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双排抗滑桩设计计算中的若干问题研究

  摘要:从滑坡灾害谈起,分析了工程中常使用的支挡结构形式――双排抗滑桩。介绍了双排抗滑桩理论计算模型的研究现状,认为合理的计算模型必须慎重考虑桩-土之间相互作用,并给出了具有代表性的理论计算模型;指出了滑坡推力的计算方法已较成熟,研究热点多集中于推力在前、后排桩的分配方式上;针对研究较少的双排桩桩顶连接方式,介绍了现有的一些研究成果,认为没有哪种连接方式具有绝对的优势,应该视情况而定;分析、指出了研究动荷载作用下双排抗滑桩理论分析的必要性;从研究文献分析,认为数值模拟技术是双排抗滑桩理论研究的强有力工具,应该得到重视。最后给出了双排抗滑桩未来可能的几个研究方向。
  关键词:支挡结构;滑坡推力;动荷载;数值模拟;双排抗滑桩
  中图分类号:TU473文献标识码:A文章编号:16749944(2014)02027904
  1引言
  滑坡为人类所面临的自然灾害之一,而且发生频繁,殃及世界众多地区,因此对滑坡的成因机理、预测预报及处置研究一直受到各国政府的高度重视。抗滑桩是滑坡治理中常采用的支挡结构形式,可布置为单排或双排。针对单排抗滑桩,现有计算理论及设计方法较完善,而双排抗滑桩由于作用机理复杂,现有研究成果较少,其计算理论和设计方法因而也相对欠缺。祁斌和常波以红石包滑坡为例,从桩土作用计算模型、抗滑桩设计及工程材料用量方面对单、双排桩进行了对比分析,发现在滑坡推力较大的情况下,采用双排抗滑桩更为经济合理[1]。可见,在某些特定条件下,实际工程中采用双排抗滑桩的可能性较大,因此,开展双排抗滑桩理论计算及设计研究既存在理论价值更存在实际工程价值。笔者在阅读大量国内外研究文献的基础上,分析了双排抗滑桩设计计算研究中存在的若干热点问题(包括:双排抗滑桩理论计算模型、双排抗滑桩滑坡推力计算方法、双排抗滑桩桩顶连接方式、动荷载作用下双排抗滑桩的力学分析及数值模拟技术在双排抗滑桩计算中的应用等),并提出了双排抗滑桩未来的可能研究方向。
  2双排抗滑桩理论计算模型研究
  双排抗滑桩理论计算模型服务于设计计算,不合理的计算模型常常导致荒谬的结果,因此模型方面的研究一直是热点问题,好的计算模型应该能反映实际情况(如桩-土间相互作用),这样才能经得住理论和实际工程的检验。刘小丽[2]在按照压力法分析双排抗滑桩时,建立了两种地基模型:①考虑了地基连续性状的双参数模型;②弹塑性地基模型,同时也建立了对应的2种抗滑桩计算模型。李仁平[3]将深基坑桩按被动桩统一进行分析,建立了双排桩的理想弹塑性模型,认为滑面以上桩-土相互作用关系为双曲线模型,滑面以下桩-土相互作用关系为Winkler地基模型。周翠英、刘祚秋[4]等将门架式双排桩及桩间土视为一个整体,提出了桩间土对前、后排桩的作用模式和计算方法。何颐华[5]等采用模型试验对双排桩的位移随排距变化规律进行研究,提出了带连梁双排桩的计算方法。张富军[6]对目前工程设计中常用的几种双排抗滑桩计算方法做了改进,提出了修正的计算模型,并通过模型试验给予了验证。
  上述研究成果本质上并没有太大差异,只是在考虑影响因素时的侧重点不一样而已,在此不作过多评述。笔者认为刘鸿[7]提出的双排抗滑桩的计算模型具有代表意义,如图1所示,详细推导过程见刘鸿2007年的硕士学位论文《双排抗滑桩计算方法研究》。
  3双排抗滑桩滑坡推力计算方法研究
  对于双排抗滑桩的设计,传统的计算方法将桩-土之间的作用简化为平面问题,并没有考虑桩身截面对于滑坡推力的影响,因此研究双排抗滑桩滑坡推力,总结前排桩、后排桩滑坡推力的组成很有必要。目前,对抗滑桩滑坡推力的计算大多采用传递系数法,在相关规范中也明确规定将其作为折线形滑面的滑坡稳定性分析和滑坡推力计算的方法。梁斌等[8]考虑了抗滑桩变形量的大小对桩前抗力的影响,以及桩-土的共同作用,得出了利用有限元强度折减法计算滑坡推力的合理性与可行性。杨涛等[9]对抗滑桩滑坡推力的分布形式进行了研究,考虑了滑坡体几何形态对分布形式的影响,定量地计算出滑坡推力的分布形式。戴子航[10]通过对模型试验和现场试桩试验资料分析研究,得出了抗滑桩滑坡推力与土体抗力的分布函数。郑颖人等[11]通过对比不同安全系数定义方法对滑坡推力计算的影响,得出了一般情况下,应采用强度储备安全系数作为边(滑)坡的安全系数。王旭等[12]采用有限元法研究了考虑桩土相互作用的双排桩内力分配,计算了滑坡推力在两排桩之间的分布。刘鸿[7]在建立双排抗滑桩计算模型的基础上得到了滑坡推力在前排桩及后排桩所产生的作用力计算公式。唐芬等[13]对双排抗滑桩推力分担做了研究,建立了用于双排抗滑桩的多目标优化,并优选出了合理的推力分担模式。
  对于双排抗滑桩滑坡推力的计算多数情况下仍然是采用传递系数法,现简述如下:传递系数法取平行于滑动方向的滑动断面,自后向前计算求解滑坡推力,如果某位置计算的滑坡推力小于0,说明此位置以上的滑体处于稳定状态,则从此处开始重新计算滑坡推力。将滑动方向和变形位移大体一致的滑体视为一个计算单元,在顺滑动主轴方向的地质纵断面上按滑面(带)的产状和岩土性质划分为若干铅直条块,由后往前计算各条块分界面上的剩余下滑力即是该部分的滑坡推力。
  计算中有以下基本假定。
  (1)每段滑体的下滑力方向与其所在的滑面(带)平行。
  (2)横向(垂直于主轴断面的方向)按每米计算,略去两侧的摩擦阻力不计。
  (3)视滑体为刚体,由后向前传递下滑力作为整体滑动,不计滑体内部的应力作用。
  (4)作用于任一分界面上的推力分布图形,当滑体上层和下层的滑动速度大体一致时,可假定为矩形;2014年2月绿色科技第2期
  4双排抗滑桩桩顶连接方式研究
  目前双排抗滑桩桩顶连接方式没有统一的标准,各设计单位只能根据工程经验来确定,出现这一局面的主要原因是很少有研究人员把桩顶连接方式作为专门的研究对象,因而导致对各种连接方式的优劣性了解得不够多。   双排抗滑桩桩顶连接方式可分为无连接、同排相连、前后排相连和全连接等4种方式。申永江等[14]通过ANSYS有限元软件模拟了4种连接方式下双排抗滑桩工作性能,认为在双排抗滑桩设计中采用前后排相连的桩顶连接方式较经济合理。张可能等[15]提出了一种新型抗滑桩支挡结构体系――拱形双排抗滑桩,并采用有限元软件对比了直线型双排抗滑桩,认为前者的桩顶位移较小,整体稳定性和协同受力能力更好。钱同辉等[16]采用有限元技术模拟了框架式双排抗滑桩桩-土共同作用特征和阻滑能力,发现框架式双排抗滑桩具有等效连拱支挡作用和较大的刚度及稳定性。
  双排抗滑桩桩顶连接采用何种方式,具体还得根据实际情况来定,不存在哪种连接方式绝对地好或者差,需要设计人员进行一定的权衡。
  5动荷载作用下双排抗滑桩力学分析研究
  现阶段抗滑桩的设计主要考虑静荷载作用,对地震等动力作用研究甚少,因此,有必要研究抗滑桩的地震动效应。陶云辉等[17]采用FLAC-3D软件模拟了桩-土的动力作用,发现在地震力作用下,抗滑桩自由段桩后土压力分布由三角形变为了梯形,桩顶的动应力增量较大,提出在抗滑桩的抗震设计中,地震动应力作用可以考虑为倒梯形分布。俞强[18]采用有限元技术研究了列车动荷载作用下单桩-土的动力作用,研究结果对列车动荷载作用下抗滑桩长期安全性和耐久性分析评价提供重要依据。许江波、郑颖人[19]设计完成了边坡振动台大型模型试验,探讨了地震作用下埋入式抗滑桩模型边坡的动力特性与振动响应规律以及地震动参数对动力特性和动力响应的影响。王丽萍等[20]采用土工离心机及专用振动台,进行了静动力加载条件下抗滑桩加固黏性土坡的离心模型试验,试验结果表明地震过程中土坡的加速度响应自下而上逐渐增大,震后残余变形的水平分量最值相比震前向坡上部移动。孙树民[21]总结了土-结构动力相互作用研究的发展过程,探讨了各种研究方法的特点及其适用范围,并对土-结构动力相互作用研究的发展趋势作了展望。许江波、郑颖人[22]采用动力强度折减法,利用FLAC软件,比较了抗滑桩在地震前后内力值,认为在地震作用下埋入式抗滑桩能够满足抗震设计要求,为边坡抗震设计提供一种新的支护方法。李海波等[23]结合强度折减法的思想,并考虑到地震荷载特征及其离散元法和顺层岩质边坡特点,提出了一种求解地震荷载作用下顺层岩质边坡安全系数的方法。
  可见,对于在动荷载作用下的双排抗滑桩力学分析研究成果较少,但是实际工程中又往往不能忽略动荷载的作用,因此可以预见未来动荷载作用下双排抗滑桩力学分析研究是热点。
  6数值模拟技术在双排抗滑桩研究中的
  应用一般说来,涉及到岩土工程的问题往往是复杂的,要得到解析解更是不切实际,这个时候数值模拟技术显示了它的优势。双排抗滑桩理论到现在为止还极不成熟,很多问题还没法解析化,经验性的假设添加过多,导致一些理论计算适用性不是太强,因此有很多学者采用数值技术分析双排抗滑桩工作性能,以期得到一些一般化的规律,为理论研究提供基本性结论。邹盛堂、戴子航[24]采用ABAQUS有限元软件,建立了双排抗滑桩的三维数值分析模型,计算了各排桩的实际受力和变形,为确定滑坡推力在各排桩上的分布形式或大小提供依据。郑刚、李欣等[25]提出了一种新的考虑桩-土作用的平面杆系有限元双排桩分析模型,将双排桩之间的土视为薄压缩层,并以水平向弹簧模拟,可以考虑两排桩之间土层分布变化、压缩性、桩间土加固等对双排桩相互作用的影响。申永江[26]等从锚索双排抗滑桩的监测研究入手,结合有限元法分析了桩间距对双排抗滑桩内力的影响,得出双排桩桩间距在4H范围内变化时,桩间距越大,后排桩的弯矩和剪力也就越大,而前排桩弯矩和剪力越小的结论,建议桩间距取2H,以保证前后两排桩都能起到较好的抗滑作用。邓夷明[27]通过ABAQUS分析了双排桩在不同排拒情况下,桩身内力的分布情况,得出后排桩所承受的推力、内力较前排大,且随排距的增大而增大,而前排桩的推力、内力随排距的增大而增大,当间距足够大时,二者的推力、内力比较接近。
  不容置疑,数值模拟技术在双排桩分析中起到了极大作用,但是掌握此技术的毕竟只在少数,操作起来十分复杂,尤其在做接触问题分析时,前处理工作繁琐,耗时多,况且在做模拟计算时没法将纵多因素考虑进去。因此,笔者认为数值模拟技术只能作为一个强有力的试探性工具,没法代替理论研究,但是作为一个工具还是值得深入学习。
  7双排抗滑桩设计计算展望
  自20世纪70年代中后期双排抗滑桩出现在实际工程以来,经历了近40年的发展,积累了许多经验,在工程运用中也取得了辉煌的成绩,但对于双排抗滑桩的理论研究仍处于初步阶段。笔者认为今后一段时间内关于双排抗滑桩的研究可以从以下几点开展。
  (1)继续深入开展双排抗滑桩计算模型研究,考虑合适的桩-土之间相互作用。
  (2)研究滑坡推力在双排抗滑桩前、后排的合适分配比例。
  (3)进行不同桩顶连接方式的理论研究,确定特定条件下的桩顶合理连接方式。
  (4)在现有研究的基础上开展动荷载条件下双排抗滑桩理论计算研究。
  (5)在考虑更多因素的前提下,继续研究数值模拟技术在双排抗滑桩分析中的应用。
  相信通过以上几点的深入研究,双排抗滑桩的设计计算理论将更加完善,今后在实际工程中也会越用越广。
  参考文献:
  [1] 祁斌,常波.单双排抗滑桩在滑坡治理中的对比分析[J].三峡大学学报:自然科学版,2010,32(1):52~55.
  [2] 刘小丽.新型桩锚结构设计计算理论研究[D].成都:西南交通大学,2003.
  [3] 李仁平.软土地基中被动桩与土体的相互作用及其工程应用[D].杭州:浙江大学,2001.
  [4] 周翠英,刘祚秋,尚伟,等.门架式双排抗滑桩设计计算新模式[J].岩土力学学报,2005,26(3):441~444.
  [5] 何颐华,杨斌,金宝森,等.双排护坡桩试验与计算的研究[J].建筑结构学报,1996,17(2):58~66.
  [6] 张富军.双排桩支护结构研究[D].成都:西南交通大学,2004.
  [7] 刘鸿.双排抗滑桩计算方法研究[D].成都:西南交通大学,2007.
  [8] 梁斌,郑颖人,宋雅坤.不同计算方法计算滑坡推力与桩前滑体抗力的比较与分析[J].后勤工程学院学报,2008,24(2):14~17.
  [9] 杨涛,周德培,张俊云,等.抗滑桩滑坡推力分布形式的计算确定[J].岩土工程学报,2006,28(3):322~326.
  [10] 戴自航.抗滑桩滑坡推力和桩前滑体抗力分布规律的研究[J].岩石力学与工程学报,2002,21(4):517~521.
  [11] 郑颖人,赵尚毅.边(滑)坡工程设计中安全系数的讨论[J].岩石力学与工程学报,2006,25(9):1937~1940.
  [12] 王旭,宴鄂川,吕美君.埋入式双排桩-土体系桩间内力分配的模拟[J].煤田地质与勘探,2006(34):57~60.

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