陳國(guó)棟

(中鐵二院成都勘察設(shè)計(jì)研究院有限責(zé)任公司，四川成都610081)

微型樁(micro－pole)一般指樁徑在70～300mm，長(zhǎng)徑比較大(＞30)，采用鉆孔、強(qiáng)配筋和壓力注漿工藝施工的灌注樁。微型樁早期主要用于地基加固。上個(gè)世紀(jì)末期迅速發(fā)展，廣泛用于邊坡治理、滑坡修復(fù)和深基坑支護(hù)等工程實(shí)踐，引起了國(guó)內(nèi)外學(xué)術(shù)界的高度重視。如今在滑坡治理工程中，特別是應(yīng)急搶修工程中，微型抗滑樁因施工方便、迅速，施工后樁體與巖土體形成復(fù)合土工材料，可充分發(fā)揮巖土體自身的抗滑力等優(yōu)點(diǎn)而得到廣泛應(yīng)用，并取得了預(yù)期的治理效果。

在成都鐵路局管轄范圍內(nèi)的地災(zāi)搶險(xiǎn)中應(yīng)用微型樁實(shí)例較多，不勝枚舉。如:內(nèi)六線Dk229+070～+122加固工程等，絕大部分發(fā)揮了應(yīng)有作用，但也有個(gè)別失敗案例。國(guó)內(nèi)的微型樁多作為應(yīng)急災(zāi)害中的補(bǔ)充措施，沒(méi)有較為完整的體系。

1 微型樁的結(jié)構(gòu)計(jì)算分析

有關(guān)微型抗滑樁與周圍巖(土)體的共同作用還沒(méi)有形成系統(tǒng)深入的理論認(rèn)識(shí)，對(duì)于微型抗滑樁的設(shè)計(jì)、計(jì)算大多借用普通抗滑樁的計(jì)算模式。在工程應(yīng)用中，一些重要參數(shù)的選取通常是通過(guò)試樁試驗(yàn)或參照其他工程的經(jīng)驗(yàn)取值來(lái)確定。

獨(dú)立微型抗滑樁內(nèi)力計(jì)算方法主要有兩類:壓力法和數(shù)值計(jì)算方法。

壓力法簡(jiǎn)單，并且能快捷地估算出樁的最大彎矩和樁身位移，所以工程設(shè)計(jì)一般以該法為主，但是計(jì)算結(jié)果偏差較大，一般偏于保守。

數(shù)值計(jì)算方法主要包括有限差分法、有限單元法等，是最有發(fā)展?jié)摿Φ脑O(shè)計(jì)計(jì)算方法。但是由于實(shí)際情況復(fù)雜，模型參數(shù)選取不當(dāng)就會(huì)對(duì)最終的計(jì)算結(jié)果產(chǎn)生較大的影響。

解決上述問(wèn)題均需要對(duì)微型抗滑樁的抗滑作用機(jī)制及其破壞模式進(jìn)行系統(tǒng)的研究。

2 工程實(shí)例

2.1 工程概況

本設(shè)計(jì)位于內(nèi)六線DK229+070～+122路段，該路段為右堤左塹，鐵路位于直線上。牽引變電所位于路線右側(cè)，原設(shè)計(jì)牽引變電所場(chǎng)坪外側(cè)設(shè)擋土墻，其中DK229+050～+132段為樁基托梁路肩擋土墻(圖1)。該路段牽引變電所場(chǎng)坪擋土墻外側(cè)岸坡于2004年被河水沖刷導(dǎo)致嚴(yán)重坍塌。2004年5月鐵二院對(duì)岸坡采取抗滑樁對(duì)其進(jìn)行設(shè)計(jì)加固，后來(lái)鹽津縣交通局在距變電所上游70m處建橋，加劇了橫江河水直接沖擊變電所外坡，河岸受到?jīng)_刷嚴(yán)重，導(dǎo)致原有河岸加固的抗滑樁剪壓破壞、變電所場(chǎng)坪擋土墻外側(cè)岸坡嚴(yán)重坍塌，硬化場(chǎng)坪有整體下沉的趨勢(shì)，已經(jīng)嚴(yán)重威脅供電設(shè)備的安全使用，急需進(jìn)行整治。后來(lái)在DK229+070～+122范圍牽引變電所硬化場(chǎng)坪內(nèi)采用鋼管樁加固措施。

圖1 DK229+070斷面(單位:m)

2.2 地質(zhì)資料

工程所在處地質(zhì)資料見(jiàn)表1。

表1 計(jì)算參數(shù)

2.3 微型樁抗滑穩(wěn)定性分析

本文采用GEO－SLOPE軟件中的SLOPE/W模塊對(duì)該工點(diǎn)路基穩(wěn)定性進(jìn)行了評(píng)估。

2.3.1 極限平衡法基本原理

極限平衡法是建立在摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則基礎(chǔ)上的，其特點(diǎn)是只考慮靜力平衡條件和土的摩爾一庫(kù)侖破壞準(zhǔn)則，通過(guò)分析土體在破壞瞬間的平衡來(lái)求得問(wèn)題的解。極限平衡理論的主要思路是將滑動(dòng)土體進(jìn)行條分，由極限狀態(tài)下土條所受力和力矩的平衡來(lái)分析邊坡穩(wěn)定性。它是目前應(yīng)用最多的一種分析方法。

2.3.1.1 摩爾一庫(kù)侖強(qiáng)度準(zhǔn)則

由庫(kù)侖理論可知，采用總應(yīng)力指標(biāo)時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度公式:

式中:τf為土的抗剪強(qiáng)度;σn為剪切滑動(dòng)面上的法向總應(yīng)力。

采用有效應(yīng)力指標(biāo)時(shí)，土的抗剪強(qiáng)度公式:

式中:τ'f為土的有效抗剪強(qiáng)度;σ'n為剪切滑動(dòng)面上的法向有效應(yīng)力;u為孔隙水壓力。

2.3.1.2 關(guān)于安全系數(shù)的定義

在圓弧滑動(dòng)安全系數(shù)Fs的計(jì)算中，相應(yīng)的計(jì)算公式如下:

式中:c、φ為土的粘聚力、內(nèi)摩擦角(有效抗剪強(qiáng)度);W為土條的總重量;l為土條的圓弧長(zhǎng);b為土條寬度;u0為由天然地下水引起的初始孔隙水壓力;Tr為加筋材強(qiáng)度;α為土條圓弧的切線方向與水平面的夾角(圖2)。

土坡沿著某一滑裂面滑動(dòng)的安全系數(shù)k也可以這樣定義，將土的抗剪強(qiáng)度指標(biāo)降低為c/k和tan φ/k，土體沿著此滑裂面處達(dá)到極限平衡，即:

上述將強(qiáng)度指標(biāo)的儲(chǔ)備作為安全系數(shù)定義的方法(強(qiáng)度折減法)是經(jīng)過(guò)多年的實(shí)踐被工程界廣泛承認(rèn)的一種作法。采用這一定義，在數(shù)值計(jì)算方面，會(huì)增加一些迭代、收斂方面的問(wèn)題。

圖2 圓弧滑動(dòng)法計(jì)算圖示

2.3.1.3 靜力平衡條件

將滑動(dòng)土體分成若干土條，每個(gè)土條和整個(gè)滑動(dòng)土體都要滿足力和力矩平衡條件。在靜力平衡方程組中，未知數(shù)的數(shù)目超過(guò)了方程式的數(shù)目，解決這一問(wèn)題的辦法是對(duì)多余未知數(shù)作假定，使剩下的未知數(shù)和方程式數(shù)目相等，從而解出安全系數(shù)的值。

2.3.1.4 合理性要求

對(duì)多余未知數(shù)的假定方案是多種多樣的，但也不是任意的。它必須使獲得的解符合土和巖石的力學(xué)特性。目前，被普遍接受的合理性條件是:

(1)沿著劃分的土條兩側(cè)面上的剪應(yīng)力不能超過(guò)在這個(gè)面上所能發(fā)揮的抗剪能力。

(2)土條接觸面上不能產(chǎn)生拉應(yīng)力，作用在土條上的有效應(yīng)力的合力作用點(diǎn)不應(yīng)落在土條垂直面的外面。

在此原則基礎(chǔ)上，有很多穩(wěn)定性分析方法，包括Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法等。

2.3.2 工點(diǎn)DK229+070陡坡斷面穩(wěn)定性評(píng)估

2.3.2.1 未設(shè)置微型樁加固措施前的陡坡穩(wěn)定性分析

(1)穩(wěn)定性分析參數(shù)取值見(jiàn)表2;

表2 參數(shù)取值

(2)穩(wěn)定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法;

(3)假定:不考慮孔隙壓力，不使用概率統(tǒng)計(jì)分析;

(4)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖3～圖6。

圖3 加固前最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Morgenstern－price法)

圖4 加固前最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Bishop法)

圖5 加固前最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Janbu法)

圖6 加固前最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Ordinary法)

各計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)如表3所示

表3 微型樁加固前陡坡最小安全系數(shù)

本工點(diǎn)陡坡在不采取微型樁加固措施的情況下，由于事先采用了抗滑樁加固，安全系數(shù)為1.7～1.8。

2.3.2.2 設(shè)置微型樁加固措施后的陡坡穩(wěn)定性分析

(1)穩(wěn)定性分析參數(shù)見(jiàn)表4。

表4 參數(shù)取值

(2)穩(wěn)定性分析方法:Morgenstern－price法、Janbu法、Bishop法、Ordinary法。

(3)計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖7～圖10。

圖7 加固后最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Morgenstern－price法)

圖8 加固后最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Bishop法)

圖9 加固后最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Janbu法)

圖10 加固后最危險(xiǎn)滑面形狀位置(Ordinary法)

各計(jì)算方法得到的最小安全系數(shù)如表5所示

表5 微型樁加固后陡坡最小安全系數(shù)

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

對(duì)比表4和表5可以看出，在采取微型樁結(jié)構(gòu)工程措施情況下，本段陡坡穩(wěn)定性得到了較大的提高。因此在本路段采取微型樁結(jié)構(gòu)加固是可行的。

3 結(jié)論

查閱國(guó)內(nèi)外大量參考文獻(xiàn)及其成都鐵路局在搶險(xiǎn)加固中大量應(yīng)用微型樁的實(shí)踐證明，微型樁在鐵路地災(zāi)搶險(xiǎn)中的應(yīng)用前景廣闊，能達(dá)到良好的工程和經(jīng)濟(jì)效果。

［1］ 夏永承．土力學(xué)［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，1990

［2］ 徐岳良．?dāng)?shù)值分析［M］．成都:西南交通大學(xué)出版社，2000