钢管微型桩在边坡加固中的极限抗滑力研究

钢管微型桩在边坡加固中的极限抗滑力研究

小型桩通常是指桩径小于300mm，长度和厚度较大的灌注桩，也称为小口径灌注桩和树根桩。它施工简便,一般在坡体上钻孔,在孔内插入钢筋、钢管、钢轨等抗剪力较强的筋材,再向孔内灌注水泥砂浆或水泥浆即可,插入钢管的则称为钢管微型桩,也可简称为钢管桩。将一定数量的钢管桩按一定的组合形式和连接方式组成组合结构,可以利用钢管桩材料的抗剪强度较好地抵抗滑坡推力。凭借钢管桩的施工快速、布置灵活、抗滑能力较强的特点,在山区边坡(滑坡)加固中,尤其是在震后边坡快速修复工程中得到了广泛的应用。钢管桩的水平承载力,即抗滑力的确定是钢管桩加固边坡(滑坡)设计中最重要的内容之一。闫金凯等采用模型试验研究了微型桩单桩加固滑坡体的承载机理、受力情况及破坏模式,结果表明,微型桩可有效提高边坡的稳定系数,采用微型桩加固边坡后,可将滑坡的稳定系数由0.96提高至1.35;微型桩所受的滑坡推力呈上小下大的三角形分布,桩前抗力呈上大下小的三角形分布,且随加载量的增加合力作用点逐渐向滑面靠近;微型桩于滑动面附近发生破坏,其破坏模式可判断为弯剪破坏。Andrew通过大规模的模型试验研究了边坡处理中微型桩的荷载作用机理,指出若微型桩和地表的连系梁结合起来,微型桩抗滑结构可以很大程度地提高边坡的稳定性。本文基于钢管桩加固边坡工程的现场破坏情况,采用有限元方法进行反分析,确定了钢管桩的极限抗滑力。首先介绍了边坡的地质条件、变形破坏情况,并从地质分析角度对变形原因进行了探讨。然后采用有限元方法模拟了现场边坡的实际破坏过程,并将计算结果同现场破坏现象进行了比对,反分析得到了钢管桩的实际极限抗滑力。最后给出了一些提高钢管桩抗滑能力的工程措施建议。1坡体变形原因分析渝湘高速公路黔江—彭水段K17+690～+860段为一挖方路段,出露的地层为砂岩、炭质泥岩互层,岩层顺倾,采用钢管桩进行加固,其设计断面如图1所示。在边坡开挖过程中,边坡出现了沿层面产生的滑动变形,调查中发现该滑坡的变形分为两部分,其中K17+690～+780段设置钢管桩后在其前部设置挡墙,目前挡墙已经施工完成,墙后的钢管桩出现了弯曲变形,以上边坡未出现明显的变形迹象;K17+780～+860段前部钢管桩均已产生变形破坏,挡墙尚未实施,后部在坡口线以外约25m处出现贯通的裂缝,缝宽20～30cm,局部下错约0.5～2.0m。变形原因分析:(1)总体而言,该段坡体的变形仍为顺层岩石滑动变形,其滑动面为灰色的炭质泥岩,滑坡上部岩体沿黑色炭质泥岩产生滑动变形。(2)当地的暴雨影响也是坡体变形的一个主要原因。暴雨期间,大气降水难以尽快排出坡体,使得大量雨水下渗至相对隔水的泥岩顶面汇集,软化泥岩表层,降低其抗剪强度,在重力作用下产生滑动变形。2抗疲劳试验的极限抗滑度采用有限元方法进行计算,计算软件采用国际广泛使用的岩土工程专业程序PLAXIS。2.1有限元模型的建立选取滑坡主轴断面进行分析,根据现场的破坏情况,将坡体分为滑体和滑床两部分,微型桩设置于滑坡前部,由于滑坡滑动出现在挡墙基础开挖施工过程中,因此计算中不考虑挡墙的支挡作用,并将开挖面设置于挡墙基底。岩体采用高精度15节点三角形单元进行网格离散,钢管桩及桩顶连系梁采用梁单元离散,桩体附近适当加密,离散后共计单元数532个,节点数4695个。模型边界除顶部自由外,其余均采用对称约束边界条件。离散后的有限元模型如图2所示。计算工况包括3步:(1)生成初始自重地应力场;(2)施加钢管桩结构;(3)开挖坡体。2.2管桩及连系梁单元模拟滑体及滑床视为弹塑性摩尔-库仑材料,钢管桩及连系梁采用梁单元模拟,视为线弹性材料,滑面采用接触单元进行模拟,服从摩尔-库仑屈服准则。各项材料参数如表1所示。2.3坡体及钢管桩破坏规律钢管桩的极限抗滑力是指其抵抗水平荷载的最大能力,极限抗滑力的确定对于钢管桩的合理设计具有重要的意义。渝湘路顺层边坡段,钢管桩预加固后,挡墙基脚开挖引发顺层滑动,钢管桩变形破坏,相当于进行了一次大型的现场破坏试验,可以粗略地认为此时作用在钢管桩上的滑坡推力相当于钢管桩的极限抗滑力,本文的数值模拟则再现了这一破坏过程,从而可根据计算结果确定出钢管桩的极限抗滑力。数值计算得到的开挖后边坡及钢管桩的变形破坏情况如图3所示。边坡整体沿位于开挖面底部的软弱结构面发生顺层滑动。首先是坡体前部牵引式滑动,现场表现为前部岩土体解体破坏;钢管桩的桩前抗力减小,前部钢管桩首先开始变形破坏,破坏形式主要表现为滑动面处的弯剪破坏以及桩顶与连系梁节点处的受弯破坏,引发后部钢管桩产生递进式破坏;坡体破坏面由前向后扩展,坡体后部出现大范围的剪切破坏区,后缘出现受拉破坏区,这与现场出现的坡体后缘拉裂缝区是吻合的。数值分析得到的坡体及钢管桩的破坏情况与现场情况基本吻合,验证了该数值模型的合理性。将四排钢管桩及桩间土视为一个整体,提取滑面以上后排桩桩后水平推力以及前排桩桩前土体抗力绘制曲线图,如图4所示。由图可知,桩后滑坡推力沿桩深的分布规律为最大值出现在桩顶,随着桩深的增加迅速降低至最小值,然后基本保持恒定,在接近滑面约0.5m位置处又开始增加,整体呈“U”型分布。桩前土体抗力的最大值同样位于桩顶,然后逐渐减小至零,整体呈倒三角形分布。将桩后水平推力与桩前土体抗力相减,得到作用在桩(四排钢管桩)上的水平外力如图5所示,该水平外力即为钢管桩的极限抗滑力。由图中可以看出,作用在钢管桩的水平外力分布形式为两头大、中间小,呈“U”型分布。桩上水平外力的这种分布形式与钢管桩的布置形式有关,服从按刚度进行分配的原则,桩顶处采用了刚度较大的连系梁连接,其等效水平刚度相对较大,故在桩顶处出现一个峰值;同样在靠近滑面的位置,虽然滑带岩体发生剪切屈服,刚度陡降,但滑床岩体刚度仍然较大,故在靠近滑面处出现另一个峰值。计算出桩上水平外力的合力,可以得到四排钢管桩(单宽滑体情况下)的极限抗滑力,即397kN/m,考虑到钢管桩的横向间距为1.5m,故四排钢管桩的极限抗滑力为596kN,单根钢管桩的极限抗滑力为149kN。3抗滑能力的分析钢管桩属于微型桩的一种,具有长细比大、拉压承载力高、抗弯承载力低的特点,当用于边坡(滑坡)加固时,其抗滑能力的大小与多种因素相关。在实际工程针对不同情况采取相应工程措施,充分利用有利因素,避免不利因素,这对于提高钢管桩的适应能力并同时节省工程投资是非常有益的。提高钢管桩抗滑能力的工程措施具体如下。3.1钢筋混凝土驳岸钢管桩通常设置为多排,桩与桩间土可视为一个等效连续墙,桩相当于钢筋,土相当于混凝土,由钢筋混凝土设计原理可知,提高混凝土的性能可有效增大连续墙的水平承载能力,故可采用注浆等方式提高桩间土的力学性质,增大抗滑能力。3.2钢管桩递式破坏的预防可在桩前设置挡墙或在桩顶施加锚索,提高桩前抗力,避免钢管桩递进式破坏。从本文的工程实例可以看出,桩前设置了挡墙的边坡,钢管桩变形较小,而未设置挡墙的边坡,钢管桩前部失去支撑,发生弯剪破坏。3.3钢管桩的水平刚度桩顶设置横向和纵向连系梁(即框架式),或在桩顶设置压顶板(即集束式),增加钢管桩的整体刚度;对于推移式滑坡,在靠山侧采用较大直径,靠河侧采用较小直径,对于牵引式滑坡,则相反;靠山侧钢管桩采用斜向布置,增强其水平刚度;将钢管内的钢筋焊制在钢管内壁上,相对于放置于中心位置,可提高桩体的抗弯承载能力。4钢管微型桩组合结构极限抗滑力分析基于钢管微型桩加固边坡的破坏实例,采用有限元方法进行反分析,对钢管桩的极限抗滑力进行了研究,可以得到以下结论:(1)对于采用了桩顶连系梁