抗滑桩嵌固段设计修正方法研究_雷国平

Abstract：The anti-slide pile is simplified into a two-dimensional model and is designed with the calculation width Bp in the conventional anti-slide pile design method in China. The improved method is studied for the unreasonable simplification of the frictional resistance beside the pile. The shear constitutive equation of the cementation surface is obtained by the concrete-rock cementation surface shear test. The equation is applied to the design of socketed segment of anti-slide pile； and then the design formula based on K method is derived. By using Majiagou #1 landslide as a case to make comparison between the aforementioned improved method and conventional K method，it is found that the difference of pile displacement is great and the difference of internal force is neglectable. Through sensitivity analysis，it is concluded that the pile displacement reduces with the increasing residual shear strength f and the decreasing critical displacement xs. The influence of f on pile displacement is greater than that of xs；both of f and xs have slight effect on internal force distribution. Displacement is an important index in anti-slide pile design；so the anti-slide pile design should take the distribution of frictional resistance beside the pile into account and combine with the cementation surface shear test. Key words： slope engineering； anti-slide pile； socketed segment； rock mass beside the pile； frictional resistance； improved method
[12]
(a) 桩周岩体受力简化横截面图
(b) 桩周岩体实际受力横截面图
对水平推力桩进行了模型试验研究，初
[13]
图1 Fig.1
桩周岩体受力横截面图
步估算了大致的影响范围；李维树等
基于模型抗
Cross-sectional figures of the force on the rock mass around the pile
Shear test device of rock-concrete cement surface
原始曲线 拟合曲线 A
仍主要采用弹性地基系数法。按对地基抗力系数变 化规律的假定不同， 又可分为线弹性地基系数法(如 K 法、m 法)和非线性弹性地基系数法(如 C 法、双
B C
尽管随着计算机的发展， 各种数值模 参数法等)[15]。 拟方法在抗滑桩分析计算方面的运用越来越广，但 弹性地基系数法由于其使用方便，与实际相符较好 仍然是主要的设计方法。目前，国内桩基技术规 范、路基及桥梁桩基设计规范等均采用 K 法和 m 法。 本文研究的对象是嵌固段为较坚硬岩体的抗滑 桩，此类抗滑桩设计常将岩体的水平地基系数视为 一个常量，即 K 法。因此，本文在 K 法的基础上考 虑桩侧岩体摩阻力分布的影响对抗滑桩嵌固段设计 方法进行修正研究。
收稿日期：2012–06–18；修回日期：2012–12–04 基金项目：国家重点基础研究发展计划(973)项目(2011CB710600)；国家自然科学基金资助项目(41202198)；岩土钻掘与防护教育部工程研究中心开放 课题基金项目(200901) 作者简介： 雷国平(1989–)， 男， 2011 年毕业于中国地质大学(武汉)岩土工程专业， 现为硕士研究生， 主要从事地质灾害防治方面的研究工作。 E-mail： chinacuglgp@
3.1 微分方程的建立 (1)
0.4
0.8 剪切变形/mm
1.2
1.6
图3
岩块–混凝土胶结面剪切变形曲线
Fig.3 Shear deformation curves of rock-concrete cement surface2ຫໍສະໝຸດ 嵌固段桩侧岩体与桩的相互作用
2.1 抗滑桩嵌固段桩与桩侧岩体作用模型 目前抗滑桩设计的主要方法是将桩左右岩土的
第 32 卷
第3期
雷国平等：抗滑桩嵌固段设计修正方法研究
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的室内剪切试验，可为胶结面抗剪参数取值提供依 据。 采用 JQ–200 型岩石剪切流变仪对 10 cm×10 cm×10 cm 岩块–混凝土胶结试样进行剪切试验， 试验装置如图 2 所示。试验可得到岩块与混凝土胶 结面的剪切变形曲线(见图 3)。与脆性岩体结构面[14] 类似，其剪切破坏过程可分为 3 个阶段，OA 阶段 剪应力随剪切变形逐渐增加，峰值后 AB 段出现应 力陡降，当应力降至一定值后趋于稳定(BC 段)，残 余强度明显低于峰值强度。
(2)
式中： G 为胶结面的剪切刚度 (MPa/mm) ， G= f/xs，f 为残余剪切强度(MPa)，xs 为临界位移或临界 剪切变形(mm)。
图2 Fig.2
1.0 0.8 剪应力/MPa 0.6 0.4 0.2 O 0.0 0.0
岩块–混凝土胶结面剪切试验装置
3
抗滑桩嵌固段修正内力计算
目前在计算推力桩位移、桩侧土抗力和内力时
摘要：传统的抗滑桩设计方法将抗滑桩简化成一个二维模型，采用计算宽度 Bp 进行设计，对桩侧摩阻力的简化存 在不合理地方，因此对其进行修正方法的研究。在混凝土–岩块胶结面剪切试验的基础上得到胶结面受剪的本构 方程，并将其应用到抗滑桩嵌固段的设计中，推导基于 K 法的抗滑桩嵌固段设计修正方法的计算公式。将修正方 法应用到马家沟 I 号滑坡中，发现修正方法与传统 K 法相比，计算的桩位移相差较大，内力相差较小。影响因素 敏感性分析发现桩位移随残余剪切强度 f 的增加、临界位移 xs 的减小而减小，且 f 对桩位移的影响要大于 xs，二 者对内力分布的影响不大。位移是控制抗滑桩设计的一个重要指标，因此应考虑桩侧摩阻力的分布，结合胶结面 剪切试验进行抗滑桩的设计。 关键词：边坡工程；抗滑桩；嵌固段；桩侧岩体；摩阻力；修正方法 中图分类号：P 642 文献标识码：A 文章编号：1000–6915(2013)03–0605–10
抗滑桩是滑坡治理工程中主要的抗滑措施之 一
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，其抗滑机制是利用稳定地层的锚固作用和被
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动抗力来平衡滑坡推力 。与其他抗滑工程(如抗滑 挡墙、锚杆等)相比，具有抗滑能力强、适用条件广 泛、不易恶化滑坡状态、施工安全简便，并能进一 步核实地质条件等优点。因此，抗滑桩广泛应用于 矿山边坡、铁路、公路滑坡、工业与民用建筑基坑 支护、港口等边坡工程中。 目前，在滑坡抗滑桩设计中，由于桩周岩土体 被动抗力的确定具有一定的经验性，抗滑桩的设计 很难达到经济、安全、适用的多重目的。铁道部第 二勘察设计院[4]介绍了抗滑桩设计的主要方法，并 在后来的实践中得到不断发展；戴自航等[5-7]采用有 限差分法对桩的设计方法进行了改进；吴恒立[8]提 出了计算推力桩的综合刚度原理和双参数法，提高 了推力桩的设计计算水平；李长冬等[9]采用二维黄 金分割法，对抗滑桩优化设计进行了研究；张建华 等[10]开展桩土效应的数值模拟研究。 在考虑桩侧岩土体阻力方面，规范[11]考虑桩型 以及滑床性质分别给出了桩计算宽度的计算公式； 杨 旌等
第 32 卷
第 3 期
2013 年 3 月
岩石力学与工程学报 Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering
Vol.32 No.3 March，2013
抗滑桩嵌固段设计修正方法研究
雷国平，唐辉明，李长冬，宋德文，程 昊，吴 琼
(中国地质大学 工程学院，湖北 武汉 430074)
STUDY OF IMPROVED DESIGN METHOD OF ANTI-SLIDE PILE SOCKETED SEGMENT
LEI Guoping，TANG Huiming，LI Changdong，SONG Dewen，CHENG Hao，WU Qiong
(Faculty of Engineering，China University of Geosciences，Wuhan，Hubei 430074，China)
滑桩的水平推力试验，改良了桩计算宽度的计算公 式。上述研究虽然考虑了桩侧岩土的阻力作用，对 抗滑桩的计算宽度进行了修正，但均在相对宏观的 角度进行分析研究，并没有考虑桩与桩侧岩土体相 互作用力的分布情况。 基于上述研究，在混凝土–岩块胶结面剪切试 验的基础上，指出桩侧摩阻力大小与胶结面剪切变 形有关， 提出基于 K 法的抗滑桩嵌固段设计修正方 法(以下简称修正方法)，工程算例结果表明：桩侧 摩阻力大小、分布的不同，给桩身内力计算带来的 误差在设计允许范围内，但对桩位移计算影响较 大，准确把握桩侧岩体摩阻力的大小及分布有助于 抗滑桩的设计达到安全、经济的目的。
图4 岩块–混凝土胶结面剪切本构模型
Fig.4 Shear constitutive model of rock-concrete cement surface

G u 0.368 4u f 0.35
(u ≤ xs 0.95 mm) (u＞xs 0.95 mm)
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岩石力学与工程学报
2013 年
抗力等效于一定宽度的桩前后岩土体，将抗滑桩简
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引
言
化为二维模型进行分析(见图 1(a))。这种简化模型 在一定程度上简化了抗滑桩设计的工作，却忽略了 桩周岩土体提供抗力的不同。如图 1(b)所示，桩在 滑坡下滑力作用下发生微小位移，桩前后岩体受到 桩的压力作用发生压缩变形产生抵抗力，而桩侧岩 体受到桩的剪切作用，其与桩的胶结面发生剪切变 形产生摩阻力。
因此本文采用图 1(b)中的计算模型，将桩侧岩 体的抗力与桩前后岩体抗力分开考虑，综合起来进行 嵌固段的内力计算。为便于理论推导，作如下假设： (1) 抗滑桩嵌固段在工作过程中桩侧沿桩岩胶 结面发生破坏。 (2) 剪应力在桩同一横截面侧边上均匀分布， 且两侧边受力状态相同。 (3) 桩岩胶结面剪切变形的本构关系不随桩深 发生变化。 2.2 岩块–混凝土胶结面剪切试验 抗滑桩与桩侧岩体胶结面在剪力作用下同一般 岩体结构面受剪类似，满足莫尔–库仑强度准则， 假定在抗滑桩嵌岩段中岩体水平应力不随深度变 化，因此整个胶结面的强度、剪切刚度可用一个强 度值 f 和一个剪切刚度值 G 表示，同样达到破坏的 临界位移也可以用一个临界位移 xs 表示。为研究胶 结面的剪切变形规律，进行了岩块–混凝土胶结面