吳 瓊

（長沙理工大學(xué)，湖南 長沙 410076）

0 引言

抗滑樁是一種大截面、側(cè)向受荷的排樁或群樁，它穿過滑體錨入滑床一定深度，借助與樁周圍巖土的共同作用，將滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層。其抗滑機(jī)理體現(xiàn)于樁、滑體與滑床三者間的相互協(xié)調(diào)工作?？够瑯对?0世紀(jì)60年代初隧道滑坡工程治理中就得到了充分的利用，至今,經(jīng)過多年的生產(chǎn)施工實踐，作為邊坡支擋工程中一種優(yōu)勢結(jié)構(gòu)物，得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展，并且在滑坡，塌落，土體側(cè)移等工程難題方面有顯著成效。例如抗滑樁在滑坡治理中施工方便，樁位靈活，同時樁截面較大，可埋入深度長，其圬工數(shù)量小，可以大大節(jié)約施工造價。在抵抗較大的滑坡推力的同時，也可和抗滑擋墻等抗滑結(jié)構(gòu)配合使用，對具有較大滑動應(yīng)力的滑坡以及潛在緩慢滑動的滑坡特別有效[1]。

1 土拱效應(yīng)理論分析

a)當(dāng)邊坡工程有滑動趨向時要提前采取抗滑樁施工措施?？够瑯对谧陨碜冃蔚耐瑫r會阻礙坡體位移，不同的樁間距會產(chǎn)生不同的坡體外側(cè)移動趨勢。隨著樁前土體的開挖，這種移動趨勢會更加明顯。不均勻的土壓力是因為在土體不斷擠壓下抗滑樁的橫向位移小于坡體橫向位移，在樁體約束作用下樁間的部分土體受不同壓力而產(chǎn)生不同的剝落，即在相鄰兩樁之間由于位置不同而有著不同的位移。樁周土體的不均勻位移會引起不同位置土體的抗剪作用，使得土顆粒在土體中形成“楔緊”作用，即形成土拱效應(yīng)[2]。

b)土拱效應(yīng)是通過土拱的形成改變介質(zhì)的應(yīng)力狀態(tài)，在引起應(yīng)力重新分布的同時，拱后的土壓力會傳遞到拱腳以及周圍穩(wěn)定的介質(zhì)中去。

土拱效應(yīng)的存在須符合3個條件：(a)拱腳作為支撐；(b)土體之間的不均勻位移或相對位移；(c)拱體在形成土體后，土體中的剪應(yīng)力必須小于其抗剪強(qiáng)度。因為，土體在此條件下，才有可能調(diào)動其自身強(qiáng)度以抵抗剪應(yīng)力（外力），達(dá)到靜力平衡條件。

巖土工程中，土拱效應(yīng)一般表現(xiàn)為：由于土體內(nèi)摩擦角和黏聚力的相互作用，一部分土體會產(chǎn)生不均勻變形或位移，而剩余部分不動，這樣情況會使發(fā)生了位移的土體與不發(fā)生位移的土體之間產(chǎn)生摩擦阻力，增加了不發(fā)生位移土體上的支撐壓力，減少了發(fā)生位移土體上的支撐壓力，達(dá)到了工程的理想效果。土拱效應(yīng)是土體通過調(diào)動自身抗剪強(qiáng)度達(dá)到拱體形成處的土體剪應(yīng)力小于其抗剪強(qiáng)度。

土拱的相關(guān)研究中，抗滑樁（拱腳）是一種承力結(jié)構(gòu)，無論從定義還是從結(jié)構(gòu)力學(xué)的方法中都可看出，通過控制樁間土體的滑動，兩側(cè)樁上承擔(dān)著樁后坡體壓力，相鄰的兩樁類似于拱腳的作用，而拱是將拱后受力傳遞至拱腳，并且土拱的抗滑樁（拱腳）相對“穩(wěn)定”、“堅固”[3]。

2 抗滑樁研究的主要內(nèi)容概述

2.1 抗滑樁研究方法

許多學(xué)者對抗滑樁開展了大量的研究，綜合分析現(xiàn)有的文獻(xiàn)成果，大體上分為3類：a)理論分析，通過建立相應(yīng)的數(shù)學(xué)、物理模型，進(jìn)一步研究土體側(cè)向移動帶來的影響；b)數(shù)值模擬分析，利用有限元或有限差分，建立二維或三維計算模型，研究樁—土互相作用下樁周土體應(yīng)力和變形以及樁身變形與內(nèi)力分布；c)試驗研究，通過小比尺物理模型與離心試驗等研究抗滑樁工作性能[4]。

2.2 抗滑樁土拱效應(yīng)臨界樁間距幾種假設(shè)和計算方法

樁間距是抗滑樁設(shè)計的重要指標(biāo)，對確定抗滑樁臨界間距具有重要的意義。算法分析如下：

2.2.1 周德培假設(shè)與計算[2]

周德培算法假設(shè)：a)樁長方向的平面應(yīng)力應(yīng)變問題，將土拱問題具體化；b)拱形為拋物線；c)假定樁后土拱力均勻分布于土拱上，夸大了土拱效應(yīng)，其實土拱效應(yīng)沿樁長不是均勻分布的。同時根據(jù)靜力平衡條件、跨中界面強(qiáng)度和拱腳處界面強(qiáng)度共同控制樁間距。樁間的凈距計算公式為：

式中：S為樁間凈距；c為土體的黏聚力；a為樁寬；φ為內(nèi)摩擦角；q為樁后單位厚度坡體線分布力（P=q×h）；α為水平方向與三角形界面的夾角。

2.2.2 趙明華假設(shè)與計算[5]

趙明華算法假設(shè)：拱軸線也是拋物線，假定樁為方樁，根據(jù)強(qiáng)度條件和土拱的靜力平衡，得出樁間凈距的計算公式為：

式中：b為側(cè)面寬（樁高）；β為拱軸線切線的傾角：β=45°+φ/2，其他符號意義同上。

其中關(guān)于最不利截面的假定不符合工程實際，模型研究過于單一簡單化，定義算法依據(jù)不足，會造成一定的誤差。

2.2.3 王成華假設(shè)與計算[6]

王成華算法假設(shè)：滑動推力全由側(cè)摩阻力承擔(dān)并且滑坡推力過程中無能量損耗。假定樁為方樁，通過探討土拱受力變形、力的傳遞路徑及土拱變形破壞的最大樁間距，建立了最大樁間距估算模型來研究土拱的形成機(jī)理及受力特性等方面。但是未考慮土拱的強(qiáng)度條件。得出以下公式：

式中：h為土拱滑面至坡頂距離；P為滑坡推力，其他符號意義同上。

2.2.4 李長東算法[7]

李長東算法將王成華算法進(jìn)行了改進(jìn)，在其基礎(chǔ)上還考慮了樁高對樁間距的影響，結(jié)合樁后土拱的強(qiáng)度條件，改進(jìn)了抗滑樁在土拱效應(yīng)下最大樁間距計算模型，并假設(shè)最大樁間凈距S為：

式中：γ為滑體的重度[8]，其他符號意義同上。

2.2.5 葉代成假設(shè)與計算[9]

葉代成算法提出了用等效抗滑模型類比于實際抗滑樁并代替實際抗滑樁，這一類比是根據(jù)樁間土的相對變形與側(cè)摩阻力變化引起了可估計計算的位移差，并且根據(jù)樁間土拱受力特性，假設(shè)樁間土拱拱形為拋物線，土拱滿足平衡和強(qiáng)度條件，在這樣的基礎(chǔ)上認(rèn)為有效土拱的土拱單元最前端是楔緊作用最顯著的。但是土拱并不是沿樁長均勻分布，從一定程度上夸大了土拱效應(yīng)的作用，實際上土拱沿樁長是逐漸減弱的。

式中：符號意義同上。

經(jīng)過實際工程與數(shù)學(xué)建模計算對比，上述幾種算法所得結(jié)果相差較大，筆者認(rèn)為，分析上述算法中，算法1和算法2比較科學(xué)，實用可靠。一般取小值或除以適當(dāng)?shù)陌踩禂?shù)，作為實際的樁間凈距，計算結(jié)果較為合理和可靠。在以上算法中，人們運用大量的假定，本身就存在很多不確定性與計算偏差，所以在確定抗滑樁的樁間距時，需考慮樁體靜力平衡條件、土拱跨中、拱腳處截面等諸多因素，充分考慮后能較好地考慮多種最不利組合狀況，使得算法假定和算法本身更加符合工程應(yīng)用實際。樁間距的模型和算法均是建立在各自假設(shè)的基礎(chǔ)上，每個算法假設(shè)情況與實際工程均存在一定的偏差，臨界樁間距公式雖然反映了臨界樁與一部分參數(shù)的關(guān)系，但是每個算法都存在局限性和片面性[8]。

2.3 各種假設(shè)存在的不足

根據(jù)相關(guān)研究，人們?yōu)榱撕喕嬎?，在地表堆載作用下，土和柔性抗滑樁會產(chǎn)生三維變形的實際情況，簡化為二維問題進(jìn)行分析研究，同時將抗滑樁假設(shè)為剛性樁,土體采用黏性土或砂性土,保證土質(zhì)均勻。在各種研究中假設(shè)單位土層位移均在水平方向，假定樁體水平位移為零，但實際應(yīng)用中樁間土拱效應(yīng)的本質(zhì)是一種復(fù)雜的三維應(yīng)力作用轉(zhuǎn)移機(jī)理，經(jīng)總結(jié)會有以下較大誤差：a)樁體地面在堆載作用下，土層的側(cè)移方向未必一直保持在水平方向；b)不同水平面上的土層側(cè)移大小不同必會相互摩擦產(chǎn)生作用，二維分析無法研究這一情況；c)無論樁頂和樁端是哪種合理約束條件，樁身在土層側(cè)移以及土顆粒的相互影響作用下都會有一定的側(cè)向位移[10]。

2.4 各種假設(shè)存在不足之安全性探討

a)樁體地面在堆載作用下，土層的側(cè)移方向未必一直保持在水平方向。建議在二維簡化假設(shè)計算的基礎(chǔ)上，增加三維方向的力學(xué)分析，綜合確定不同應(yīng)力應(yīng)變方向、大小和穩(wěn)定性分析，或簡單方法增加不確定安全系數(shù)值；b)不同水平面上的土層側(cè)移大小不同必會相互摩擦產(chǎn)生作用，利用試驗選取確定摩擦角φ和黏聚力c值等抗滑樁參數(shù)；c)無論樁頂和樁端是哪種合理約束條件，樁身在土層側(cè)移以及土顆粒的相互影響作用下都會有一定的側(cè)向位移[10]。樁頂位移對抗滑樁穩(wěn)定性具有緩解作用，加大了土拱效應(yīng)，安全系數(shù)應(yīng)小于1，但實際顆粒的不均勻性，安全系數(shù)應(yīng)大于1，具體取值確定應(yīng)根據(jù)室內(nèi)、室外模型試驗和實體工程實驗來確定。

在滑坡穩(wěn)定性分析中，不僅根據(jù)試驗與反演相結(jié)合選取內(nèi)摩擦角φ和黏聚力c值等參數(shù)，還可分別在自重狀態(tài)、自重狀態(tài)+暴雨狀態(tài)、自重狀態(tài)+暴雨狀態(tài)+地震不同工況下，計算滑坡穩(wěn)定性系數(shù)及剩余下滑推力，同時要考慮地下水的影響，研究確定抗滑樁參數(shù)，使抗滑樁假設(shè)和計算更加全面，更加符合工程實際。

3 結(jié)語

抗滑樁作為一種有效的工程措施，在地基邊坡加固、滑坡泥石流等地質(zhì)災(zāi)害防治中得到了廣泛的應(yīng)用，并取得了成功。由于樁周土體運動問題的復(fù)雜性和各種假設(shè)與計算的局限性，關(guān)于抗滑樁加固的工作機(jī)理、樁—土相互作用的相關(guān)規(guī)律以及不確定性仍沒有得到徹底解決，抗滑樁的理論研究與假設(shè)計算目前仍處于半經(jīng)驗半理論的階段，大部分的相關(guān)研究仍然落后于其他工程實踐。因此，需要巖土工程工作者繼續(xù)開展理論分析、數(shù)值算法、模型模擬和土體試驗研究等方面的科學(xué)研究論證，針對土拱效應(yīng)展開實際研究，不斷發(fā)展與完善不同土體抗滑樁實用工程設(shè)計施工方法，使抗滑樁理論更加成熟，工程應(yīng)用更加安全[11]。

（注：本文得到長沙理工大學(xué)周德泉老師指導(dǎo)。）