一種邊坡微型抗滑群樁布樁方法及其抗滑穩(wěn)定性評價與流程

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本發(fā)明屬于滑坡防治技術領域，具體涉及一種邊坡微型抗滑群樁布樁方法及其相應的等效剛度內力確定方法和抗滑穩(wěn)定性評價。

背景技術：

隨著經濟建設的快速發(fā)展以及社會生活需求的日益增長，越來越多的水利工程、市政工程、道路、橋梁等大型設施需要興建，大量的邊坡工程穩(wěn)定性防治問題已成為工程建設領域關注的焦點。相應地，滑坡治理技術措施也得到了飛快發(fā)展，更多的治理技術與措施已在滑坡治理領域發(fā)揮了重要的作用。其中，抗滑樁作為重要的滑坡治理技術措施之一，也廣泛地應用于滑坡治理工程實踐之中。

抗滑樁是穿過滑坡體深入于滑床的樁柱，用以抵抗滑體下滑動力的邊坡加固、支擋結構，起穩(wěn)定邊坡的作用，是一種抗滑處理的主要措施。從受力形式來看，抗滑樁由抗滑段、嵌固段兩部分組成，抗滑段通過樁－土相互作用承受不穩(wěn)定滑體的滑坡推力，將荷載傳遞給下部嵌固段，并擴散到穩(wěn)定的滑床中，以達到穩(wěn)定和治理滑坡的目的。然而，在滑坡工程治理實踐中，抗滑樁存在很大的局限性：

①在施工環(huán)境和條件復雜，施工作業(yè)區(qū)狹窄滑坡治理區(qū)，大型施工機械難以作業(yè)，由此極大影響與限制了抗滑樁的施工；

②為保證抗滑樁具有足夠的強度、剛度和穩(wěn)定性以滿足承載要求，樁身斷面尺寸往往較大，導致治理工程成本過高、不經濟，由此常常使滑坡治理工程難以實施；

③在現有的施工工藝下，無論是挖孔灌注還是預制沉樁都會對土體產生強烈的擾動，甚至會誘發(fā)坡體失穩(wěn)，加速滑坡災害的發(fā)生。

我國的微型樁承載性能研究始于20世紀80年代，研究人員發(fā)現微型樁不僅具有良好的軸向承載力，而且還能很好地承受側向荷載，適用于滑坡防治領域。微型樁一般是指樁徑為70～400mm的小直徑樁，其長徑比較大，克服了傳統(tǒng)抗滑樁因截面尺寸大而產生的諸多局限性。微型群樁環(huán)境適應能力強、見效快、單樁耗用材料少、施工費用較低，并且密集布樁可以充分發(fā)揮群樁效應，提高土體自身的抗剪性能。但由于微型樁在邊坡抗滑實踐中的應用時間較短，在實際工程中存在諸多問題：如微型抗滑樁的作用機理尚不明確，沒有形成一種較為成熟的設計計算理論。這些問題在一定程度上制約了這種抗滑結構的進一步發(fā)展。

技術實現要素：

鑒于上述傳統(tǒng)抗滑樁與單根微型樁在邊坡支護與加固方面的局限與不足，本發(fā)明旨在尋求一種突破現有傳統(tǒng)的新方法，提出一種新型微型抗滑群樁布樁設計法，并配合該布樁設計方法提出一種新的群樁等效剛度確定方法，以達到對滑坡進行科學、有效的治理目標。

一種邊坡微型抗滑群樁布樁方法，具體為，在同一樁位將三根或三根以上的微型樁依次打入土體，后打入的微型樁與先打入的微型樁側面相切，最后打入的微型樁還與最先打入的微型樁側面相切；設置冠梁將所有打入的微型樁套箍成一個整體；所述微型樁是指樁徑為70～400mm的樁柱。

進一步地，冠梁的形狀縱向可以依坡面的弧度為折線形狀，橫向應保持水平。微型樁頂宜伸出冠梁板，使微型樁與冠梁形成一個整體。

上述方法通過樁間的擠土作用與圈梁的套箍作用，使樁與樁間土形成一個整體，共同發(fā)揮作用。該布樁方法可由輕小施工機械完成，適用于以下三種情況：①施工環(huán)境和條件復雜，施工作業(yè)區(qū)狹窄，大型施工機械難以作業(yè)，而微型樁的施工設備較小，機動且靈活，在一定程度上可以擺脫各種苛刻施工環(huán)境和條件的限制；②大型邊坡下滑力大，設置大截面抗滑樁仍不能滿足工程需要，為了提高效率且降低成本，可設置微型抗滑群樁；③邊坡土質松軟，靈敏度高，采用其它的支護形式會對滑坡土產生較大的擾動，甚至會誘發(fā)坡體失穩(wěn)，加速滑坡的形成，而小斷面微型樁群在很大程度上減小了坡體失穩(wěn)的概率。

上述邊坡微型抗滑群樁抗滑穩(wěn)定性的評價方法，包括如下步驟：

步驟一：邊坡土層物理力學參數的確定

由《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)及《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)對待測定的邊坡進行系統(tǒng)的勘察、試驗及調查測繪，運用巖土原位試驗或室內土工試驗綜合測定邊坡坡體土層的物理力學參數(黏聚力c、內摩擦角天然重度γ)；并根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定地基比例系數m。

步驟二：抗滑樁設計參數的確定及受力分析

1)抗滑樁設計參數的確定

為了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，并且樁間土體與兩樁側面所產生的摩阻力不小于樁間的滑坡推力，樁的平面布置應滿足合適的間距；合適的錨固深度及樁長可以保證抗滑樁傳遞到滑動面以下地層的側壁應力不大于地層的側向容許抗壓強度。根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，結合工程地質資料和設計要求，確定樁的受荷段長度h₁，錨固段長度h₂，樁位間距s取3～5m。

2)抗滑樁所受總推力的確定

抗滑樁的設計荷載(受力示意圖見圖2)主要如下：①單樁承受的滑坡推力，作用于滑面以上部分的樁背上，可假定與滑面平行。②樁前被動土壓力。一般假定每根樁所承受的滑坡推力與被動土壓力之差等于樁中心距范圍之內的滑坡推力：

P＝(P_T-E_p)·s (1)

式中，P-抗滑樁所受總推力，即抗滑樁總抗滑力(kN)；P_T-單樁承受的樁前滑坡推力(kN)，應按不同的滑動面類型選擇相應的計算公式，具體見《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》“附錄A”；E_p-樁前被動土壓力(kN)；s-樁位間距(m)。

步驟三：微型抗滑群樁布樁方式的確定

選定同一樁位中微型樁的根數n，n為≥3的整數。根據同一樁位微型樁根數的不同，有不同的排列組合，如圖3所示，原則為：同一水平面上不同微型樁的軸心依次相連形成的多邊形為正多邊形。

對于同一樁位，微型樁應對稱依次打設至設計標高，最終形成束狀，以保證各微型樁能夠充分擠土，由于樁的擠土作用，可以使樁—樁間土形成一個整體，充分利用樁間土的抗剪強度，使樁—樁間土能夠共同作用。

微型抗滑群樁在沉樁完畢后應加設冠梁，一方面將樁身的水平位移限制在規(guī)定的范圍內，另一方面進一步增強擠土作用，使樁—樁間土能夠更好地共同承載。冠梁的形狀縱向可以依坡面的弧度為折線形狀，橫向應保持水平。微型樁頂宜伸出冠梁板，使微型樁與冠梁形成一個整體，見圖4。

步驟四：微型抗滑群樁等效模量的確定

對于該布樁方法，由于樁—土作用機理和受力模式不同于傳統(tǒng)的抗滑樁，故傳統(tǒng)的抗滑樁內力和位移的計算方法不能直接應用，因此本發(fā)明提出并采用等效模量換算法，即在計算時將微型樁與其所包圍的土體等效為一個共同承擔荷載的樁土結構，并以此確定共同樁土結構的等效模量。為消除樁與土由于在力學性質、結構與構造上的差異而導致的計算偏差，二者彈性模量需要進行等效轉換計算，見式(2)

式中，E-微型抗滑群樁等效彈性模量(kPa)；E_i-第i根微型樁的彈性模量(i＝0,1,2,3,……n，取整數)，i＝0表示樁間土的壓縮模量，根據工程地質手冊取值；W_i-第i根微型樁的面積比例系數，A_i-第i根微型樁的橫截面面積(m²)，i＝0表示樁間土的橫截面面積。

步驟五：微型抗滑群樁等效剛度的確定

等效剛度換算法，即在計算時將微型樁與其所包圍的土體等效為一個共同承擔荷載的樁土結構，采用樁—樁間土結構的等效模量及其橫截面慣性矩得到的剛度。根據式(3)(4)(5)(6)分別計算含不同數量微型樁的微型抗滑群樁布樁方式其樁土結構的剛度(具體推導見本發(fā)明基本原理1)。

三微型抗滑群樁：

四微型抗滑群樁：

五微型抗滑群樁：K＝E·(0.371πD⁴+0.106D⁴)。 (5)

對于含n根微型樁的微型抗滑群樁，其等效剛度應按式(6)計算

式中，K-樁土結構等效剛度(kN·m²)；D-微型樁單樁直徑(m)；a_i-第i個樁型心軸至樁土結構橫截面型心軸的距離(m)；I_n-微型樁軸心連線形成的正n邊形的截面慣性矩(m⁴)。

步驟六：微型抗滑群樁內力臨界設計參數的確定

以滑面為x軸，并以樁縱軸線為y軸如圖2建系。根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)中關于地基比例系數m的取值要求，本發(fā)明采用“m”法進行內力計算。在該微型抗滑群樁布樁方法下，由于樁—樁間土結構的剛度較小，在工程實踐中變形較大，故采用彈性樁內力計算方法并依據式(7)(8)確定微型抗滑群樁內力臨界設計參數

式中：α-樁的變形系數，(m、D、K分別代表地基比例系數、微型樁單樁直徑、樁土結構等效剛度)，x_y、M_y、Q_y-錨固段樁身任一截面的位移(m)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；A_i、B_i、C_i、D_i-隨樁的換算深度而異的“m”法的影響函數值(查表求得，表見《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑動面處樁的位移(m)、轉角(rad)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；σ_y—縱向側壓力(kPa)。當樁底為自由端時，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(8)求得

步驟七：微型抗滑群樁樁體抗滑穩(wěn)定性的評價

根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，確定群樁樁體土層允許側壓力σ_max。由此可對微型抗滑群樁樁體抗滑穩(wěn)定性做出如下評價：

1)如果σ_y≤σ_max，則表明微型抗滑群樁內力強度參數滿足其樁體抗滑穩(wěn)定性要求；

2)如果σ_y＞σ_max，則表明微型抗滑群樁內力強度參數不能滿足其樁體抗滑穩(wěn)定性要求。此時可采取擴大微型樁截面、適當減小樁間距、增加微型樁數以改變布樁方法等方式按照前述步驟進行二次計算，直到樁側承載能力滿足要求，即可根據式(7)第3、4式進行下一步結構計算。

具體推導見本發(fā)明基本原理2部分。

相比傳統(tǒng)抗滑樁與微型樁支護在加固方面的局限與不足，本發(fā)明提出的微型抗滑群樁加固方法具有以下優(yōu)勢：①施工難度小，施工機械要求低，機動且靈活；②通過樁的擠土效應和圈梁的套箍作用將樁間土擠密，充分地利用了土本身的抗剪強度，而使樁—樁間土成為一個整體共同作用；③樁—樁間土整體的橫截面不同于傳統(tǒng)抗滑樁的圓形或矩形，而成“鋸齒狀”，在滑坡推力的作用下，可以將超過樁徑很大一部分的樁周土的抗力充分調動起來，這種樁—土共同作用效應是其他支擋結構所不及的；④對于土質松軟，靈敏度高的邊坡，小斷面微型樁群在很大程度上可以減小對坡體的擾動與邊坡失穩(wěn)的概率。

本發(fā)明方法的理論基礎如下：

原理1組合截面微型樁慣性矩的計算

(1)三微型抗滑群樁布樁等剛度換算方法

對于該種方法布樁，三根圓形截面微型樁兩兩相切，三樁與樁間土一起，由于樁間擠土效應而形成一個大抗滑樁，大抗滑樁的橫截面見圖3.a，該截面亦可視為由3個扇形(Ⅰ—Ⅲ)與內部1個三角形組合而成，由此可求組合截面的慣性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅲ的截面慣性矩

對于扇形Ⅰ—Ⅱ，由材料力學可知其對自身型心軸x₁軸的慣性矩可由下式求得

對于扇形Ⅲ，由材料力學可知其對自身型心軸x₂軸的慣性矩為

根據平行移軸公式可得扇形Ⅰ—Ⅲ對組合截面型心軸x軸的慣性矩為

式中，a₁-扇形Ⅰ、Ⅱ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知a₂-扇形Ⅲ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知A-扇形面積，

②三角形的截面慣性矩

三角形的截面慣性矩可由下式計算

③組合截面慣性矩即為

(2)四微型抗滑群樁布樁等剛度換算方法

對于該種方法布樁，四根圓形截面微型樁兩兩相切，四樁與樁間土一起，由于樁間擠土效應而形成一個大抗滑樁，大抗滑樁的橫截面見圖3.b，該截面亦可視為由4個扇形(Ⅰ—Ⅳ)與內部1個正四邊形組合而成，由此可求組合截面的慣性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅳ的截面慣性矩

對于扇形Ⅰ、Ⅱ，由材料力學可知其對自身型心軸x₁軸的慣性矩可由下式求得

對于扇形Ⅲ、Ⅳ，由材料力學可知其對自身型心軸x₂軸的慣性矩為

根據平行移軸公式可得扇形Ⅰ—Ⅳ對組合截面型心軸x軸的慣性矩為

式中，a₁-扇形Ⅰ—Ⅱ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知a₂-扇形Ⅲ—Ⅳ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知A-扇形面積，

②正四邊形的截面慣性矩

正四邊形的截面慣性矩為：

③組合截面慣性矩即為

(3)五微型抗滑群樁布樁等剛度換算方法

對于該種方法布樁，五根圓形截面微型樁兩兩相切，五樁與樁間土一起，由于樁間擠土效應而形成一個大抗滑樁，大抗滑樁的橫截面見圖3.c，該截面亦可視為由5個扇形(Ⅰ—Ⅴ)與內部1個正五邊形組合而成，由此可求組合截面的慣性矩。

①扇形Ⅰ—Ⅴ的截面慣性矩

對于扇形Ⅰ、Ⅱ，由材料力學可知其對自身型心軸x₁軸的慣性矩可由下式求得

對于扇形Ⅲ、Ⅴ，由材料力學可知其對自身型心軸x₂軸的慣性矩為

對于扇形Ⅳ，由材料力學可知其對自身型心軸x₃軸的慣性矩為

根據平行移軸公式可得扇形Ⅰ—Ⅴ對組合截面型心軸x軸的慣性矩為

式中，a₁-扇形Ⅰ、Ⅱ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知a₁＝0.69D；a₂-扇形Ⅲ、Ⅴ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知a₂＝0.26D；a₃-扇形Ⅳ型心軸至組合截面型心軸距離，由幾何關系可知a₃＝0.85D；A-扇形面積，

②正五邊形的截面慣性矩

正五邊形的截面慣性矩可由下式計算

I_5x＝0.106D⁴ (21)

③組合截面慣性矩即為

I＝I_Ⅰx+I_Ⅱx+I_Ⅲx+I_Ⅵx+I_Ⅴx+I_5x＝0.371πD⁴+0.106D⁴ (22)

(4)n微型抗滑群樁布樁等剛度換算方法

對于該種方法布樁，n根圓形截面微型樁兩兩相切，n根樁與樁間土一起，由于樁間擠土效應而形成一個大抗滑樁，大抗滑樁的橫截面，該截面亦可視為由n個扇形(Ⅰ—N)與內部1個正n邊形組合而成，由此可求組合截面的慣性矩。

n個扇形(Ⅰ—N)的總截面慣性矩

組合截面慣性矩即為

式中，D-微型樁單樁直徑(m)；a_i-第i個樁型心軸至樁土結構橫截面型心軸的距離(m)；I_nx-微型樁軸心連線形成的正n邊形的截面慣性矩(m⁴)。

原理2“m”法計算抗滑樁內力

由于微型抗滑群樁的剛度較小，故在計算時均視為彈性樁，錨固段受水平荷載的撓曲微分方程為

式中，myDx-地基作用于樁上的水平抗力，對于“m”法，上述撓曲微分方程對錨固段成立的條件是滑面處的地基系數為零。

此為四階線性變系數齊次微分方程，用冪級數展開后進行近似求解，換算整理后得

式中：x_y、M_y、Q_y-錨固段樁身任一截面的位移(m)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑動面處樁的位移(m)、轉角(rad)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；A_i、B_i、C_i、D_i-隨樁的換算深度而異的“m”法的影響函數值(查《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)。

上式為“m”法的一般公式，計算時必須先求得滑面處的x_A和φ_A，才能求樁身任一截面的位移、轉角、彎矩、剪力和地基土對該截面的側向應力。為此，需要根據柱底簡化為自由端、鉸支端和固定端三種邊界條件確定，現以柱底自由端為例說明。

當樁底為自由端時，M_B＝0、Q_B＝0、φ_B≠0、x_B≠0，將M_B＝0、Q_B＝0代入式(26)的第2、3式，聯(lián)解得

將上述各種邊界條件下相應的x_A和φ_A代入式(26)，即可求得滑動面以下樁身任一截面的變位和內力。

附圖說明

圖1本發(fā)明方法流程圖；

圖2抗滑樁受力示意圖；

圖3微型樁布樁、計算示意圖，其中(a)、(b)和(c)分別表示3、4和5根微型樁布樁法；

圖4冠梁—樁連接示意圖(以4根微型樁組合為例)，其中(a)、(b)和(c)分別表示俯視圖、1—1剖面圖和2—2剖面圖。

具體實施方式

某工程位于某路K9+590～K10+010段路面右側邊坡。經工程地質勘察，該區(qū)域為崎嶇、狹窄的山地，施工環(huán)境惡劣，大型機械臺班進出難度大，且地層土質疏松，靈敏度高。經過綜合測評，該處適宜采用本發(fā)明所提出的微型抗滑群樁布樁法。下面結合該工程來加以詳細論述其可行性，以說明其實際意義和價值。具體實施步驟如下：

步驟一：滑坡土層物理力學參數的確定

由《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)及《土工試驗規(guī)程》(SL237—1999)對待測定的邊坡進行系統(tǒng)的勘察、試驗及調查測繪，運用巖土原位試驗或室內土工試驗綜合測定邊坡坡體土層的物理力學參數(黏聚力c、內摩擦角天然重度γ)。并根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定地基比例系數m。詳見表1。

表1坡體設計參數

步驟二：抗滑樁設計參數的確定及受力分析

1)抗滑樁設計參數的確定

表2樁的設計參數

2)抗滑樁所受總推力的確定(受力示意圖見圖2)

①單樁承受的滑坡推力，作用于滑面以上部分的樁背上，可假定與滑面平行。一般假定每根樁所承受的滑坡推力等于樁中心距范圍之內的滑坡推力?；峦屏床煌幕瑒用骖愋瓦x擇相應的計算公式，具體見《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》“附錄A”。

②樁前被動土壓力?？够瑯稑肚皯M行土壓力的計算，見式(31)，若被動土壓力小于滑坡剩余抗滑力時，樁的阻滑力按照被動土壓力考慮以式(31)計算結果偏于安全，故抗滑樁所受總推力見式(32)

P＝(P_T-E_p)·s＝(4000-3889.23)·3＝332.31kN (32)

式中：P-抗滑樁所受總推力(kN)；P_T-滑坡推力(kN)，計算參見《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》“附錄A”，此處計算省略；E_p-樁前被動土壓力(kN)；s-樁位間距(m)。

下面兩方面的作用力，一般不考慮。樁周摩阻力，屬于有利荷載，計算復雜，忽略時計算偏于安全；基底應力，實測資料顯示，其值很小，忽略可簡化計算。

步驟三：微型抗滑群樁布樁方法

根據同一樁位微型樁根數的不同，有不同的排列組合，本工程擬選用四根微型單樁布樁，如圖3.b。

步驟四：微型抗滑群樁等效模量的確定

式中，E-微型抗滑群樁等效彈性模量(kPa)；E_i-第i根微型樁的彈性模量，i＝0表示樁間土的彈性模量；W_i-第i根微型樁的面積比例系數，A_i-第i根微型樁的橫截面面積(m²)，i＝0表示樁間土的橫截面面積。

步驟五：微型抗滑群樁等剛度換算方法

針對該布樁方法，傳統(tǒng)的抗滑樁內力和位移的計算方法不能直接應用，而采用等效剛度換算法，即在計算時將微型樁與其所包圍的土體等效為一個共同承擔荷載的樁土結構，計算該樁土結構的剛度。本工程選用四根微型單樁布樁，則樁土結構等效剛度為

步驟六：微型抗滑群樁的內力計算

以滑面為x軸，并以樁縱軸線為y軸如圖2建系。根據《滑坡防治工程設計與施工技術規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)中關于系數m的取值要求，本發(fā)明采用“m”法進行內力計算。在該微型抗滑群樁布樁方法下，由于樁—樁間土結構的剛度較小，在工程實踐中變形較大，故采用彈性樁內力計算方法并依據式(35)、(36)確定微型抗滑群樁內力臨界設計參數

式中：α-樁的變形系數，x_y、M_y、Q_y-錨固段樁身任一截面的位移(m)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；A_i、B_i、C_i、D_i-隨樁的換算深度而異的“m”法的影響函數值(查表求得，表見《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑動面處樁的位移(m)、轉角(rad)、彎矩(kN·m)、剪力(kN)；σ_y—縱向側壓力。當樁底為自由端時，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(37)求得，計算結果見表3：