抗滑桩设计中关于确定桩间距问题的分析

2 0 0 5 年第 6 期 水文地质工程地质 抗滑桩设计中关于确定桩 间距问题的分析 郑 磊， 殷坤龙 ， 简文星， 桂树强 ( 中国地质大学工程学院 ， 武汉4 3 0 0 7 4 ) 摘 要 ： 抗滑桩间距 的确定是滑坡防治工程中的关键 之一。本文基于土拱效应 ， 分析桩 间土拱 的受力状态 ， 通过 土拱 能够 保 持整体稳定性 、 拱顶和拱脚处截面最不利受力点达 到临界应力状态来共 同控制桩 间距 ， 得 到了较为合理的桩 间距 计算 公式 ， 在其它因素不变的情况下， 分析了桩间距与桩后滑坡推力 、 土体粘聚力和内摩擦角之间的关系， 并结合工程实例进 行 了验证 。 关键词 ： 滑坡 ； 抗滑桩 ； 土拱效应 ； 桩间距 中图分类号 ： P 6 4 2 2 2 ； T U 4 7 3 1 文献标识码 ： A 文章编号 ：1 0 0 0 3 6 6 5 ( 2 o o 5 ) 0 6 0 0 7 1 0 4 1 引言 在抗滑桩支护 的滑坡治理工程 中， 合理桩 间距的 确定是整个工程设计的关键性问题之一 。桩间距过 小会造成工程投资浪费和施工 困难 ； 桩间距过大会使 桩间土拱破坏或根本无法形成土拱 ， 发生桩 间土体向 前滑动 ， 使抗滑桩的抗滑功能失效。因此 ， 合理桩间距 的确定对工程的安全、 经济具有很重要的意义。 在抗滑桩支护的滑坡治理工程中， 首先由于抗滑 桩的作用 ， 使得滑坡岩土体内部存在着不均匀的变形 ； 其次其具备了产生土拱结构 的条件 ， 即有承受水平方 向推力的固定拱脚( 抗滑桩) 、 有一定强度材料制成的 拱圈( 岩土体) 、 在拱平面内有压力( 滑坡推力 ) 作用在 拱圈上。因此， 在抗滑桩加固的滑坡岩土体中， 只要抗 滑桩设置合理 ， 就能形成土拱 。同时， 在滑坡防治工 程的大量实践和相应的模型试验中也 发现 ， 抗滑桩间 土拱效应确实存在 ， 两桩之间岩土体的滑坡推力主 要是通过土拱作用传递到两侧 的抗滑桩上 ， 而此滑坡 推力的有效传递在很大程度上就取决于抗滑桩间距的 设定 。 2 桩 间土拱形式特征及 其受力分析 2 1 基本假定 收稿 日期 ： 2 0 0 5 0 1 04 ；修订 日期 ： 2 0 0 5 0 3 04 基金项 目：教育部博士点 基金项 目( 2 0 0 3 049 1 0 04) ； 教育部 科学 研究重点项 目( 0 3 0 3 4 ) 作者简 介：郑磊 ( 1 9 8 0 - ) ， 男 ， 硕士 研究生 ， 从 事地 质灾 害设 计 、 治理及防治研究。 E ma i l ： wi d e s t o n e 1 63 c 0 m ( 1 ) 桩及桩间土体共 同承受其后滑坡推力的作用 ， 把桩 间形成土拱的土体作为研究对象 ， 土拱沿桩长方 向均匀分布。 ( 2 ) 土体为各向同性体 ， 即在单位厚度的水平土层 内， 宏观上土质是均匀的。 ( 3 ) 桩后作用的滑坡推力沿桩身方向一般有矩形 分布 、 三角形分布和梯形分布， 这里只讨论滑坡推力为 矩形分布的情形 ， 且 假定桩后作用 的滑坡推力 为水平 方 向 。 设土拱跨度为 z ( 即桩 间净距) ， 桩间距为 ， 其后 作用的均布水平荷载 q ( 图 1 ) 。土拱能够适应一定位 移而不发生破坏， 说明该 土拱为静 定结构拱 ， 即三铰 拱 。由结构力学可知 ， 在均布荷载下 ， 三铰拱的合理拱 轴线是一条抛物线 ， 在其各个截面上的弯矩 和剪力为 零 。 q 图 1桩 间土 拱 的形 式 特征 Fi g 1 Ge o me t r i c f e a t ur e s o f s o i l a r c h b e t we e n p i l e s 2 2 土拱受力分析 当桩间土拱形成时 ， 其受力如 图 2所示。由图可 知， 土拱前方首先受到来 自上部传来的滑坡推力 P的 作用 ； 由于滑坡推力 的作用 ， 使得土拱后侧受到土拱下 方土体抗力 P 的作用 ， 方 向与滑坡推力方向相反 ； 土 拱接受滑坡推力后 ， 要克服土拱下方土体抗力 P 和土 维普资讯 7 2 水文地 质工程地质 生箜鱼 塑 拱本身沿滑动面的抗滑力， 它们作用后 的合力才是沿 土拱传递的有效推力 F， 也就是在设桩处抗滑桩所受 到的滑坡推力； 抗滑桩侧受到有效推力作用后， 同时产 生桩侧摩阻力 。 P 图 2桩 间土 拱受 力示 惹 图 Fi g 2 S ke t ch ma p o f s o i l ar c h un de r pr e s s ur e ( 1 ) 土拱下方土体抗力 当设置抗滑桩后 ， 桩间 存在土拱效应， 并形成桩 间土拱 。由于土拱本身允许 的压缩滑动变形较小 ， 则利用土拱下方 土体抗力作为 支撑就更小。滑坡推力作用在土拱后 ， 通过 土拱把推 力传递到两侧的抗滑桩上， 并通过抗滑桩 的抗滑能力 对边坡起到支挡 、 稳定的作用 。只有 当土拱破坏时 ， 土 拱下方土体反力才会被充分利用 。现在假设抗滑桩 间距恰好小到土拱作用可以充分发挥， 滑坡推力通过 土拱传递到两侧的抗滑桩上， 这时桩间土体传递给桩 前下块岩土体的滑坡推力就为零 ， 也就是说 ， 这时土拱 下方土体抗力对桩间土体的作用可以忽略不计 。 ( 2 ) 土拱 自身的抗力 土拱受到滑坡推力后 ， 土 拱本身要产生沿滑动方 向的变形 ， 因此土拱 自身存在 一 个抗力 ， 桩间土拱中的抗力为 P 。 ( 3 ) 土拱传递到抗滑桩的有效滑坡推力 土拱 受到上部滑体传来的推力 P作用后 ， 首先要克服沿滑 动方向的变形所产生 的抗滑力， 同时还要克服土拱 下 方土体的反力( 根据前面的假定， 这里可以将其忽略不 计) ， 然后通过土拱将有效推力传递到两侧抗滑桩上 。 因此 ， 由土拱传递到两侧抗滑桩的滑坡推力为 ： F = P Po = q l 式中： 口 设桩处的单 宽滑坡推力 ， 即为土拱所受到 的有效推力。 3 抗滑桩桩 间距 的解 在滑坡防治工程 中， 抗滑桩间的土体会形成类似 隧洞顶和桥梁拱圈的作 用机理的桩间土拱 ， 要保证相 邻两桩间土拱正常发挥 作用 ， 就需要满足桩间的静力 平衡条件 ， 即抗滑桩侧摩阻力之和大于或等于滑坡有 效推力。由图 2知 ， 抗滑桩一侧 的桩侧摩阻力 为： = HA t a n c + C b h ( 1 ) 式中： 6 抗滑桩桩侧宽度 ； 抗滑桩滑动面以上的高度； 桩侧 与土体之 间的摩擦角 ； c 土体 的粘聚力 。 如果 大于土体 的内摩擦角 ， 偏于安全的原因， 取 等于土体 的内摩擦角 。 建立土拱平衡力系： 2 T=PP 。 =q l ， 即： q l=2 ( H t a n + C b h ) ( 2 ) 当土拱没有发生破坏时 ， 最有可能发生破坏的是 拱顶处截面和拱脚处截面 ， 则此两截面处土体在其临 界状态下 最大 、 最小 主应力应该 满足 M o h r C o u l o m b 破坏准则 ： 。： an ( 4 s o + 萼 ) + 2 C t a n ( 4 s 。 + 萼 )( 3 ) 3 1 拱顶 处 跨 中即拱顶截 面处 的前缘点 B为跨 中截面 中最 不利受力点 ， 因此取跨 中截面处前缘点 B作为其最不 利受力点 。B点 的应力状态为： r 日 0- t ( 4 ) 【 ，= 将( 4 ) 式代入( 3 ) 式得 ： H ： g b ta n 2 ( 4 s o + 罢 ) + 2 C b h ， fa n ( 4 s o + ) ( 5 ) 则根据式( 2 ) 中建立的土拱平衡力系可得 ： z ： 2 b ta n ta n 2 ( 4 5 。 + 萼 ) + _。 ( 6 ) 2 C b h 1 + 2 ta n n ( 4 5 D + ) 】 口 L 、 ， 于是相邻两桩中心间距为 =z +o ， o为桩断面厚度。 3 2 拱脚 处 在拱脚截面考虑沿着拱轴 中心 线上 A点处的应 力状态( 图 1 ) ， 当 A点达到极限应力状态时 ， 则拱轴中 心线在 A点 的切线方向上的应力 即为最大主应力 ， 在 A点处垂 直于该 点切线 方向上的应 力为最小主应 力 ， 当 达到了土的抗压强度 ， 土体就发生破坏。 设 A点处岩土体沿着水平方 向即 轴方 向发生剪切 破坏， 则破坏面与大主应 力作用方 向即拱轴中心线在 A点处 的切 线成 ：4 5 一 的夹角 。 维普资讯 2 0 0 5年第 6期 水文地质工程 地质 A点的应力状态为： HA 口 。 ( 7 ) 将( 7 ) 式代人( 3 ) 式得 ： H = q b ta n 2 ( 4 s o + ) + 2 C b h c o s n ( 4 s o + ) ( 8 ) 则根据式( 2 ) 可得 ： z ： 2 b ta n ta n 2 f 4 5 o + 要 1 + 2 C b h 、 ? ( 9 ) 1 + 2 ta n C O S n ( 4 5 。 + ) c 于是相邻两桩中心间距为 三 =z +o 。 根据计算结果可得 z z ， 亦 即 LL ， 故取较 小值即 三 作为实际参考采用的最大桩间距。 从( 6 ) 、 ( 9 ) 式可以看出， 桩间静距 z 直接受桩后土 体的抗剪强度参数 C、 及桩后滑坡推力 q的影响， 在 其它因素不变的情况下 ， z 随 c或 的增大而增大 ， 随 q的增大而减小， 而且随着桩 的截面尺寸 b的增大而 增大。但实际上， 由于不能通过增大截 面尺寸 b而无 限增大桩间距 ， 必须要保证桩间土拱的形成 ， 否则桩间 土体不能把滑坡推力传递到土拱两侧的抗 滑桩上 ， 桩 间土体会产生滑移变形或流动， 造成抗滑桩的失效 。 4 工程实例 重庆市万州区游泳池 1号变形体位 于万开路 ( 万 州大桥引道) 以西 ， 天子停车场以北 ， 东以万开路为界， 南与天子停车场为界 ， 北以申明坝小河沟为界， 西抵长 生河 ， 整个外形呈一歪斜 的“ 圈椅状” 。其 内的预制厂 段位于 2 22 2 以及 2 3 2 3 剖面范围内， 抗滑桩剖面 布置图如图 3 、 图 4所示。现场地质调查表明， 游泳池 1 号变形体预制厂段近些年来地表地物变形明显 ， 崩 滑体后缘 拉裂缝宽度 达 0 1 0 m， 顺 着坡 面走 向延 伸。 本区属于变形体不稳定区， 现处于蠕动拉裂阶段 ， 特别 是久雨或暴雨天气时 ， 变形体变形明显。因此选用抗 滑桩工程对其进行治理 ， 设计方案如表 1 。 表 1 抗滑桩设计工程一览表 Ta bl e 1 Ta bl e o f a n t i s l i de p i l e s de s i g n wo r k s 工程布设处滑体土重度为 2 0 8 k N m 3 ， 粘聚力 c= 1 4 8 k P a ， 内摩擦角 =8 3 o 。 对于 图 3剖 面， 据 ( 9 ) 式 计 算可 得 z =5 0 m， 据 ( 1 2 ) 式计算可得 z =4 7 m， 故取桩间静距为 4 7 m， 则 桩间距 L：z +0=6 2 0 m 。实 际工程设计 中所取的 桩间距为 6 0 m， 故实际采用的桩间距是合理的。 图 3 2 22 2 剖 面 抗 滑 桩 布 置 图 Fi g 3 Di s po s a l o f a nti s lid e pi l e o n p r o f il e 2 22 2 对于 图 4剖 面 ， 同理 可得 Z =2 5 0 m， Z =2 4 4 m， 故取桩间静距为 2 4 4 m， 则桩间距 三=z +0=4 1 9 m。 实际工程设计中所取的桩间距为 6 0 m， 故实际采用的 桩间距偏大 ， 为了安全起见， 建议适 当减小桩间距 ， 或 者适当增大抗滑桩截面尺寸。 图 4 2 32 3 剖面抗滑桩布置 图 Fi g 4 Di s p os al o f an ti s l i de p i l e o n p r o f ile 2 32 3 5 对抗滑桩 间距 问题的几点探讨 ( 1 ) 通过综合 考虑桩 间土拱静力平衡条件和土拱 中最可能发生破坏 的拱顶和拱脚截面处最不利受力点 达到临界应力状态对抗滑桩最大桩间距 的大小进行分 析 ， 分别得到考虑拱顶 和拱脚截面两种情况下 的关于 桩间距的两个解 ， 并取较小的一个 解作 为实际参考采 用的桩间距 ， 使得经过计算最终确定下来 的桩间距更 具有参考价值 ， 更符合工程实际。同时也说 明桩间土 拱受桩间距的影响， 临界桩间距受桩间土拱应力强度 条件、 土拱体整体稳定性的综合控制 ， 在其它因素不变 的情况下 ， 临界桩间距随桩后土体的粘聚力 c和 内摩 擦角 的增大而增大 ， 随桩后滑坡推力 q的增大而减 小 ； 同时 ， 桩间距也受抗滑桩截面的影 响， 截面尺寸增 大 ， 在其他 因素不变的情况下 ， 桩间距也可适当增大 ， 维普资讯 水文地质工程地质 2 0 0 5 年第 6期 但不可以无限增大， 还要保证桩间土拱 的形成 ， 否则桩 间土拱不能把滑坡推力传递到土拱两侧 的抗滑桩上 ， 桩间土体会产生变形或流动， 造成抗滑桩的失效。 ( 2 ) 桩间距的确定受多种因素的影响， 为了研究方 便 ， 本文只考虑了最简单的情况 ， 对实际情况作了进行 简化的假定 ， 尚未考虑雨水、 振动等不 利因素 的影 响， 且土质均匀分布、 土拱效应 沿桩长方向均匀分布及滑 坡推力沿桩长方 向均匀分布的假定也与实际情况有较 大的差别。在工程实际中， 除了要按上面的计算模型 进行估算外， 还要考虑到工程实际( 比如说周边建筑物 对抗滑桩的变形的敏感程度等) ， 根据工程现场实际情 况对计算模型中各项参数加 以修正， 并结合实践经验 来综合考虑桩间距的大小 ， 如果有条件 的话还可 以通 过模拟试验来综合确定 ， 通过这些 因素综合考虑后 的 桩间距应该最为经济、 合理。 ( 3 ) 根据经验 ， 已建工程的桩距最小为 4 m， 最 大 为 1 5 m， 在有实测 的土石 自然成拱作用资料时， 参照能 形成 自然拱的跨距选取间距， 否则可根据 滑体的密实 程度 、 含水情况、 推力大小 、 桩截面尺寸等综合考虑 ， 一 般采用 2 5倍桩径 ， 或采用 61 0 m间距。一般情 况 下 ， 当滑体完整 、 密实或滑坡 下滑力较小， 桩 间距可取 大些。反之 ， 应取小些 。通常滑坡主轴附近桩间距小 ， 两 侧边 部桩 间距 大 。 参 考 文献 ： 1 国家防汛抗 旱总指挥部办公 室 ， 中国科 学院 、 水 利部 成都 山地灾 害与 环境研 究所 山洪 泥石流 滑坡 灾害 及 防治 M 北京 ： 科学 出版社 ， 1 9 9 4 2 刘 小丽 新型桩锚结构设计计算理论 研究 D 成都 ： 西南交通大学博士学位论文 ， 2 0 0 2 3 张建勋 ， 陈福 全 ， 简洪钰 被 动桩 中土拱效 应 问题 的 数值分析 J 岩土力学 ， 2 0 0 4 ， 2 5( 2 ) ：1 7 4 1 7 8 4 王 成华 ， 陈永 波 ， 林 立相 抗 滑桩 间土拱 力学特 性与 最大桩间距 分 析 J 山地 学报 ， 2 0 0 1 ，1 9 ( 6 ) ： 5 5 6 55 9 5 贾 海莉 ， 王成 华 ， 李江洪 基 于 土拱 效应 的抗 滑桩 与 护壁桩 的 桩 间 距 分析 J 工 程 地 质 学 报 ， 2 0 0 4 ， 1 2 ( 1 ) ：9 81 0 3 6 刘光代 浅谈 抗 滑桩设计 A 滑坡 文集( 第十 五集 ) C 北京 ： 中国铁 道出版社 ， 2 0 0 2 An a l y s i s o n s p a c i ng b e t we e n p i l e s i n t h e d e s i g n o f a n t i - s l i d e p i l e Z HE N G L e i ，Y I N K u n l o n g ，J I A N We n x i n g ，G UI S h u q i a n g ( S c h o o l o fE n g n i e e r i n g，C h i n a U n i v e r s i t y of G e o s c i e n c e s ，W u h a n 4 3 0 0 7 4 ， C h i n a ) A b s t r a c t ：T h e d e t e r m i n a t i o n o f t h e r a t i o n a l s p a c i n g b e t w e e n a d j a c e n t a n t i s l i d e p i l e s i s v e r y i m p o r t a n t i n l a n d s l i d e c o n t r o l wo r ks d e s i g nI n t h i s p a p e r ，t h e a u t h o r s a n aly z e o n t h e me c h a n i c a l c h a r a c t e ris t i c s o f s o i l a r c h b e t w e e n s q u a r e p i l e s b a s e d o n t h e s o i l a r c h e f f e c t T h e d i s c u s s i o n i s b a s e d o n t h e f o l l o w i n g a s s u mp t i o n