徐真劍

（湖州南太湖水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 湖州 31 3000）

護岸抗滑樁設(shè)計的一種實用計算方法

徐真劍

（湖州南太湖水利水電勘測設(shè)計院有限公司，浙江 湖州 31 3000）

建于軟土地基上護岸工程進行樁基處理時除應(yīng)考慮豎向荷載外，還應(yīng)特別考慮邊坡深層滑動所引起的水平荷載。水平深層滑動力和土體自身抗滑力的差值大小，決定了所設(shè)置抗滑樁的單樁水平承載力、樁間距、樁排數(shù)及入土深度。從邊坡抗滑穩(wěn)定系數(shù)的定義出發(fā)，推導(dǎo)出需設(shè)置抗滑樁排數(shù)的實用計算公式。通過工程實踐證明該方法的合理性和正確性。

護岸；抗滑樁；軟土地基；邊坡穩(wěn)定；設(shè)計方法

1 問題的提出

抗滑樁是一種承受側(cè)向荷載，用于防止滑坡體發(fā)生滑動變形和破壞的抗滑支擋結(jié)構(gòu)，一般設(shè)置在潛在滑坡體的中前緣部位，大多完全埋置于地下，并且樁底須埋置在滑動面以下一定深度的穩(wěn)定土層中。它具有抗滑能力強、適用條件廣、施工影響范圍小、施工方便安全、可單獨使用，也可與其它建筑（如護岸擋墻）配合使用等一系列優(yōu)點[1-2]。因此抗滑樁廣泛應(yīng)用于礦山邊坡、鐵路公路邊坡、工業(yè)與民用建筑基坑支護、水工及港口護岸等邊坡工程中。在水利工程中，常常需要在河岸邊修筑護岸，以保護河岸邊坡穩(wěn)定。尤其對環(huán)太湖地區(qū)，地質(zhì)條件較差，且淤泥軟土層較厚，需進行地基處理（包括加強地基的豎向承載力和水平承載力），常用的處理方法有樁基處理及水泥土攪拌樁等[3-4]。但是水泥土攪拌樁對施工要求較高、質(zhì)量較難控制，且工期長，因此護岸工程中最常采用樁基處理。

前人對抗滑樁的計算方法已有一定研究[1-2,5]，但由于計算較復(fù)雜，在設(shè)計工作中應(yīng)用有諸多不便。本文結(jié)合工程實例，對護岸抗滑樁設(shè)計的實用計算方法進行介紹和探討。

2 邊坡穩(wěn)定計算理論

邊坡穩(wěn)定計算的理論很多，大體分為極限平衡法和數(shù)值分析法2大類，而極限平衡法被廣泛應(yīng)用于工程實踐中。土質(zhì)邊坡常用的極限平衡法有瑞典法、簡化Bishop法、Janbu法、Spencer法等[6-7]，各種極限平衡法的比較見表1。

表1 極限平衡法比較表

其中，瑞典圓弧法、簡化Bishop法已列入GB 50286 —2013《堤防工程設(shè)計規(guī)范》（以下簡稱“規(guī)范”）中，作為土堤邊坡抗滑穩(wěn)定計算的方法。瑞典圓弧法不計算土條塊間的作用力，計算簡單，積累了較豐富的經(jīng)驗，一直以來在工程設(shè)計中應(yīng)用較多；而簡化畢肖普法考慮了條塊間的水平作用力，理論上比較完備，精度較高，雖計算工作量較大（有時不收斂）[7]，但仍被規(guī)范推薦采用。本文所采用的邊坡穩(wěn)定計算理論是基于上述2種極限平衡法，根據(jù)實際工程情況選用其中1種（或2種），并利用理正巖土軟件進行邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)的計算。

規(guī)范要求應(yīng)滿足邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)K = F總抗滑力/ F總下滑力≥ [K]（其中[K]為規(guī)范第3.2.3條表中值），否則應(yīng)進行邊坡抗滑處理，處理后的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)應(yīng)滿足K ′≥ [K]。本文講述的抗滑樁處理方法，是通過在滑弧面范圍內(nèi)設(shè)置多排抗滑樁，將扣除抗滑力后的多余下滑力逐排削減，直至滿足K ′≥ [K]為止。

3 抗滑樁設(shè)計理論與方法

3.1 計算假定

（1）假定在邊坡破壞的瞬間，樁周土對各排樁的作用合力為F，其水平方向的夾角為β，則各排樁反過來給邊坡1個反力（抗力）合力F ′，且F ′= F。

（2）假定樁頂及樁底的邊界條件均為嵌固（固接）條件，即滿足樁身嵌入滑動面上、下土層深度足夠大（即要求樁身嵌入滑動面上、下土層深度h ≥ 2.8/α）[8]。

（3）假定邊坡滑動面（范圍）處只考慮各排樁分別對滑動體施加1個抗力Fi′( F1′ = F2′ = … = Fn′ = FR，n為樁的排數(shù))，且∑Fi′ = F ′。

3.2 計算原理

根據(jù)抗滑樁截面及配筋，確定各排抗滑樁水平承載力∑H0，即Fi′ = FR= ∑H0，并將求得的各排抗滑樁水平承載力∑H0（所有抗滑樁提供的抗滑總合力為F ′ = ∑Fi′ = n∑H0）加到邊坡穩(wěn)定計算中，求出需要設(shè)置抗滑樁的排數(shù)。

3.3 計算公式

根據(jù)邊坡抗滑穩(wěn)定基本公式,并取排方向?qū)挾葹閎的范圍為計算單元（見圖1的陰影部分，此時F = nH0），得

式中：F為每延米滑動體的總下滑力，kN/m（相應(yīng)滑動體計算單元的總下滑力為F0）；R為每延米滑動體自身的抗滑力，kN/m（相應(yīng)滑動體計算單元自身的抗滑力為R）；H0為單根抗滑樁水平承載力H0，kN，計算見公式（3）；b為每排樁的樁間縱向間距（宜取值b ≈ b1，見圖1），m；[K]為各種穩(wěn)定狀態(tài)下的目標(biāo)抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，即規(guī)范中所要求的土堤邊坡抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)（如[K] = 1.05，1.15等）。

若樁位按梅花型布置（見圖2），當(dāng)相鄰2排樁間距s＜1.5d + 0.5, d≤1 m或s＜d + 1, d＞ 1 m時，其計算模型與樁位矩形布置時的情況一樣，從而得出同樣的計算公式。

圖1 樁位矩形布置圖

圖2 樁位梅花型布置圖

對設(shè)計人員來說，該計算公式很具實用性，只要采用理正巖土計算軟件電算，輸入有關(guān)參數(shù)，即可得到F及R值，而H0值采用公式（3）即可算出，因此很容易就能求出需要設(shè)置抗滑樁的排數(shù)n。最后根據(jù)所計算而得的排數(shù)n，在滑弧面范圍內(nèi)布置抗滑樁，應(yīng)盡量布置在滑弧面的中前緣部位。

3.4 單樁水平承載力H0計算

本文將抗滑樁的樁頂及樁底的邊界條件均可視為嵌固（固接）條件，根據(jù)文獻[9]，可推導(dǎo)出樁頂為固接狀態(tài)時單樁水平承載力計算公式：

式中：χ0取規(guī)范允許水平位移值[χ0]和由樁身容許[M]值計算而得的水平位移值χ0′ ，兩者中的較小值；α為樁的水平變形系數(shù)，見JGJ 94 — 2008《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（以下簡稱“樁基規(guī)范”），即α =（mb1/EI ）1/5，其中，m值按水平力為長期或經(jīng)常出現(xiàn)的荷載情況，m值應(yīng)取0.4倍的“樁基規(guī)范”中表格數(shù)據(jù)；EI為樁身剛度，對鋼筋混凝土樁EI = 0.85 EcI0；b1為樁的計算寬度，此處不考慮群樁效應(yīng)對b1取值的影響[8]，按“樁基規(guī)范”取值。

4 工程實例

4.1 實例1

某臨河擋墻護岸工程（離護岸一定距離以外擬建垃圾中轉(zhuǎn)站），新建擋墻總長351.22 m，擋墻斷面見圖3，地質(zhì)土層參數(shù)情況見表2，經(jīng)理正巖土軟件（采用瑞典圓弧法）計算，得出施工期滑動安全系數(shù)K = 0.828，F(xiàn)= 188.655 kN/m,R= 156.151 kN/m，因此需要進行抗滑處理，設(shè)置矩形布置的φ15 cm松木樁（樁長4 m，已滿足樁身嵌入滑動面上、下土層深度要求），取b = 0.70 m（≈b1 = 0.65 m），[K] = 1.05，經(jīng)計算單樁水平承載力H0= 4 kN，則共需設(shè)置松木樁的排數(shù)為n = 0.7（1.05 × 188.655 - 156.151）/4 = 7.3，取8排。松木樁的排間距見圖3，將松木樁設(shè)置于滑弧面的中前部位。實踐表明，該工程施工期及竣工后運行全過程，護岸擋墻均未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象。

表2 地基土物理力學(xué)指標(biāo)設(shè)計參數(shù)表

圖3 抗滑樁設(shè)計斷面圖

4.2 實例2

某導(dǎo)流港大堤因裁彎取值要求，需在彎道前喇叭口處新筑1段長約130 m的堤防，與現(xiàn)狀堤防相連接，由于該段范圍地質(zhì)條件較差，易發(fā)生工后沉降，經(jīng)理正巖土軟件（采用瑞典圓弧法）進行邊坡穩(wěn)定計算，得施工期滑動安全系數(shù)K = 0.794，F(xiàn)= 543.410 kN/m,R= 431.732 kN/m，故采用截面邊長為30 cm的鋼筋混凝土預(yù)制方樁（內(nèi)配8φ16主筋，樁長6 m）進行處理，呈梅花型布置（見圖2），其中樁縱向間距b = 1.50 m，相鄰兩排樁間距s = 0.75 m ＜ 1.5 × 0.3 ＋ 0.5 = 0.95 m，故計算公式為n ≥ b([K]F-R)/ H0，取[K]= 1.20，經(jīng)計算，預(yù)制方樁的單樁水平承載力H0= 27 kN，取n = 13排。按此布置預(yù)制方樁，經(jīng)驗算打樁后豎向承載力等要求也已滿足規(guī)范。實踐表明，施工過程中新筑大堤未發(fā)生滑移現(xiàn)象。

5 結(jié)論與展望

本文推導(dǎo)出抗滑樁布置排數(shù)的計算公式，并提出結(jié)合巖土理正計算軟件電算的設(shè)計方法，便于設(shè)計人員使用。應(yīng)用本計算方法設(shè)計出的抗滑樁已經(jīng)施工完畢，通過后期監(jiān)測，抗滑樁結(jié)構(gòu)完整性和撓度均在允許范圍之內(nèi)，且邊坡未出現(xiàn)滑移現(xiàn)象，從而證明了本計算方法的合理性和正確性。為便于本設(shè)計方法的應(yīng)用，建議將不同樁型和規(guī)格的單樁水平承載力H0值預(yù)先計算后，分別列表格以供備用（這里省略不列）。本文假定了樁頂及樁底的邊界條件均為嵌固條件，但實際情況中有時不容易滿足，且未考慮群樁效應(yīng)的影響，有待在以后的研究中完善。

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（責(zé)任編輯 郎忘憂）

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2017-03-30

徐真劍(1979 - )，男，工程師，碩士，主要從事水利工程結(jié)構(gòu)設(shè)計工作和研究工作。E - mail： xu_zhenjian@126.com