由於複雜的地形地質條件,邊坡始終是工程建設中一個重大工程地質問題,因此加強邊坡病害的防治設計,將對工程基礎設施建設與生態環境保護協調發展有重要意義。作為設計師,邊坡防護加固設計是工作中的重要組成部分。逃避不了?那就深入的學習下……
邊坡災害防治原則及措施
邊坡防治的實質是邊坡變形破壞的防治,防治原則應以防為主、及時治理,並應根據工程措施的技術可行性和必要性、經濟合理性、工程重要性及社會效應等諸多方面制定具體的處治方案。
處治措施確定原則:
1) 處治措施的選擇必須建立在工程地質勘察和邊坡破壞機制分析的基礎之上。
2) 處治措施應針對引起滑坡的主導因素進行制定,原則上應一次根治,不留後患。
3) 對工程建設中隨時可能產生危害的邊坡,應先採用立即生效的工程措施,然後再實施其它工程。
4) 對性質複雜、規模巨大、短期內不易查清或工程建設進度不允許完全查清後再處治的滑坡或變形體,應在保證工程建設安全的前提下,作出全面的處治規劃,採用分期治理的方法,使後期工程既可獲得必須的資料,又能爭取到一定的建設時間,保證整個工程的安全和效益。
5) 一般情況下,對邊坡處治(特別是滑坡和變形體的處治)的時間應以旱季為宜,施工方法和程序應以避免造成坡體產生新的變形破壞為原則。
降低下滑力、提高抗滑力:
1向潛在滑體提供錨固力,提高抗滑力、降低下滑力。
2坡趾是邊坡的重點薄弱環節之一,必要時可用「壓腳法」加固,此法適用於小規模的土質邊坡。
3在坡頂進行挖方以降低坡高稱為減載,挖緩坡面減小坡角稱為削坡。
4減小對岩土體的損傷以免 、 值降低,例如制定合理的爆破方案等,也可設法提高岩土體 c、φ值,例如採用注漿法加固岩土體等。
5採取防排水措施使邊坡岩土體中的潛水位儘可能降低,既提高坡體的抗滑力又降低下滑力,是穩定邊坡最為有效和經濟的方法。
防治措施:
坡體變形採用錨固、抗滑樁、排水等措施。
滑坡採用錨固、擋牆、抗滑樁、排水、減載壓重等措施。
落石崩塌採用支撐、防護網、錨固等措施。
風化剝蝕採用坡面防護:砌石、噴射混凝土、植被防護等措施。
水流侵蝕採用沖刷防護(植物、拋石、漿砌片石、石籠等)措施。
邊坡坡面防護
邊坡坡面防護的種類和方法多種多樣,但不論採用哪種方法,防護工程都應遵循以下原則:因地制宜,結合邊坡的地形地貌、水文地質條件,根據實際情況確定適宜的防護措施;就地取材,在選用防護材料時,儘量利用當地材料,就地採集;經濟適用,在力求節省工程費用和其它開支的同時要達到經濟耐久以及養護工作量最小的要求;兼顧景觀,坡面防護的意義不僅局限於保護邊坡,還應當與環境相襯,合理美觀。
1 植被防護
植被防護的手段通常為植樹、種草或二者結合。在邊坡上種植植被能有效地減緩邊坡上的水流速度,避免日曬。植物的根系可固著邊坡表層土壤以減輕沖刷,從而達到保護邊坡坡面的目的。
2 工程防護
對不適宜植物生長的邊坡採用工程防護,包括灌漿及勾縫、抹面、噴漿及噴射混凝土、噴錨網、干砌片石、漿砌片石、擋土牆以及土工合成材料防護等。
用於適宜草類生長的土質路塹和路堤的邊坡,且邊坡的高度不高,坡度不大(坡度不宜陡於1:1)。當邊坡土層不宜種草時,可在坡面上先鋪一層厚為5~10cm的種植土,使其與坡面結合牢固。若邊坡坡度陡於1:2,在鋪種植土前將邊坡挖成台階形。
草種的選用要結合邊坡的土壤環境和當地的氣候條件,選擇容易生長、根部發達、莖幹低矮、枝葉茂盛、生長能力強的多年生草種,常採用的草種包括:白茅草,根深而粗壯;毛鴨嘴及魚肩草,根深,固結邊坡能力強;兩耳草、果園草及雀稗,莖葉茂密,富於覆蓋;鼠尾草,繁殖快;無芒雀麥,根系固土範圍直徑可達半米,-30°C下能安全越冬。
草籽播種可根據情況進行撒播或溝(行)播。撒播是最簡單易行的方法,此法常用於比較鬆軟的土質邊坡;溝(行)播一般在比較堅硬的土質邊坡上採用。
植樹適宜於各種土質邊坡和風化極嚴重的岩質邊坡,坡度一般應緩於1:1.5。樹種應選擇根系發達,枝葉茂盛,能迅速生長、分櫱的低矮樹種,如紫穗、怪柳、枸杞、沙棘等。沖刷防護宜用楊柳或不怕水淹的灌木類,高速公路的土質邊坡和路肩不得種植喬木。植樹時樹坑深一般為25cm,直徑20cm,株距30-60cm,行距80~150cm,應視樹種不同而定。
噴漿及噴射混凝土防護主要適用於易風化的軟岩及裂隙和節理髮育、坡面不平整、破碎較嚴重的岩質挖方邊坡,既可防止坡面進一步風化,又可促使裂隙間破碎岩石得到砂漿充填而加固。對於堅硬易風化但風化不嚴重的邊坡,噴漿防護可在坡面形成保護層以防止進一步風化。但此法不宜用於成岩作用差的黏土岩邊坡,也不可直接用於涌水地段,在泄水後保證坡面無水回流方可使用。
材料及配比:
水泥:採用不低於32.5級的普通矽酸鹽水泥。
石灰:採用新出窯燒透的塊灰,欠火或過火者不宜採用,其質量指標應符合有關規範的規定。
砂子:重力噴漿應使用純凈的細砂,粒徑為0.1~0.25mm。機械噴漿或噴混凝土應使用純凈的中粗砂,粒徑為0.25~0.5mm,含水率以4%~6%為宜。
混凝土粗骨料:應使用純凈的卵石或碎石,最大粒徑不大於25mm。大於15mm的顆粒控制在20%以下,針、片狀顆粒不超過15%。
速凝劑:可直接摻入水泥砂漿和混凝土中,配製成聚合物砂漿和聚合物混凝土,能極大地增加接觸面的黏聚力和抗拉、抗折強度,提高抗滲性,併兼有介面處理和促凝等作用。
施工前對坡面的裂縫、凹坑應先勾縫、填補,以使坡面平順整齊,岩體坡面浮土雜質、碎塊等要用水沖洗乾淨,並保持濕潤。選擇適宜的噴射機械和相應的配套設備,作業前應進行試噴,以確定合適的水灰比。 噴射作業應自下而上進行,噴嘴應垂直於坡面,並與坡面保持1.0m左右的距離。當噴射混凝土厚度大於150px時,應分兩次噴射,保證厚度均勻,並按有關規定預留試件。噴層周邊與未防護坡面的銜接處做好封閉處理,防止雨水侵入。輸料管長以20~30m為宜,噴射工作壓力一般為150~170kPa。
噴嘴供水壓力要比工作壓力大50~100kPa,保持水與干拌和料均勻混合。噴射體初凝後,應立即洒水養護,並持續7~10d。可在噴射層中加設1層鋼筋網或高強聚合物土工格柵,以減小干縮裂縫對強度的影響,使坡面防護強度高於單純噴漿或混凝土。
漿砌片石防護:適用於坡度緩於1:1的各種岩質和土質邊坡,坡面因風化剝落、地表水沖刷、易發生流泥沖溝及表層溜坍等災害時可採用漿砌片石護坡,石材豐富地區最為合適。
漿砌片石護坡所用的水泥砂漿強度一般為M5,受流水沖刷或位於寒冷地區應提高為M7.5或M10。石料應採用不易風化的堅硬岩石或大塊卵石,厚為0.25~0.5m。護坡地面設0.1~0.15m的碎石或砂礫組成的墊層,在一定條件下,也可採用與墊層等效的土工織物代替。
漿砌片石護坡視岩土情況設置砌石基礎,其埋深至少為護坡厚度的1.5倍,在冰凍地區應設置在冰凍線以下,砌石護坡應每隔10~15m設置寬2cm的伸縮縫(或沉降縫),用瀝青麻筋或竹筋填塞。
噴錨網聯合防護:
當坡面岩體已嚴重風化或岩體受切割破碎嚴重,噴漿或噴射混凝土防護強度不足時,為加強防護效果,應採用噴錨網聯合防護。噴射混凝土與鋼筋網封閉坡面,錨杆既可加固坡面一定深度內岩體,也可承受少量鬆散體產生的側壓力。可用1:3水泥砂漿固定錨杆,當要求錨杆立即起防護作用時,可採用早強錨固卷,施工簡單,快速可靠。預製鐵絲網直徑一般採用2mm,綁紮鐵絲直徑0.5mm,鐵絲網框條一般採用直徑6.5mm的圓筋,錨杆可用16~20mm的螺紋鋼筋。
鐵絲網框條採用直徑6.5mm的鋼筋時,應先拉直再加工焊接成框。噴漿及噴射混凝土厚度要均勻,勿使錨網外露。
落石防護-主被動網
柔性防護系統以柔性網為主要特徵承力構件,通過加固(如主動系統)、攔擋(如被動系統)和引導(如維護系統)等基本形式來防治落石、淺表層滑動或泥石流等坡面地質災害。
主動防護系統可實現坡面孤危石及淺表層岩土體的加固,避免落石或局部崩塌的發生,抑制淺表層岩土體的變形移動或運動,阻止或緩解各種自然營力對坡面的侵蝕作用。根據錨杆和柔性網網片的布置方式,可分為矩陣式錨固的網片單元式布置系統和梅花形錨固的網片連續布置系統。
被動防護系統按構成形式和防護能級劃分,常用攔石網型號有數十種,但從基本結構和功能特徵上看,除下部基礎外,其上部結構都是由鋼柱、連接構件和柔性網構成的柵欄式落石攔擋結構,
基本構成:
鋼柱:鋼柱是被動系統的支撐結構,其主要作用是保證系統及其柔性網的直立,並展開和支承支撐繩、拉錨繩等連接構件。
連接構件:連接構件包括拉錨繩、拉錨錨杆和支撐繩這三類具有特定結構性能的構件,及其它起連接作用的構件,如緩衝繩、緩衝卡環等專用連接件和繩夾、卸扣、螺栓等輔助連接件。
柔性網:柔性網是被動防護系統的核心構成部分,是整個系統中唯一的面狀攔擋結構,其主要功能是實現對落石的直接攔截。
消能件:消能件的功能是其受到落石衝擊的荷載較高時,通過自身變形或位移的方式來吸收或消散能量,同時限制整個系統中的荷載峰值。
邊坡支擋
岩土壓力的主要荷載一般包括岩土體自身重量引起的側向壓力、水壓力以及影響區範圍內的構築物荷載、施工荷載、交通荷載等。
若剛性的擋土牆保持原來的位置靜止不動,則作用在擋土牆上的土壓力稱為靜止土壓力,按下式計算:
靜止土壓力係數宜由試驗確定,當無試驗條件時,可按下式估算:
正常固結土:
超固結土:
若擋土牆在牆後填土壓力作用下,背離填土方向移動,此時作用在牆上的土壓力將由靜止土壓力逐漸減小,當牆后土體達到極限平衡狀態,並出現連續滑動面而使土體下滑時,土壓力減到最小值,稱為主動土壓力,按下式計算:
朗肯土壓力理論:
主動土壓力係數:
庫倫土壓力理論:
主動土壓力係數:
若擋土牆在外力作用下,向填土方向移動,這時作用在牆上的土壓力將由靜止土壓力逐漸增大,直到土體達極限平衡狀態並出現連續滑動面,牆后土體將向上擠出隆起,此時土壓力增至最大值,稱為被動土壓力,按下式計算:
朗肯土壓力理論:
被動土壓力係數:
庫倫土壓力理論:
被動土壓力係數:
岩體壓力:
1 靜止岩體壓力計算公式:
壓力係數:
2 主動岩體壓力計算公式:
結構面外傾:
壓力係數:
結構面緩傾:
3 側向岩體壓力和破裂角計算應符合下列規定:
1) 當岩質邊坡無外傾結構面時,以岩體等效內摩擦角按側向土壓力方法計算側向岩體壓力,破裂角按式 (45°+φ/2)確定,I類岩質邊坡取75º左右。
2) 當有外傾硬性結構面時,將計算岩體壓力和以岩體等效內摩擦角按側向土壓力方法計算的結果對比,取較大值;除I類邊坡岩體外,破裂角取外傾結構面傾角和 兩者中的較小值。
3) 當邊坡沿外傾軟弱結構面破壞時,破裂角取該外傾結構面的視傾角和(45°+φ/2)兩者中的較小值。
擋土牆類型的劃分方法較多,通常以擋土牆的結構形式分類為主,主要有:重力式擋土牆(包括衡重式擋土牆)、薄壁式擋土牆(包括懸臂式和扶壁式擋土牆)、加筋式擋土牆、錨杆式和錨定板式擋土牆、豎向預應力錨杆式擋土牆、土釘式及樁板式擋土牆等。
重力式擋土牆按結構形式可分為仰斜式、垂直式、俯斜式、凸形折線式和衡重式。
地基承載力及牆身強度驗算:必要時應參照基礎工程設計和混凝土設計原理進行地基承載力驗算及牆身強度驗算。進行地基承載力驗算時,應先求出作用在基底的總豎向力,並通過力矩平衡求出合力作用點,進而求得基底合力偏心距,再根據不同偏心情況下的基底應力計算公式分別求得最大值和平均值,驗算二者分別滿足地基承載力驗算公式即可。驗算牆身強度時,則應取1~2個控制截面,分別進行其在自重及岩土壓力同時作用下的正截面偏心壓縮承載力驗算、彎曲承載力驗算及斜截面抗剪承載力驗算,具體計算方法可參照相關規範。
薄壁式擋土牆高度在6m以下時一般選用懸臂式擋土牆,大於6m時選用扶壁式擋土牆。
設計原則:計算擋土牆整體穩定性和立板內力時,可不考慮擋土牆牆前底板以上土體的影響;在計算牆趾板內力時,應計算底板以上填土的自重。計算擋土牆實際牆背和牆踵板的土壓力時,可不計填料與板間的摩擦力。
懸臂式擋土牆由立壁(牆面板)和牆底板(包括牆趾板和牆踵板)組成,呈倒「T」字型,具有三個懸臂,即立壁、牆趾板和牆踵板。
懸臂式擋土牆和扶壁式擋土牆的側向主動土壓力宜按第二破裂面法進行計算。當不能形成第二破裂面時,可用牆踵下緣與牆頂內緣的連線或通過牆踵的豎向面作為假想牆背計算,取其中較不利狀態的側向壓力作為設計控制值。
懸臂式擋牆的立板、牆趾板和牆踵板等結構構件可取單位寬度按懸挑構件進行計算。
扶壁式擋土牆由牆面板(立壁)、牆趾板、牆踵板及扶肋(扶壁)組成,實際上它是在懸臂式擋土牆的基礎上,沿牆方向每隔一定距離加設扶肋而成。
對扶壁式擋土牆,根據其受力特點可按下列簡化模型進行內力計算: 立板和牆踵板可根據邊界約束條件按三邊固定、一邊自由的板或以扶壁為支點的連續板進行計算; 牆趾底板可簡化為固定在立板上的懸臂板進行計算; 扶壁可簡化為T形懸臂樑進行計算,其中立板為梁的翼緣,扶壁為梁的腹板。
加筋土擋土牆分為有面板加筋土擋土牆和無面板加筋土擋土牆。有面板加筋土擋土牆在工程中應用較為廣泛,即在土中加入拉筋,利用拉筋與土之間的摩擦作用,改善土體的變形條件,提高土體的工程特性,從而達到穩定土體的目的。無面板加筋土擋土牆通過反包式土工格柵的加筋錨固作用,約束土體的側向變形,保證土體的穩定。
1 抗滑移穩定性驗算:加筋土擋土牆的滑動一般有兩種可能,一種是水平推力克服了加筋體「基底」與地基之間的摩擦力而沿底面滑動,另一種是修築在邊坡上的加筋土擋土牆可能自身與滑體一起產生滑動。
2 抗傾覆穩定性驗算:
(抗傾覆安全係數一般不小於1.4,地震工況時不小於1.3)
邊坡錨固
拉力型錨杆指受力時錨固段注漿體處於受拉狀態的錨杆,其主要特點是錨杆受力時錨固段漿體受拉並通過漿體將拉力傳遞至周圍地層,結構簡單,目前使用範圍最廣。
壓力型錨杆指受力時錨固段注漿體處於受壓狀態的錨杆,其主要特點是利用承載體使錨杆受力時錨固段漿體受壓,並通過漿體將拉力傳遞至周圍地層,防腐性能較好,但由於注漿體承壓面積受到鑽孔直徑的限制,故不能得到高承載力的錨杆。
荷載分散型錨杆也稱單孔復合錨杆,指在一個鑽孔中,由若干拉力型或壓力型單元錨杆組合而成的復合錨固體系,其能將錨固力分散作用於錨杆總錨固段的不同部位(即各單元錨杆的錨固段)上。
主要包括拉力分散型錨杆和壓力分散型錨杆兩種,其工作時能充分利用地層固有強度,其承載力隨錨固段長度增加成比例提高。拉力分散型錨杆適用於錨杆承載力要求較高的軟岩或土體工程,壓力分散型錨杆適用於錨杆承載力要求較高或防腐等級要求較高的軟岩或土體工程。
錨固設計計算:
以預應力錨杆為例,錨固工程設計主要包括錨固力(斜坡、擋牆、錨拉樁等)計算、錨杆布置及安設角度確定、錨杆杆體材料選擇及確定、錨杆結構設計、錨頭及防腐設計、整體穩定性驗算等內容。
Ø邊坡錨固力計算:邊坡錨固力計算過程中,首先需按照規範確定邊坡設計安全係數,其次針對不同的破壞形式,計算單位長度邊坡所需的錨固力。邊坡錨固力計算可採用極限平衡法,但對於重要或複雜邊坡的錨固設計,宜同時採用極限平衡法與數值分析法。對可能產生圓弧滑動的錨固邊坡,宜採用簡化畢肖普法、摩根斯坦-普賴斯法或簡布法計算,也可採用瑞典法計算; Ø對可能產生直線滑動的錨固邊坡,宜採用平面滑動面解析法計算; 對可能產生折線滑動的錨固邊坡,宜採用傳遞係數隱式解法、摩根斯坦-普賴斯法或薩瑪法計算;對岩體結構複雜的錨固邊坡,可配合採用赤平極射投影法進行分析。
單平面破壞模式
雙平面破壞模式
圓弧型破壞模式常發生於土質及碎裂岩質邊坡中。
根據工程實際需求,同時結合工程類比法,可初步選定錨杆排數和錨杆間距,單根錨杆拉力標準值應根據邊坡錨固力、錨杆排數及間距確定,即:
預應力錨杆拉力設計值(設計錨固力,或設計軸向拉力)與錨杆拉力標準值之間存在下列關係:
錨杆類型應根據工程要求、錨固地層性質、錨杆極限受拉承載力、不同類型錨杆的工作特徵、現場條件、施工方法等綜合因素選取。此外,預應力錨杆設計的承載能力極限狀態還應符合下列要求:
錨杆選型:
6) 錨杆布設
錨杆布設原則上應根據實際地層情況以及錨杆與其它支擋結構聯合使用的具體情況確定,必須充分了解邊坡的地質狀況,確定邊坡變形破壞的模式後,才能決定錨杆布設位置。錨杆布設的總體原則是對邊坡滑體產生最佳的抗滑效果,一般應滿足以下基本要求:
(1) 錨杆間距和長度,應根據錨固工程周圍地層的整體穩定性確定。
(2) 錨杆間距除必須滿足錨杆的受力要求外,還應大於1.5m,以避免因群錨效應而降低錨固力。當所採用的間距小於1.5m時,應將相鄰錨杆的傾角調整至相差3°以上。
岩土錨杆通常是以群體的形式出現的,若錨杆布置較密集,地層中受力區的重疊會引起應力疊加和錨杆位移,從而使錨杆極限抗拔力不能有效發揮,即群錨效應。錨杆極限抗拔力會因群錨效應而減小,群錨效應與錨杆間距、直徑、長度及地層形狀等因素有關。
(3) 錨杆與相鄰基礎或地下設施間的距離應大於3.0m。
(4) 錨杆錨固段應在潛在滑面以外的穩定岩土體內,且上覆土層厚度不宜小於4.5m,避免坡頂反覆荷載的影響,同時不會因較高注漿壓力而使上覆土層隆起。
(5) 根據錨杆的作用原理,對於不同類型工程,錨杆傾角是不同的,確定錨杆傾角應有利於滿足工程抗滑、抗塌、抗傾或抗浮的要求。但就控制注漿質量而言,若錨杆傾角過小時,注漿料因泌水和硬化而產生的殘餘漿渣會影響錨杆的承載力,故錨杆傾角宜避免與水平面成-10°~+10°的範圍,10°範圍內錨杆的注漿應採取保證漿液灌注密實的措施。
(6) 為使鋼絞線間有適宜的間距,保證鋼絞線被足夠的水泥漿所包裹,以滿足鋼絞線與注漿體間黏結強度的要求,錨杆鑽孔直徑應滿足錨杆抗拔承載力和防腐保護要求,壓力型或壓力分散型錨杆的鑽孔直徑尚應滿足承載體尺寸的要求。
(7) 預應力錨杆的布置間距應根據邊坡地層性態、所需提供的總錨固力及單錨承載力設計值確定。一般條件下,I、II、III類岩體邊坡預應力錨杆間距宜為3.0~6.0m,IV類岩體及土質邊坡預應力錨杆間距宜為2.5~4.0m。
(8) 錨杆的布設角度,對基坑或近於直立的邊坡而言,需考慮鄰近狀況、錨固地層位置及施工方法。一般錨杆的傾角不小於13°,也不應大於45°。傾角愈大,抵抗滑體滑動的能力將相應地減弱,故錨杆布設角以15~35°為宜。
對傾倒破壞的邊坡,預應力錨杆的設計布設角度宜與岩體層理面垂直。對滑動破壞的邊坡,預應力錨杆的布設角度應發揮錨杆的抗滑作用,在施工可行條件下,錨杆傾角宜按下式計算:
錨固段長度可根據計算和工程類比法確定,對於I、II級邊坡應同時採用現場拉拔試驗驗證。錨杆或單元錨杆的錨固段長度可由下列確定,並取兩者間的較大值:
一般而言,拉力型與壓力型錨杆的錨固段長度宜為3~8m(岩石)和6~12m(土層)。在軟岩或土層中,當拉力或壓力型錨杆的錨固段長超過8m(軟岩)和12m(土層)仍無法滿足極限抗拔承載力要求或需要更高的錨杆極限抗拔承載力時,宜採用壓力分散型或拉力分散型錨杆。壓力分散型與拉力分散型錨杆的單元錨杆錨固段長度宜為2~3m(軟岩)和3~6m(土層)。
錨杆自由段長度應根據錨杆與滑面、邊坡坡面的交點間距確定。若錨杆自由段長度過短,對錨杆施加初始預應力後,錨杆的彈性位移較小,一旦錨頭出現鬆動等情況,可能會造成較大的預應力損失,因此錨杆自由段長度一般不應小於5.0m。此外,自由段應穿過潛在滑面至少1.5m,並將錨固段布設於合適的地層內,以保證錨固系統的整體穩定性。
抗滑樁
1) 計算基本假定
在沿滑動主軸方向的地質縱斷面圖上,按滑面的產狀和岩土性質劃分為若干鉛直條塊,由後向前計算各條塊分介面上的剩餘下滑力即是該部位的滑坡推力;
每段滑體的下滑力方向與其所在條塊的滑面平行;
橫向按單位寬度計算,不考慮兩側的摩擦阻力;
視滑體為連續而無壓縮的介質,由後向前傳遞下滑力並作整體滑動,不考慮滑體內部的局部應力作用。
Ø滑坡推力
2) 滑體上的作用力
第i 個條塊滑體上的作用力可分為基本力系和特殊力系兩類。
基本力系包括滑體自重Wi、上一條塊傳遞來的剩餘下滑力Ei-1、下一條塊產生的支撐力Ei、滑床反力Ni、滑面的抗滑力Ti;
特殊作用力系只有在可能出現的情況下,才列入計算,其主要包括作用在條塊上的外部荷載Pi、動水壓力Di (滑體飽水或其下部飽水且與滑帶水相連通時考慮)、滑床上產生的浮托力Si、滑頭水系有壓力水頭時的浮托力Si』 及地震力Esi等。
3) 各作用力的計算
4) 通過加大下滑力計算
剩餘下滑力Ei:
5) 通過折減抗滑力計算(推薦)
計算滑坡推力時,首先根據試驗資料、經驗數據等進行綜合分析,擬定各條塊滑面的ci、φi值,或整個滑面的平均c、φ值,令F=1,依次計算各條塊的剩餘下滑力,並要求滑坡前緣出口的剩餘下滑力等於或趨近於零。若不為零,則需調整c、φ值,重複計算,直至等於或趨近於零為止,即反算求得c、φ值,如曲線a,進而綜合確定滑面(帶)的強度指標。
其次,根據工程要求,選定安全係數F,再重新計算各條塊的剩餘下滑力,即為設計下滑力,如曲線b。滑坡前緣出口處的最終不平衡下滑力 ,其為抗滑樁設計的主要依據之一。最後,根據選定的樁位、樁間距,計算作用在每根樁上的滑坡推力。
滑坡推力分布及其作用點位置,與滑坡類型、部位、地層性質、變形狀況及地基係數等因素有關。當滑體沿斷面高度均勻向下變形、地基係數為常數時,推力呈矩形分布;當地基係數沿斷面高度呈線性變化時,則推力呈三角形分布;當地基係數在頂部呈線性變化、底部為常數時,則推力呈梯形分布。
設置抗滑樁後,當抗滑樁受到滑坡推力作用產生變形時,一部分滑坡推力傳遞到樁前滑體(滑面以上),另一部分通過樁體傳遞到錨固段地層(滑面以下)。抗滑樁周圍岩土體對抗滑樁的抗力作用稱為樁周岩土抗力,其中滑面以上的稱為樁前滑體抗力,或受荷段地層抗力;滑面以下的為錨固段地層抗力。
地基係數為常數(即「K」法)的假定,適用於較完整岩層和硬黏土;
地基係數與深度成正比例增加(即「m」法)的假定,適用於硬塑至半堅硬的砂黏土、碎石類土或風化破碎的岩層。
在彈性限度內,與變位成正比的樁周岩土抗力稱為彈性抗力,根據彈性理論,由地基係數計算樁周岩土作用於樁身的彈性抗力值及其分布。假定地層為彈性介質,樁為彈性構件,作用於樁側任一點y處的彈性抗力:
樁前滑體抗力可由極限平衡時滑坡推力曲線、樁前被動岩土壓力或樁前滑體的彈性抗力(樁前剩餘抗滑力)確定,設計時選用較小值。
根據滑坡推力曲線確定樁前滑體抗力時,假定滑坡處於極限平衡狀態,滑面以上的c、φ值根據反算法確定時,抗滑樁需要承受的推力(樁上設計荷載)為T=E-P 。
以樁前被動土壓力作為樁前滑體抗力時,可按朗肯被動土壓力公式計算。
採用地基係數法時,將滑面以上樁身所受的滑坡推力作為已知設計荷載,然後根據滑面上下地層的地基係數,把整根樁視為彈性地基梁進行計算,不考慮滑面存在的影響。
應特別注意,若樁前滑體將被挖掉或可能滑動,則不存在樁前滑體抗力,此時應將滑坡推力直接作為樁上設計荷載。樁前滑體抗力的分布圖形基本呈拋物線,抗力的最大值出現在滑體中部,靠近滑面的應力較小。當滑體為黏性土時,由於黏聚力影響,頂端抗力較滑體為鬆散介質時大,合力重心也較高。在工程設計中,樁前滑體抗力一般採用與滑坡推力相同的應力分布形式,也可採用拋物線分布形式。當採用拋物線分布時,可將抗力圖形簡化為一個三角形和一個倒梯形。
錨固段地層抗力分兩種情況:抗滑樁錨固在完整岩層中,此時把滑面以下的地層當作半無限的空間彈性體,抗滑樁處理為插入其中的一根杆件較為合適,因按空間彈性體計算較為複雜,故一般採用彈性力學中簡便的鏈杆法計算,滑面處的抗力圖形有明顯的應力集中現象;抗滑樁錨固在破碎岩層或堆積層中,此時可將地層視為彈性介質,採用地基係數法較為合適,而滑面處抗力較小。
抗滑樁橫截面形狀對樁的抗滑作用有較大影響。當滑體滑動方向明確時,可採用矩形截面,其長邊宜與滑動方向一致;當滑體滑動方向難以準確確定時,宜採用圓形截面。抗滑樁的截面尺寸應根據單樁承受的滑坡推力大小、錨固段地層橫向容許承載力和樁間距等因素確定,且樁最小邊寬度不宜小於1.25m。初步選定時,矩形截面的短邊邊長可為1.5~3m,長邊邊長不宜小於短邊的1.5倍;圓形截面的直徑可為1.5~5m。
樁的錨固深度與穩定地層的強度、滑坡推力、樁體剛度、截面和間距、是否及如何考慮樁前滑體抗力等因素有關。錨固不宜過深,通常採用縮小樁距或調整樁體截面尺寸等方法,以減小錨固深度。抗滑樁錨固段應錨固於潛在滑面以下的穩定地層內,且不應產生新的深層滑動。初步選定時,錨固深度可為樁長的1/4~1/3,最終應根據計算確定。
樁底支承條件:
自由支承:在滑面以下樁的OB段,地層為土體、鬆軟破碎岩體;
鉸支承:當樁底岩層完整時,並較OB段地層堅硬,但樁嵌入此層不深;
固定支承:當樁底岩層完整且極堅硬,樁嵌入該層較深。(不推薦)
剛性樁與彈性樁:
當βh2≤1.0或αh2≤2.5時,抗滑樁屬剛性樁,否則屬彈性樁。錨固段地基係數為梯形分布時,可將樁分成若干小段,每小段內採用常數分布近似計算。
抗滑樁樁身按受彎構件設計,當無特殊要求時可不做變形、抗裂及撓度等驗算。樁身混凝土的強度等級宜為C30,樁身中的主筋宜採用HRB 400鋼,箍筋可採用HRB 335鋼或HRB 400鋼。
國外通常採用線彈性地基係數法計算抗滑樁內力,將滑面以上按懸臂樁考慮,並採用一般靜力學方法求解其內力,而滑面以下採用有限差分法求解其內力。國內大多採用懸臂樁法和地基係數法。
Ø受荷段樁身內力:
Ø錨固段樁身內力
錨拉樁:
與普通抗滑樁相比,錨拉樁具有下列優點:改變普通抗滑樁的受力狀態,減小樁身彎矩和剪力,從而減小樁身截面面積及埋深,節省材料並降低造價;錨索可控制樁頂位移量,由普通樁被動受力變為主動施力,使其成為主動抗滑結構,可有效減小滑體位移量,利於保證滑帶(潛在滑帶)的強度;能較快控制滑坡。