本發(fā)明屬于滑坡防治技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種邊坡抗滑樁治理參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法。

背景技術(shù)：

當(dāng)今經(jīng)濟(jì)建設(shè)的快速發(fā)展以及基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)需求日益增長(zhǎng)，促使越來(lái)越多的工業(yè)與民用建筑工程、水利工程、市政工程、道路工程及橋梁工程等大型設(shè)施的興建，大量的邊坡工程以及其穩(wěn)定性評(píng)價(jià)問(wèn)題已成為工程建設(shè)領(lǐng)域關(guān)注的焦點(diǎn)。與此同時(shí)，大量的工程建設(shè)也促使滑坡治理技術(shù)措施得到了相應(yīng)的完善與發(fā)展，更多的治理技術(shù)與措施已在滑坡治理領(lǐng)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(shù)措施之一，也廣泛地應(yīng)用于滑坡治理工程實(shí)踐之中。

抗滑樁是穿過(guò)滑體深入于滑床的樁柱，用以抵抗滑體下滑動(dòng)力的邊坡加固、支擋結(jié)構(gòu)，起穩(wěn)定邊坡的作用，是一種邊坡抗滑處理的主要措施?？够瑯兜淖饔脵C(jī)理是利用錨固段在穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力來(lái)平衡坡體的下滑推力。對(duì)比土釘錨桿、抗滑擋墻等其他滑坡防治措施，抗滑樁主要有以下優(yōu)點(diǎn)：①抗滑性能良好，樁柱本身抗彎及抗剪剛度大，能抵抗很大的下滑推力；②施工安全性能強(qiáng)，施工對(duì)周圍地層的擾動(dòng)范圍小，不易惡化滑坡?tīng)顟B(tài)，可用于搶修工程；③圬工數(shù)量小，治理工程成本低，經(jīng)濟(jì)合理；④能進(jìn)一步核實(shí)地質(zhì)條件，及時(shí)修正原設(shè)計(jì)方案；⑤可以與土釘、錨桿等其他邊坡治理措施靈活配合。由于抗滑樁在治理滑坡及維護(hù)邊坡穩(wěn)定上的突出優(yōu)點(diǎn)，使抗滑樁廣泛應(yīng)用于礦山邊坡、鐵路、公路滑坡、工業(yè)與民用建筑基坑支護(hù)、港口等邊坡工程中，因而如何對(duì)抗滑樁治理參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)與施工，尤其是抗滑樁樁間距的優(yōu)化設(shè)計(jì)的重要性愈加凸顯，并已成為抗滑樁設(shè)計(jì)與施工領(lǐng)域所面臨和解決的重要關(guān)鍵問(wèn)題。

樁間距是抗滑樁設(shè)計(jì)時(shí)的一個(gè)重要指標(biāo)，樁間距過(guò)大可能會(huì)造成抗滑作用失效，樁間距過(guò)小又易造成投資增加，所以合理的最優(yōu)樁間距在抗滑樁治理工程實(shí)踐中是一個(gè)重要的設(shè)計(jì)參數(shù)。目前確定抗滑樁最優(yōu)間距的主流方法是不同假設(shè)條件下土拱效應(yīng)分析法。該方法是在對(duì)邊坡工程中抗滑樁間土拱效應(yīng)分析的基礎(chǔ)上，提出應(yīng)以樁間靜力平衡條件、跨中截面強(qiáng)度條件以及拱腳處截面強(qiáng)度條件共同控制來(lái)確定樁間距。然而該方法沒(méi)有考慮抗滑樁內(nèi)力分布條件與變形協(xié)調(diào)條件，有很大的局限性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了補(bǔ)充與修正上述傳統(tǒng)抗滑樁在選定設(shè)計(jì)參數(shù)精準(zhǔn)性方面的局限與不足，本發(fā)明旨在尋求一種突破現(xiàn)有傳統(tǒng)、易于計(jì)算且普適的新方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)抗滑樁在布樁和計(jì)算兩個(gè)層面雙重優(yōu)化，達(dá)到對(duì)滑坡災(zāi)害進(jìn)行科學(xué)、有效的治理目標(biāo)。

本發(fā)明是采用以下的技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的：

一種邊坡抗滑樁治理參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)方法，包括以下步驟：

步驟一：邊坡土層物理力學(xué)參數(shù)的確定；

步驟二：抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及受力分析；

步驟三：“m”法確定嵌固段土層最大側(cè)向壓力值；

步驟四：樁位間距最優(yōu)系數(shù)的確定；

步驟五：最優(yōu)樁位間距的確定；

步驟六：抗滑樁內(nèi)力計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算。

所述步驟一中，根據(jù)《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)及《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)對(duì)待測(cè)定的邊坡進(jìn)行系統(tǒng)的勘察、試驗(yàn)及調(diào)查測(cè)繪，運(yùn)用巖土原位試驗(yàn)或室內(nèi)土工試驗(yàn)綜合測(cè)定邊坡坡體土層的物理力學(xué)參數(shù)(c、γ)。并根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定地基比例系數(shù)m。

所述步驟二包括：

1)抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)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(cè)面所產(chǎn)生的摩阻力不小于樁間的滑坡推力，樁的平面布置應(yīng)滿足合適的間距；合適的嵌固深度及樁長(zhǎng)可以保證抗滑樁傳遞到滑動(dòng)面以下地層的側(cè)壁應(yīng)力不大于地層的側(cè)向容許抗壓強(qiáng)度。根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)，結(jié)合上述原則、工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求，確定樁的受荷段長(zhǎng)度h₁，嵌固段長(zhǎng)度h₂。

2)抗滑樁所受總推力的確定

抗滑樁的設(shè)計(jì)荷載主要如下：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(dòng)土壓力。一般假定每根樁所承受的滑坡推力與被動(dòng)土壓力之差等于樁中心距范圍之內(nèi)的滑坡推力：

P＝P_T-E_p (1)

式中，P-抗滑樁所受總推力，即抗滑樁總抗滑力(kN)；P_T-樁前滑坡推力(kN)(應(yīng)按不同的滑動(dòng)面類型選擇相應(yīng)的計(jì)算公式確定，具體見(jiàn)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》“附錄A”)；E_p-樁前被動(dòng)土壓力(kN)。

所述步驟三中，嵌固段土層最大側(cè)向壓力值即保證樁柱安全、正常工作所允許承受的最大應(yīng)力值，抗滑樁工作應(yīng)力不超過(guò)該值時(shí)，該樁柱是安全的，同時(shí)也是抗滑樁最優(yōu)設(shè)計(jì)參數(shù)確定過(guò)程中的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)抗滑樁所在土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)的不同，嵌固段土層最大側(cè)向壓力值可由規(guī)范《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)中的下列(2)(3)式得到：

1)較完整的巖體或硬質(zhì)黏土巖

σ_max＝ρ₁·R (2)

2)一般土體或嚴(yán)重風(fēng)化的破碎巖層

σ_max＝ρ₂·(σ_p-σ_a) (3)

式中，σ_max-嵌固段土層最大側(cè)向壓力值(kPa)；ρ₁-折減系數(shù)，取決于巖土體裂隙、風(fēng)化及軟化程度，沿水平方向的差異性等，一般為0.1～0.5；ρ₂-折減系數(shù)，取決于土體結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的精度，宜取值為0.5～1.0；R-巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度(kPa)；σ_p-樁前巖土體作用于樁身的被動(dòng)土壓應(yīng)力(kPa)；σ_a-樁后巖土體作用于樁身的主動(dòng)土壓應(yīng)力(kPa)。

所述步驟四中，定義M_s為樁位間距最優(yōu)系數(shù)，表示抗滑樁在單位下滑推力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，由式(4)(5)確定：

以樁底簡(jiǎn)化為自由端為例，

式中，M_s-樁位間距最優(yōu)系數(shù)；m-地基比例系數(shù)(kN/m⁴)，由《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定；E-抗滑樁彈性模量(MPa)；α-樁的變形系數(shù)(m^-1)，B_P為樁正面計(jì)算寬度，矩形樁B_P＝B+1，圓形樁B_P＝0.9×(B+1)，B為樁橫截面寬度或直徑；I-樁截面慣性矩(m⁴)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，隨樁的換算深度而異的m法的影響函數(shù)值(查表求得，表見(jiàn)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中帶上標(biāo)h₂表示樁柱底端值。

所述步驟五中，在保證抗滑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，為避免設(shè)計(jì)中的浪費(fèi)，縮短施工工期，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)合理性的平衡與協(xié)調(diào)，在樁長(zhǎng)相等、截面尺寸相同的條件下，可以由式(6)確定相鄰兩樁位的最優(yōu)間距：

式中，s_op-相鄰兩樁位最優(yōu)間距；σ_max-土層最大側(cè)向壓力值(kPa)；K_s-安全系數(shù)，取值見(jiàn)《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)中表8.1.3關(guān)于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的取值；P-抗滑樁所受總推力，即抗滑樁總抗滑力(kN)。

所述步驟六中，在最優(yōu)樁位間距確定之后，即可進(jìn)行樁柱內(nèi)力計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算(具體推導(dǎo)見(jiàn)本發(fā)明基本原理2)：

式中，M_y、Q_y-錨固段樁身任一截面的彎矩(kN·m)、剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑動(dòng)面處樁的位移(m)，轉(zhuǎn)角(rad)，彎矩(kN·m)，剪力(kN)。當(dāng)樁底為自由端時(shí)，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(8)求得：

本發(fā)明方法的理論基礎(chǔ)如下：

原理1最優(yōu)樁位間距及最優(yōu)計(jì)算寬度公式推導(dǎo)

令

則樁身側(cè)向應(yīng)力可表示為

根據(jù)規(guī)范要求，σ_y≤σ_max，取極限狀態(tài)σ_y＝σ_max，由嵌固端內(nèi)力圖σ_y圖(見(jiàn)圖3)可知，當(dāng)y＝h₂時(shí)，σ_y達(dá)到最大值，即σ_y＝σ_max，故由即得式(3)

其中，ν＝ζ_xA₁+ζ_φB₁+C₁、u＝ξ_xA₁+ξ_φB₁+D₁，則

定義M_s為樁位間距最優(yōu)系數(shù)，并根據(jù)《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS 5230—1996)中表8.1.3關(guān)于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的取值確定微型群樁的安全系數(shù)K_s，給微型群樁穩(wěn)定性評(píng)價(jià)賦予一定的安全儲(chǔ)備，最終可得最優(yōu)樁位間距

原理2“m”法計(jì)算抗滑樁內(nèi)力

彈性樁的變形包括樁體本身的位置變動(dòng)和彎曲變形，在“m”法中，樁的變形系數(shù)時(shí)，樁頂(錨固段)受水平荷載的撓曲微分方程為

式中，myB_Px-地基作用于樁上的水平抗力，對(duì)于“m”法，上述撓曲微分方程對(duì)錨固段成立的條件是滑面處的地基系數(shù)零。

此為四階線性變系數(shù)齊次微分方程，用冪級(jí)數(shù)展開(kāi)后進(jìn)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(dòng)面處樁的位移(m)，轉(zhuǎn)角(rad)，彎矩(kN·m)，剪力(kN)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，隨樁的換算深度而異的m法的影響函數(shù)值(查表求得，表見(jiàn)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中帶上標(biāo)h₂表示樁柱底端值。

上式為“m”法的一般公式，計(jì)算時(shí)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(zhuǎn)角、彎矩、剪力和地基土對(duì)該截面的側(cè)向應(yīng)力。為此，需要根據(jù)柱底簡(jiǎn)化為自由端、鉸支端和固定端三種邊界條件確定，現(xiàn)以柱底自由端為例說(shuō)明。

當(dāng)樁底為自由端時(shí)，M_B＝0、Q_B＝0、φ_B≠0、x_B≠0，將M_B＝0、Q_B＝0代入式(7)的第3、4式，聯(lián)解得

將上述各種邊界條件下相應(yīng)的x_A和φ_A代入式(9)，即可求得滑動(dòng)面以下樁身任一截面的變位和內(nèi)力。

本發(fā)明采用的方法是取內(nèi)力極限狀態(tài)，即抗滑樁在下滑推力及樁前抗力作用下樁柱產(chǎn)生的最大應(yīng)力等于由樁身所在土層的參數(shù)計(jì)算確定的最大側(cè)向壓力值，從樁身內(nèi)力入手反向推導(dǎo)其設(shè)計(jì)參數(shù)，進(jìn)而確定抗滑樁的最優(yōu)間距。該方法補(bǔ)充與修正了傳統(tǒng)抗滑樁計(jì)算參數(shù)在大區(qū)間上選定的不確定性，提出了一種突破現(xiàn)有方法、易于計(jì)算且適用性強(qiáng)的新方法，以實(shí)現(xiàn)對(duì)抗滑樁在布樁和計(jì)算兩個(gè)層面雙重優(yōu)化。實(shí)踐證明，該方法確定的間距在規(guī)范所規(guī)定的取值范圍內(nèi)而又精確于某一值，實(shí)現(xiàn)了參數(shù)優(yōu)化的目的。

附圖說(shuō)明

圖1本發(fā)明流程圖；

圖2抗滑樁設(shè)計(jì)荷載示意圖；

圖3抗滑樁錨固段應(yīng)力分布圖。

具體實(shí)施方式

某工程位于某路K9+590～K10+010段路面右側(cè)邊坡。經(jīng)工程地質(zhì)勘察，該區(qū)域?yàn)槠閸?、狹窄的山地，施工環(huán)境惡劣，大型機(jī)械臺(tái)班進(jìn)出難度大，且地層土質(zhì)疏松，靈敏度高。經(jīng)過(guò)綜合測(cè)評(píng)，該處適宜采用本發(fā)明所提出的微型群樁布樁法。下面結(jié)合該工程來(lái)加以詳細(xì)論述其可行性，以說(shuō)明其實(shí)際意義和價(jià)值。具體實(shí)施步驟如下：

步驟一：滑坡土層物理力學(xué)參數(shù)的確定

由《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)及《土工試驗(yàn)規(guī)程》(SL237—1999)對(duì)待測(cè)定的邊坡進(jìn)行系統(tǒng)的勘察、試驗(yàn)及調(diào)查測(cè)繪，運(yùn)用巖土原位試驗(yàn)或室內(nèi)土工試驗(yàn)綜合測(cè)定邊坡坡體土層的物理力學(xué)參數(shù)(c、γ)。并根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定地基比例系數(shù)m，詳見(jiàn)表1。

表1坡體設(shè)計(jì)參數(shù)

步驟二：抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)的確定及受力分析

1)抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)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(cè)面所產(chǎn)生的摩阻力不小于樁間的滑坡推力，樁的平面布置應(yīng)滿足合適的間距；合適的錨固深度及樁長(zhǎng)可以保證抗滑樁傳遞到滑動(dòng)面以下地層的側(cè)壁應(yīng)力不大于地層的側(cè)向容許抗壓強(qiáng)度。

根據(jù)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》中，結(jié)合上述原則、工程地質(zhì)資料和設(shè)計(jì)要求確定樁的平面布置、樁間距、樁長(zhǎng)、及錨固段長(zhǎng)度，具體見(jiàn)表2。

表2樁的設(shè)計(jì)參數(shù)

2)抗滑樁所受總推力的確定

抗滑樁的設(shè)計(jì)荷載(受力示意圖見(jiàn)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(dòng)土壓力。一般假定每根樁所承受的滑坡推力與被動(dòng)土壓力之差等于樁中心距范圍之內(nèi)的滑坡推力：

P＝P_T-E_p＝4000-3889.23＝110.77kN/m (1)

式中，P-抗滑樁所受總推力，即抗滑樁總抗滑力(kN)；P_T-樁前滑坡推力(kN)(應(yīng)按不同的滑動(dòng)面類型選擇相應(yīng)的計(jì)算公式確定，具體見(jiàn)《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》“附錄A”)，計(jì)算步驟復(fù)雜，此處省略；E_p-樁前被動(dòng)土壓力(kN)。

步驟三：“m”法確定嵌固段土層最大側(cè)向壓力值

嵌固段土層最大側(cè)向壓力值即保證樁柱安全、正常工作所允許承受的最大應(yīng)力值，抗滑樁工作應(yīng)力不超過(guò)該值時(shí)，該樁柱是安全的，同時(shí)也是最優(yōu)參數(shù)確定過(guò)程中的基本數(shù)據(jù)。根據(jù)抗滑樁所在土層的結(jié)構(gòu)、構(gòu)造及力學(xué)性質(zhì)的不同，嵌固段土層最大側(cè)向壓力值可由規(guī)范《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)中的式(2)(3)得到：

式中，σ_max-嵌固段土層最大側(cè)向壓力值(kPa)；ρ₂-折減系數(shù)，取決于土體結(jié)構(gòu)特征和力學(xué)強(qiáng)度參數(shù)的精度，宜取值為0.5～1.0；σ_p-樁前巖土體作用于樁身的被動(dòng)土壓應(yīng)力(kPa)；σ_a-樁后巖土體作用于樁身的主動(dòng)土壓應(yīng)力(kPa)。

步驟四：樁位間距最優(yōu)系數(shù)的確定

定義M_s為樁位間距最優(yōu)系數(shù)，表示微型群樁在單位下滑推力的作用下產(chǎn)生的應(yīng)力，由式(4)(5)確定：

以樁底簡(jiǎn)化為自由端為例，

式中，M_s-樁位間距最優(yōu)系數(shù)；m-地基比例系數(shù)(kN/m⁴)，由《滑坡防治工程設(shè)計(jì)與施工技術(shù)規(guī)范》(DZ/T 0219—2006)“附錄C”查表確定；E-抗滑樁彈性模量(MPa)；α-樁的變形系數(shù)(m^-1)，B_P為樁正面計(jì)算寬度，矩形樁B_P＝B+1，圓形樁B_P＝0.9×(B+1)，B為樁橫截面寬度或直徑；I-樁截面慣性矩(m⁴)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，隨樁的換算深度而異的m法的影響函數(shù)值(查表求得，表見(jiàn)《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中帶上標(biāo)h₂表示樁柱底端值。

步驟五：最優(yōu)樁位間距的確定

在保證抗滑結(jié)構(gòu)安全穩(wěn)定的前提下，為避免設(shè)計(jì)中的浪費(fèi)，縮短施工工期，以達(dá)到結(jié)構(gòu)安全性與經(jīng)濟(jì)合理性的平衡與協(xié)調(diào)，在樁長(zhǎng)相等、截面尺寸相同的條件下，可以由式(6)確定相鄰兩樁位的最優(yōu)間距：

式中，s_op-相鄰兩樁位最優(yōu)間距；σ_max-土層允許側(cè)壓力；K_s-安全系數(shù)，取值見(jiàn)《邊坡工程勘察規(guī)范》(YS5230—1996)中表8.1.3關(guān)于邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的取值，本例取1.05；P-抗滑樁所受總推力，即抗滑樁總抗滑力(kN)。

步驟六：抗滑樁內(nèi)力計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算

在最優(yōu)樁位間距及截面最優(yōu)計(jì)算寬度確定之后即可進(jìn)行樁柱內(nèi)力計(jì)算參數(shù)的優(yōu)化計(jì)算：

式中：M_y、Q_y-錨固段樁身任一截面的彎矩(kN·m)、剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑動(dòng)面處樁的位移(m)，轉(zhuǎn)角(rad)，彎矩(kN·m)，剪力(kN)。當(dāng)樁底為自由端時(shí)，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(8)求得：

表3內(nèi)力計(jì)算結(jié)果