侯小強(qiáng) ，曹建宇 ，錢(qián)普舟 ，孫 泓

（1.甘肅建筑職業(yè)技術(shù)學(xué)院，甘肅蘭州 730050；2.甘肅省遠(yuǎn)大路業(yè)集團(tuán)有限公司，甘肅蘭州 730030；3.甘肅交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院，甘肅蘭州 730030）

0 引言

抗滑樁是穿過(guò)滑坡體深入于滑床的樁柱，用以支擋滑體的滑動(dòng)力，起穩(wěn)定邊坡的作用，適用于淺層和中厚層的滑坡，是一種抗滑處理的主要措施?？够瑯秾?duì)滑坡體的作用，利用抗滑樁插入滑動(dòng)面以下的穩(wěn)定地層，通過(guò)樁的抗力（錨固力）平衡滑動(dòng)體的推力，增加其穩(wěn)定性，當(dāng)滑坡體下滑時(shí)受到抗滑樁的阻抗，使樁前滑體達(dá)到穩(wěn)定狀態(tài)。通常根據(jù)滑體的厚薄、推力大小、防水要求及施工條件等選用木樁、鋼樁、混凝土及鋼筋混凝土樁。普通抗滑樁錨固深度一般根據(jù)地層巖性確定，按一般經(jīng)驗(yàn)，軟質(zhì)巖層中錨固深度為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的 1/3，硬質(zhì)巖中為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的 1/4，土質(zhì)滑床中為設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)的 1/2[1-2]。近年來(lái)，在傳統(tǒng)抗滑樁基礎(chǔ)上進(jìn)行了技術(shù)改進(jìn)，在樁頂施加錨索，使得抗滑樁由原來(lái)的懸臂式受力狀態(tài)變?yōu)樯喜亢?jiǎn)支梁，下部為一次超靜定結(jié)構(gòu)[3]。劉小麗等（2004）提出根據(jù)預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的實(shí)際施工過(guò)程和受力條件分階段計(jì)算樁身內(nèi)力，特別在第一階段計(jì)算預(yù)應(yīng)力作用下抗滑樁的內(nèi)力時(shí)考慮樁后滑面以上巖土體的反力作用[4-5]。魏寧等（2004）基于 Winkler 假定，采用桿件有限元計(jì)算模型模擬預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，研究其樁身的內(nèi)力和位移[6]。桂樹(shù)強(qiáng)等在錨拉樁的結(jié)構(gòu)計(jì)算中，采用雙參數(shù)法計(jì)算地基系數(shù)，將錨索視為彈性鉸支座，利用抗滑樁和錨索位移變形協(xié)調(diào)條件，計(jì)算錨索的設(shè)計(jì)拉力及樁身的內(nèi)力分布[7-14]。盡管錨索抗滑樁的最大剪力和最大彎矩均比傳統(tǒng)抗滑樁小很多，這樣可以適當(dāng)減小錨索抗滑樁的幾何尺寸及配筋，然而這些均屬于抗滑樁體外預(yù)應(yīng)力，并沒(méi)有更加有效的減小彎矩和工程費(fèi)用，特別在樁內(nèi)實(shí)施有效變形監(jiān)控和維護(hù)更加困難。

截至目前，很少有專(zhuān)家學(xué)者提出箱型預(yù)應(yīng)力抗滑樁的各種研究成果，基于以上本次提出箱型豎向預(yù)應(yīng)力抗滑樁，充分利用預(yù)應(yīng)力錨固技術(shù)和抗滑樁結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)，一方面與一般錨拉樁相比錨索長(zhǎng)度大為減少，與懸臂樁相比，由于有了豎向預(yù)應(yīng)力作用，樁身的錨固段減少，可以降低施工難度，同時(shí)，豎向預(yù)應(yīng)力荷載施加在樁身上，可以改善混凝土的受力狀態(tài)，從而改善樁體的結(jié)構(gòu)性能，預(yù)應(yīng)力筋在混凝土的受拉區(qū)，可替代部分樁身受拉鋼筋，在結(jié)構(gòu)上采用箱型，進(jìn)一步節(jié)約成本，在抗滑樁工作期間，可以進(jìn)入樁心進(jìn)行監(jiān)測(cè)和維護(hù)，由此可見(jiàn)該樁是一種值得深入研究的樁型。

1 抗滑樁結(jié)構(gòu)假設(shè)及基本假定

1.1 結(jié)構(gòu)假設(shè)

本次以箱型豎向預(yù)應(yīng)力、箱型鋼筋混凝土和普通混凝土抗滑樁三者結(jié)合起來(lái)進(jìn)行比較研究。截面尺寸為 1.8 m×2.2 m，其中箱內(nèi)尺寸為 0.8 m ×1.2 m，樁長(zhǎng)為 20 m，見(jiàn)圖1。滑坡推力采用 1 000 kN/m、1 500 kN/m、2 000 kN/m 三種推力，通過(guò)比較樁身最大剪力、最大彎矩及位移變化情況，說(shuō)明箱型豎向預(yù)應(yīng)力抗滑樁特性，見(jiàn)表1。

1.2 基本假定

（1）巖土體假定為理想彈塑性體，滿(mǎn)足彈性塑應(yīng)力一應(yīng)變關(guān)系；樁與預(yù)應(yīng)力筋為線彈性體，按彈性受力進(jìn)行分析。

（2）滑動(dòng)面是確定的，在整個(gè)工作過(guò)程中不會(huì)改變。

圖1 抗滑樁推力時(shí)受力模型

表1 三種推力情況下各節(jié)點(diǎn)力的大小

（3）在滑面以上的樁體施加滑坡推力，根據(jù)戴自航[15]在總結(jié)分析我國(guó)大量抗滑樁模型試驗(yàn)和現(xiàn)場(chǎng)試樁實(shí)測(cè)試驗(yàn)資料的基礎(chǔ)上，針對(duì)不同的滑坡巖土體性質(zhì)，推導(dǎo)了相應(yīng)的滑坡推力分布函數(shù)。本次模擬滑坡推力呈梯形分布，假定上、下底滑坡推力之比為 2∶5。

（4）在預(yù)應(yīng)力樁兩端施加一對(duì)相向的反力，模擬預(yù)應(yīng)力，預(yù)應(yīng)力的大小為預(yù)應(yīng)力錨索的設(shè)計(jì)拉力。在樁兩端施加一對(duì)彎矩，模擬偏心拉力產(chǎn)生的彎矩，彎矩大小為預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)拉力乘以偏心拉力到轉(zhuǎn)點(diǎn)的偏心距。

2 受力分析

假定 20 m 長(zhǎng)的抗滑樁，截面尺寸為 1.8 m ×2.2 m，其中箱型結(jié)構(gòu)中箱內(nèi)尺寸為 0.8 m× 1.2 m，樁長(zhǎng)為 20 m，分別建立了實(shí)心樁、箱型鋼筋混凝土樁和預(yù)應(yīng)力箱型混凝土樁三種結(jié)構(gòu)，根據(jù)滑坡推力為 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 作用下，建立多種工況有限元模型進(jìn)行數(shù)值分析。

首先確定預(yù)應(yīng)力抗滑樁結(jié)構(gòu)在不同等級(jí)混凝土?xí)r，對(duì)于抗滑能力影響程度，位移主要能反應(yīng)其抗滑效果，為此通過(guò)各節(jié)點(diǎn)和樁頂節(jié)點(diǎn)位移大小來(lái)判斷。為此采用工程常用到的 C25、C30、C35、C40、C45、C50 混凝土等級(jí)進(jìn)行抗滑效果分析，根據(jù)位移變化大小分析，C50 抗滑樁位移最小，C25混凝土位移最大，說(shuō)明隨著混凝土等級(jí)強(qiáng)度增加位移減??；為進(jìn)一步明確不同等級(jí)混凝土具體效果，通過(guò)位移變化大小來(lái)看分析比較合理。由圖2分析可知，C25、C30 和 C35 之間位移較大，比 C35大 12.49%和 4.99%，C35、C40、C45、C50 之間變化較小，分別比 C35 小 3.07%、5.96%和 8.69%。說(shuō)明采用 C35 混凝土比較適合做預(yù)應(yīng)力抗滑樁。

圖2 不同混凝土等級(jí)箱型預(yù)應(yīng)力抗滑樁位移

確定混凝土等級(jí)強(qiáng)度為 C35 后，以 C35 混凝土建立三種樁結(jié)構(gòu)有限元模型，在同樣 1 000 kN推力作用下，產(chǎn)生的位移、彎矩和剪力進(jìn)行分析。由圖3可知，箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)位移 3.058 mm,實(shí)心結(jié)構(gòu)位移為 5.715 mm,鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)位移為 6.315 mm。說(shuō)明預(yù)應(yīng)力箱型結(jié)構(gòu)在樁頂最大位移量最小，箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)比預(yù)應(yīng)力箱型混凝土結(jié)構(gòu)位移大 106.5%，實(shí)心鋼筋混凝土箱型結(jié)構(gòu)比預(yù)應(yīng)力箱型混凝土結(jié)構(gòu)大 86.9%。

由圖4可知，三種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生彎矩變化比較相似，均在 7 m 處彎矩最大，兩端彎矩逐漸減小。在 7 m處，箱型預(yù)應(yīng)力混凝土抗滑樁彎矩為 4 271.44 kN · m，箱型鋼筋混凝土和實(shí)心鋼筋混凝土抗滑樁彎矩均6 428.1 kN· m，箱型預(yù)應(yīng)力混凝土抗滑樁彎矩比其他兩種抗滑樁小 50.5%。在 0 到 7 m 之間，實(shí)心樁和箱型鋼筋混凝土樁彎矩逐漸增大，變化幅度接近，在 7 m 到 20 m 之間，實(shí)心樁和箱型鋼筋混凝土樁彎矩逐漸減小為 0，且大小相等；在箱型預(yù)應(yīng)力混凝土抗滑樁兩端存在負(fù)彎矩小，是由于預(yù)應(yīng)力筋在兩端張拉后本身產(chǎn)生，更有利于增加抗滑效果。

圖3 推力1000 kN 時(shí) C35 混凝土抗滑樁位移

圖4 推力1000 kN 時(shí) C35 混凝土抗滑樁彎矩

由圖5可知，在推力 1 000 kN 時(shí)，三種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生剪力變化比較相似，正負(fù)剪應(yīng)力交替位置相同，均在 6 m 處負(fù)剪應(yīng)力最大，7 m 處正剪應(yīng)力最大。其中箱型預(yù)應(yīng)力混凝土抗滑樁最大負(fù)剪應(yīng)力為-2 105.65 kN，箱型鋼筋混凝土抗滑樁最大負(fù)剪應(yīng)力均為-2 930.73 kN，實(shí)心鋼筋混凝土抗滑樁最大負(fù)剪應(yīng)力為-2 930.73 kN，最大負(fù)剪應(yīng)力大小方面，箱型預(yù)應(yīng)力混凝土抗滑樁比箱型鋼筋混凝土抗滑樁和實(shí)心鋼筋混凝土小 39.1%，三種最大正剪應(yīng)力為相同，均為 999.95 kN，說(shuō)明箱型預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)對(duì)于提高整體抗剪效果更加明顯。

圖5 推力1000 kN 時(shí) C35 混凝土抗滑樁剪力

為進(jìn)一步說(shuō)明，采用同樣的方法通過(guò)加大三種結(jié)構(gòu)抗滑樁的滑坡推力進(jìn)行驗(yàn)證，均為 C35 混凝土等級(jí)強(qiáng)度，分別采用了 1 500 kN 和 2 000 kN推力計(jì)算分析，由圖6可知，其中推力 1 500 kN 箱型鋼筋混凝土位移為 9.47 mm，實(shí)心混凝土樁的位移為 8.57 mm，推力 2 000 kN 時(shí)箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗滑樁位移僅為 7.29 mm，比推力 1 500 kN 的實(shí)心混凝土和箱型鋼筋混凝土兩種樁都小，說(shuō)明箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)位移一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。由圖7可知，其中推力 1 500 kN 箱型鋼筋混凝土最大負(fù)剪力為 4 396.38 kN，實(shí)心混凝土樁的最大負(fù)剪力為 5 484.87 kN，推力 2 000 kN時(shí)箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)抗滑樁最大負(fù)剪力僅為4 579.82 kN，比推力 1 500 kN 的實(shí)心混凝土還小，和箱型鋼筋混凝土比較接近，由圖7可知，箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最大負(fù)剪力一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。圖8可知，箱型預(yù)應(yīng)力結(jié)構(gòu)最大負(fù)剪力一定比同樣推力其它兩種結(jié)構(gòu)抗滑樁小的多。

圖6 1500 kN C35 混凝土不同結(jié)構(gòu)抗滑樁位移

圖7 推力1500 kN 時(shí) C35 混凝土抗滑樁剪力

圖8 推力1500 kN 時(shí) C35 混凝土抗滑樁彎矩

3 結(jié)論

箱型豎向預(yù)應(yīng)力抗滑樁是一種新型抗滑樁，截止目前國(guó)內(nèi)外尚未發(fā)現(xiàn)此類(lèi)研究成果，本次通過(guò)建立有限元模型，采用三種不同結(jié)構(gòu)抗滑樁，即傳統(tǒng)實(shí)心抗滑樁、箱型鋼筋混凝土抗滑樁和箱型豎向預(yù)應(yīng)力混凝土樁，在不同混凝土等級(jí)強(qiáng)度和1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 三種滑坡推力等條件下進(jìn)行計(jì)算分析，得出如下結(jié)論：

（1）通過(guò) 6 個(gè)不同等級(jí)混凝土進(jìn)行抗滑受力分析，箱型豎向預(yù)應(yīng)力混凝土樁采用 C35 混凝土比較科學(xué)合理；

（2）通過(guò)三種不同結(jié)構(gòu)抗滑樁受力分析，分別在 1 000 kN、1 500 kN、2 000 kN 推力作用下，箱型豎向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)完全可樁身各節(jié)點(diǎn)位移最小，說(shuō)明該種抗滑樁比其它抗滑樁抗滑能力要強(qiáng)；

（3）箱型豎向預(yù)應(yīng)力混凝土結(jié)構(gòu)在同樣推力小，其產(chǎn)生的彎矩和剪力比其它兩種抗滑樁要小，這樣不但提高抗滑效果，而且減少抗拉、抗剪鋼筋和混凝土數(shù)量，節(jié)省工程造價(jià)；

（4）同樣可以在靠近山體一側(cè)樁壁開(kāi)設(shè)泄水孔，有利于滑坡體內(nèi)排水，進(jìn)一步提高抗滑效果，在檢測(cè)和維護(hù)可以直接進(jìn)入抗滑樁箱內(nèi)進(jìn)行檢測(cè)很有好處。

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