui方法不能反映加樁后最危險滑面位置的變化而改用了摩擦圓法,但摩擦圓法只能用于均質(zhì)土坡。以上的這些理論均基于極限平衡條件下的假定,大體上都采用了彈性理論作為分析手段。陳立新、王士川對應(yīng)用這些方法時如何與彈塑性理論相結(jié)合進行了討論。2.2增質(zhì)法的應(yīng)用H.G.Poulos等人對邊界元法作了詳細(xì)的研究。在邊界元法中把土視作彈性連續(xù)體,抗滑樁用彈性梁來模擬,土和樁的接觸面用接觸面單元模擬,把土-樁-土體系看作一個相互作用的整體來分析其內(nèi)部的受力和整體的安全系數(shù)。不足之處是本方法作的是彈性范圍內(nèi)的分析,用增量法分析時,一旦單元的應(yīng)力超過屈服極限時,該單元便不再承力,水平應(yīng)力增量變?yōu)?。該法只適用于均質(zhì)土的情況,而滑坡體的土質(zhì)往往是多種多樣的,這給該法的應(yīng)用和推廣帶來了困難和限制。Lee.C.Y,Hull.T.S和Poulos.H.G用邊界元方法與Bishop法結(jié)合進行加樁后的邊坡穩(wěn)定分析,用邊界元方法分析邊坡和樁的相互作用及樁的內(nèi)力,用Bishop法計算邊坡的穩(wěn)定安全系數(shù)。2.3有限元方法分析有限元法是計算分析加樁滑坡體的有效的數(shù)值模擬方法,它把土-樁-土作為一個整體體系進行分析,有效而方便準(zhǔn)確地考慮了樁-土的相互作用。它不僅可以用來求解彈性、彈塑性、粘彈塑性、粘塑性等問題,而且可以方便地考慮邊坡巖土體的非均質(zhì)和不連續(xù)性,給出巖土體和樁的應(yīng)力、應(yīng)變大小和分布,可以近似地根據(jù)應(yīng)力、應(yīng)變規(guī)律去分析邊坡及抗滑樁的變形破壞機制。高同用平面有限單元法對獅子山滑坡與抗滑樁進行了整體分析,分析結(jié)果說明,采用有限元法進行分析是可行的,特別是對地質(zhì)情況復(fù)雜、有多層軟弱帶的情況,其它方法計算有困難時,有限元方法有明顯的優(yōu)越性。另外,有限元方法還可對抗滑建筑物進行全過程分析,使設(shè)計者對抗滑建筑物的破壞過程能有更充分的認(rèn)識。李克才、池淑蘭用三維非線性有限元方法對成昆線獅子山2號破壞試樁進行了分析,分析結(jié)果表明,樁身內(nèi)力和變位計算與實測吻合較好,說明用此方法進行分析是可行的。廖能斌、燕柳斌用平面非線性有限元法對防洪堤抗滑樁進行了內(nèi)力分析,防洪堤抗滑樁既有主動樁也有被動樁的受力點,他認(rèn)為由于傳統(tǒng)的考慮極限平衡的計算方法的假定不合理性,導(dǎo)致了計算結(jié)果與有限元計算成果有較大的出入,傳統(tǒng)法計算結(jié)果比有限元計算的結(jié)構(gòu)內(nèi)力大50%以上。FEICAIandKEIZOUGAI提出了三維彈塑性有限元強度折減法,該法可以在無需假定的情況下得出加樁前后邊坡的安全系數(shù),滑面可以不是圓弧面,也可以不連續(xù)。作者用該法的計算結(jié)果與Ito和Matsui方法的計算結(jié)果進行了比較,認(rèn)為兩種方法在樁頂為自由端的情況下計算結(jié)果吻合較好,但由于Ito和Matsui方法無法考慮樁頂為鉸支端等情況,因此對于這些情況,兩種方法無法進行比較。通過對一些經(jīng)典算例的計算分析,作者認(rèn)為該法是可靠的。2.4基于邊界元法和有限元法的抗滑樁設(shè)計方法通過以上的論述可知,基于極限平衡理論的抗滑樁設(shè)計方法雖然在這些年得到了不斷的發(fā)展,但由于它將一個整體受力和作用的土-樁-土分開來考慮,因此要考慮樁土的相互作用必須作一些人為的假定,這些人為假定是否正確合理成為決定計算是否符合實際的關(guān)鍵問題,也成為制約此方法進一步發(fā)展的瓶頸。巖、土性質(zhì)的多樣性及樁的結(jié)構(gòu)形式的不同,為正確合理地假定樁土相互作用帶來了困難。雖然基于極限平衡理論的抗滑樁設(shè)計方法由于其理論和計算的簡單易操作,近些年在工程實際中得到了廣泛的應(yīng)用,但于由它存在不可突破的瓶頸,隨著計算手段和能力的不斷進步終將被其它更好的設(shè)計方法所取代。邊界元法可以將土-樁-土體系看作一個相互作用的整體來分析其內(nèi)部的受力和整體的安全系數(shù),但只能進行彈性范圍內(nèi)的分析,并且只能假定巖、土體為均質(zhì)的;而巖、土體一般情況下均為非均質(zhì)、非彈性體,因此邊界元法用于分析巖