一种边坡抗滑桩治理参数的优化设计方法与流程

本发明属于滑坡防治技术领域，具体涉及一种边坡抗滑桩治理参数的优化设计方法。

背景技术：

当今经济建设的快速发展以及基础设施建设需求日益增长，促使越来越多的工业与民用建筑工程、水利工程、市政工程、道路工程及桥梁工程等大型设施的兴建，大量的边坡工程以及其稳定性评价问题已成为工程建设领域关注的焦点。与此同时，大量的工程建设也促使滑坡治理技术措施得到了相应的完善与发展，更多的治理技术与措施已在滑坡治理领域发挥了重要的作用。其中，抗滑桩作为重要的滑坡治理技术措施之一，也广泛地应用于滑坡治理工程实践之中。

抗滑桩是穿过滑体深入于滑床的桩柱，用以抵抗滑体下滑动力的边坡加固、支挡结构，起稳定边坡的作用，是一种边坡抗滑处理的主要措施。抗滑桩的作用机理是利用锚固段在稳定地层的锚固作用和被动抗力来平衡坡体的下滑推力。对比土钉锚杆、抗滑挡墙等其他滑坡防治措施，抗滑桩主要有以下优点：①抗滑性能良好，桩柱本身抗弯及抗剪刚度大，能抵抗很大的下滑推力；②施工安全性能强，施工对周围地层的扰动范围小，不易恶化滑坡状态，可用于抢修工程；③圬工数量小，治理工程成本低，经济合理；④能进一步核实地质条件，及时修正原设计方案；⑤可以与土钉、锚杆等其他边坡治理措施灵活配合。由于抗滑桩在治理滑坡及维护边坡稳定上的突出优点，使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，因而如何对抗滑桩治理参数进行优化设计与施工，尤其是抗滑桩桩间距的优化设计的重要性愈加凸显，并已成为抗滑桩设计与施工领域所面临和解决的重要关键问题。

桩间距是抗滑桩设计时的一个重要指标，桩间距过大可能会造成抗滑作用失效，桩间距过小又易造成投资增加，所以合理的最优桩间距在抗滑桩治理工程实践中是一个重要的设计参数。目前确定抗滑桩最优间距的主流方法是不同假设条件下土拱效应分析法。该方法是在对边坡工程中抗滑桩间土拱效应分析的基础上，提出应以桩间静力平衡条件、跨中截面强度条件以及拱脚处截面强度条件共同控制来确定桩间距。然而该方法没有考虑抗滑桩内力分布条件与变形协调条件，有很大的局限性。

技术实现要素：

为了补充与修正上述传统抗滑桩在选定设计参数精准性方面的局限与不足，本发明旨在寻求一种突破现有传统、易于计算且普适的新方法，以实现对抗滑桩在布桩和计算两个层面双重优化，达到对滑坡灾害进行科学、有效的治理目标。

本发明是采用以下的技术方案实现的：

一种边坡抗滑桩治理参数的优化设计方法，包括以下步骤：

步骤一：边坡土层物理力学参数的确定；

步骤二：抗滑桩设计参数的确定及受力分析；

步骤三：“m”法确定嵌固段土层最大侧向压力值；

步骤四：桩位间距最优系数的确定；

步骤五：最优桩位间距的确定；

步骤六：抗滑桩内力计算参数的优化计算。

所述步骤一中，根据《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)及《土工试验规程》(SL237—1999)对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘，运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定边坡坡体土层的物理力学参数(c、γ)。并根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定地基比例系数m。

所述步骤二包括：

1)抗滑桩设计参数的确定

为了使桩间滑体具有足够的稳定性，在下滑力作用下不致从桩间挤出，并且桩间土体与两桩侧面所产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力，桩的平面布置应满足合适的间距；合适的嵌固深度及桩长可以保证抗滑桩传递到滑动面以下地层的侧壁应力不大于地层的侧向容许抗压强度。根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)，结合上述原则、工程地质资料和设计要求，确定桩的受荷段长度h₁，嵌固段长度h₂。

2)抗滑桩所受总推力的确定

抗滑桩的设计荷载主要如下：①单桩承受的滑坡推力，作用于滑面以上部分的桩背上，可假定与滑面平行；②桩前被动土压力。一般假定每根桩所承受的滑坡推力与被动土压力之差等于桩中心距范围之内的滑坡推力：

P＝P_T-E_p (1)

式中，P-抗滑桩所受总推力，即抗滑桩总抗滑力(kN)；P_T-桩前滑坡推力(kN)(应按不同的滑动面类型选择相应的计算公式确定，具体见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“附录A”)；E_p-桩前被动土压力(kN)。

所述步骤三中，嵌固段土层最大侧向压力值即保证桩柱安全、正常工作所允许承受的最大应力值，抗滑桩工作应力不超过该值时，该桩柱是安全的，同时也是抗滑桩最优设计参数确定过程中的基本数据。根据抗滑桩所在土层的结构、构造及力学性质的不同，嵌固段土层最大侧向压力值可由规范《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)中的下列(2)(3)式得到：

1)较完整的岩体或硬质黏土岩

σ_max＝ρ₁·R (2)

2)一般土体或严重风化的破碎岩层

σ_max＝ρ₂·(σ_p-σ_a) (3)

式中，σ_max-嵌固段土层最大侧向压力值(kPa)；ρ₁-折减系数，取决于岩土体裂隙、风化及软化程度，沿水平方向的差异性等，一般为0.1～0.5；ρ₂-折减系数，取决于土体结构特征和力学强度参数的精度，宜取值为0.5～1.0；R-岩石单轴抗压极限强度(kPa)；σ_p-桩前岩土体作用于桩身的被动土压应力(kPa)；σ_a-桩后岩土体作用于桩身的主动土压应力(kPa)。

所述步骤四中，定义M_s为桩位间距最优系数，表示抗滑桩在单位下滑推力的作用下产生的应力，由式(4)(5)确定：

以桩底简化为自由端为例，

式中，M_s-桩位间距最优系数；m-地基比例系数(kN/m⁴)，由《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定；E-抗滑桩弹性模量(MPa)；α-桩的变形系数(m^-1)，B_P为桩正面计算宽度，矩形桩B_P＝B+1，圆形桩B_P＝0.9×(B+1)，B为桩横截面宽度或直径；I-桩截面惯性矩(m⁴)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，随桩的换算深度而异的m法的影响函数值(查表求得，表见《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中带上标h₂表示桩柱底端值。

所述步骤五中，在保证抗滑结构安全稳定的前提下，为避免设计中的浪费，缩短施工工期，以达到结构安全性与经济合理性的平衡与协调，在桩长相等、截面尺寸相同的条件下，可以由式(6)确定相邻两桩位的最优间距：

式中，s_op-相邻两桩位最优间距；σ_max-土层最大侧向压力值(kPa)；K_s-安全系数，取值见《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)中表8.1.3关于边坡稳定性系数的取值；P-抗滑桩所受总推力，即抗滑桩总抗滑力(kN)。

所述步骤六中，在最优桩位间距确定之后，即可进行桩柱内力计算参数的优化计算(具体推导见本发明基本原理2)：

式中，M_y、Q_y-锚固段桩身任一截面的弯矩(kN·m)、剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑动面处桩的位移(m)，转角(rad)，弯矩(kN·m)，剪力(kN)。当桩底为自由端时，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(8)求得：

本发明方法的理论基础如下：

原理1最优桩位间距及最优计算宽度公式推导

令

则桩身侧向应力可表示为

根据规范要求，σ_y≤σ_max，取极限状态σ_y＝σ_max，由嵌固端内力图σ_y图(见图3)可知，当y＝h₂时，σ_y达到最大值，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，则

定义M_s为桩位间距最优系数，并根据《边坡工程勘察规范》(YS 5230—1996)中表8.1.3关于边坡稳定性系数的取值确定微型群桩的安全系数K_s，给微型群桩稳定性评价赋予一定的安全储备，最终可得最优桩位间距

原理2“m”法计算抗滑桩内力

弹性桩的变形包括桩体本身的位置变动和弯曲变形，在“m”法中，桩的变形系数时，桩顶(锚固段)受水平荷载的挠曲微分方程为

式中，myB_Px-地基作用于桩上的水平抗力，对于“m”法，上述挠曲微分方程对锚固段成立的条件是滑面处的地基系数零。

此为四阶线性变系数齐次微分方程，用幂级数展开后进行近似求解，换算整理后得

式中：x_y、M_y、Q_y-锚固段桩身任一截面的位移(m)，弯矩(kN·m)，剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑动面处桩的位移(m)，转角(rad)，弯矩(kN·m)，剪力(kN)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，随桩的换算深度而异的m法的影响函数值(查表求得，表见《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中带上标h₂表示桩柱底端值。

上式为“m”法的一般公式，计算时必须先求得滑面处的x_A和φ_A，才能求桩身任一截面的位移、转角、弯矩、剪力和地基土对该截面的侧向应力。为此，需要根据柱底简化为自由端、铰支端和固定端三种边界条件确定，现以柱底自由端为例说明。

当桩底为自由端时，M_B＝0、Q_B＝0、φ_B≠0、x_B≠0，将M_B＝0、Q_B＝0代入式(7)的第3、4式，联解得

将上述各种边界条件下相应的x_A和φ_A代入式(9)，即可求得滑动面以下桩身任一截面的变位和内力。

本发明采用的方法是取内力极限状态，即抗滑桩在下滑推力及桩前抗力作用下桩柱产生的最大应力等于由桩身所在土层的参数计算确定的最大侧向压力值，从桩身内力入手反向推导其设计参数，进而确定抗滑桩的最优间距。该方法补充与修正了传统抗滑桩计算参数在大区间上选定的不确定性，提出了一种突破现有方法、易于计算且适用性强的新方法，以实现对抗滑桩在布桩和计算两个层面双重优化。实践证明，该方法确定的间距在规范所规定的取值范围内而又精确于某一值，实现了参数优化的目的。

附图说明

图1本发明流程图；

图2抗滑桩设计荷载示意图；

图3抗滑桩锚固段应力分布图。

具体实施方式

某工程位于某路K9+590～K10+010段路面右侧边坡。经工程地质勘察，该区域为崎岖、狭窄的山地，施工环境恶劣，大型机械台班进出难度大，且地层土质疏松，灵敏度高。经过综合测评，该处适宜采用本发明所提出的微型群桩布桩法。下面结合该工程来加以详细论述其可行性，以说明其实际意义和价值。具体实施步骤如下：

步骤一：滑坡土层物理力学参数的确定

由《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)及《土工试验规程》(SL237—1999)对待测定的边坡进行系统的勘察、试验及调查测绘，运用岩土原位试验或室内土工试验综合测定边坡坡体土层的物理力学参数(c、γ)。并根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定地基比例系数m，详见表1。

表1坡体设计参数

步骤二：抗滑桩设计参数的确定及受力分析

1)抗滑桩设计参数的确定

为了使桩间滑体具有足够的稳定性，在下滑力作用下，不致从桩间挤出，并且桩间土体与两桩侧面所产生的摩阻力不小于桩间的滑坡推力，桩的平面布置应满足合适的间距；合适的锚固深度及桩长可以保证抗滑桩传递到滑动面以下地层的侧壁应力不大于地层的侧向容许抗压强度。

根据《滑坡防治工程设计与施工技术规范》中，结合上述原则、工程地质资料和设计要求确定桩的平面布置、桩间距、桩长、及锚固段长度，具体见表2。

表2桩的设计参数

2)抗滑桩所受总推力的确定

抗滑桩的设计荷载(受力示意图见图2)主要如下：①单桩承受的滑坡推力，作用于滑面以上部分的桩背上，可假定与滑面平行；②桩前被动土压力。一般假定每根桩所承受的滑坡推力与被动土压力之差等于桩中心距范围之内的滑坡推力：

P＝P_T-E_p＝4000-3889.23＝110.77kN/m (1)

式中，P-抗滑桩所受总推力，即抗滑桩总抗滑力(kN)；P_T-桩前滑坡推力(kN)(应按不同的滑动面类型选择相应的计算公式确定，具体见《滑坡防治工程设计与施工技术规范》“附录A”)，计算步骤复杂，此处省略；E_p-桩前被动土压力(kN)。

步骤三：“m”法确定嵌固段土层最大侧向压力值

嵌固段土层最大侧向压力值即保证桩柱安全、正常工作所允许承受的最大应力值，抗滑桩工作应力不超过该值时，该桩柱是安全的，同时也是最优参数确定过程中的基本数据。根据抗滑桩所在土层的结构、构造及力学性质的不同，嵌固段土层最大侧向压力值可由规范《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)中的式(2)(3)得到：

式中，σ_max-嵌固段土层最大侧向压力值(kPa)；ρ₂-折减系数，取决于土体结构特征和力学强度参数的精度，宜取值为0.5～1.0；σ_p-桩前岩土体作用于桩身的被动土压应力(kPa)；σ_a-桩后岩土体作用于桩身的主动土压应力(kPa)。

步骤四：桩位间距最优系数的确定

定义M_s为桩位间距最优系数，表示微型群桩在单位下滑推力的作用下产生的应力，由式(4)(5)确定：

以桩底简化为自由端为例，

式中，M_s-桩位间距最优系数；m-地基比例系数(kN/m⁴)，由《滑坡防治工程设计与施工技术规范》(DZ/T 0219—2006)“附录C”查表确定；E-抗滑桩弹性模量(MPa)；α-桩的变形系数(m^-1)，B_P为桩正面计算宽度，矩形桩B_P＝B+1，圆形桩B_P＝0.9×(B+1)，B为桩横截面宽度或直径；I-桩截面惯性矩(m⁴)；A_i、B_i、C_i、D_i-i∈[1,4]，随桩的换算深度而异的m法的影响函数值(查表求得，表见《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG D63—2007)表P.0.8)，其中带上标h₂表示桩柱底端值。

步骤五：最优桩位间距的确定

在保证抗滑结构安全稳定的前提下，为避免设计中的浪费，缩短施工工期，以达到结构安全性与经济合理性的平衡与协调，在桩长相等、截面尺寸相同的条件下，可以由式(6)确定相邻两桩位的最优间距：

式中，s_op-相邻两桩位最优间距；σ_max-土层允许侧压力；K_s-安全系数，取值见《边坡工程勘察规范》(YS5230—1996)中表8.1.3关于边坡稳定性系数的取值，本例取1.05；P-抗滑桩所受总推力，即抗滑桩总抗滑力(kN)。

步骤六：抗滑桩内力计算参数的优化计算

在最优桩位间距及截面最优计算宽度确定之后即可进行桩柱内力计算参数的优化计算：

式中：M_y、Q_y-锚固段桩身任一截面的弯矩(kN·m)、剪力(kN)；x_A、φ_A、M_A、Q_A-滑动面处桩的位移(m)，转角(rad)，弯矩(kN·m)，剪力(kN)。当桩底为自由端时，M_A、Q_A、x_A、φ_A由式(8)求得：

表3内力计算结果