地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡穩(wěn)定性分析

陳旭元

（江蘇工程職業(yè)技術(shù)學(xué)院建筑工程學(xué)院，江蘇 南通 226300）

1 樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的機(jī)理

樁錨組合結(jié)構(gòu)，指利用多個(gè)樁及錨索，使其與周圍巖土連成一體所形成的樁錨結(jié)構(gòu)體系。該體系中所用的錨索，以預(yù)應(yīng)力錨索為主。錨索可與樁一同受力，抵抗導(dǎo)致滑坡的力，達(dá)到加固邊坡的目的[1]。將該結(jié)構(gòu)應(yīng)用到邊坡加固的過程中，可將被動(dòng)受力改為主動(dòng)受力，使邊坡的受力方式得到優(yōu)化。對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，為樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的主要階段之一。

2 地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡穩(wěn)定性的力學(xué)分析

2.1 外力功率

樁錨組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用的過程中，地震力以及滑體的重力，為外力功率的兩大主要來源[2]。具體而言，外力功率的計(jì)算公式如下：

上述公式中，W 代表外力功率，γ代表滑體的密度，w 代表滑坡發(fā)生過程中所產(chǎn)生的角速度，kh 為常數(shù)，代表地震系數(shù)。將各項(xiàng)參數(shù)代入至上述公式中，便可計(jì)算出樁錨組合結(jié)構(gòu)的外力功率。而將外力功率的計(jì)算結(jié)果，與其他力學(xué)參數(shù)計(jì)算結(jié)果相結(jié)合，便可為樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡方案的優(yōu)化提供數(shù)據(jù)參考。

2.2 內(nèi)能耗散功率

地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的過程中，內(nèi)能耗散與沿滑面內(nèi)能的耗散，以及預(yù)應(yīng)力錨索功率等因素有關(guān)。計(jì)算力學(xué)參數(shù)的過程中，需將滑面土壤的內(nèi)聚力等參數(shù)相互結(jié)合，方可達(dá)到沿滑面內(nèi)能耗散的參數(shù)。預(yù)應(yīng)力錨索功率的計(jì)算過程中，對(duì)荷載的計(jì)算較為重要，荷載的計(jì)算方法如下：

上述公式中，Ti 代表荷載，d 代表錨索鉆孔的直徑，Li 代表錨索長度，[φ]代表粘結(jié)強(qiáng)度，d’則代表兩個(gè)錨索間的距離。以上述公式為基礎(chǔ)，對(duì)預(yù)應(yīng)力錨索的荷載進(jìn)行計(jì)算，并以荷載計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)預(yù)應(yīng)力功率以及內(nèi)能耗散功率進(jìn)行計(jì)算，便可為地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡方案的優(yōu)化提供支持。

2.3 穩(wěn)定性系數(shù)

本文所述穩(wěn)定性系數(shù)，為邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)。對(duì)該系數(shù)進(jìn)行計(jì)算時(shí)，應(yīng)充分考慮到極限分析上限定理。邊坡穩(wěn)定性系數(shù)的計(jì)算公式如下：

上述公式中，K 代表系數(shù)，D 代表內(nèi)能耗散。各項(xiàng)參數(shù)代入后，如計(jì)算結(jié)果顯示K≥1，則代表邊坡穩(wěn)定[3]。如能夠嚴(yán)格按照設(shè)計(jì)方案施工，則能夠有效確保施工安全，降低滑坡問題的發(fā)生幾率。反之，如K＜1，則代表邊坡穩(wěn)定性不達(dá)標(biāo)。實(shí)際施工過程中，邊坡需以排為單位進(jìn)行加固。為取得滿意度加固效果，計(jì)算參數(shù)的過程中，應(yīng)考慮到單個(gè)抗滑樁所提供的抗力的大小。

2.4 屈服地震加速度

地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的過程中，屈服地震加速度的大小，同樣會(huì)對(duì)加固效果造成影響。為改善加固效果，應(yīng)首先借助極限分析上限定理，對(duì)屈服地震加速度參數(shù)進(jìn)行計(jì)算。通常情況下，計(jì)算該參數(shù)時(shí)，應(yīng)考慮到外力功率、內(nèi)能耗散等。參數(shù)的具體計(jì)算公式如下：

Ac=Kcg

上述公式中，Ac 代表屈服地震加速度。

Kc=min[Kc（ζo，ζh，ζp，ζi，β’）]

得到上述參數(shù)的計(jì)算結(jié)果后，便可計(jì)算出屈服地震加速度的參數(shù)。

2.5 永久性位移

永久性位移的數(shù)值，是地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡過程中需要考慮的主要問題之一。工程施工經(jīng)驗(yàn)顯示，當(dāng)?shù)卣鸺铀俣萢 的數(shù)值較Ac 高時(shí)，邊坡坡體產(chǎn)生永久位移的風(fēng)險(xiǎn)將明顯提高。將地震系數(shù)K 納入到永久性位移的計(jì)算中，可得到滑體轉(zhuǎn)動(dòng)的角速度，得到該參數(shù)后，將滑體土的重量、力臂等納入到計(jì)算過程中，即可得到永久轉(zhuǎn)角，從而獲得永久性位移數(shù)值的計(jì)算結(jié)果。

3 地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡穩(wěn)定性的工程實(shí)例

3.1 工程概況

本工程為公路邊坡加固工程，工程位于我國地震多發(fā)區(qū)域。受地震以及降雨的影響，邊坡現(xiàn)已出現(xiàn)了大面積裂縫，擋墻現(xiàn)已無法使用。進(jìn)一步觀察發(fā)現(xiàn)，工程地表正處于變形期間，且變形問題逐漸加重。為加固邊坡，本工程對(duì)當(dāng)?shù)氐牡刭|(zhì)情況進(jìn)行了勘察，結(jié)果顯示，該公路邊坡目前已失去穩(wěn)定性，如未對(duì)其進(jìn)行處理，一旦發(fā)生地震，滑坡的問題必然發(fā)生，而邊坡下緣的公路同樣會(huì)因此而堵塞，對(duì)交通的暢通性造成影響。可見，及時(shí)解決邊坡穩(wěn)定性問題較為重要。本工程發(fā)生滑坡的邊坡，坡體為70m，高度為30m，地形較陡峭。一定數(shù)量植物的生長，有助于確保邊坡穩(wěn)定，但本邊坡坡面無植物發(fā)育，因此，地表水難以滲透至土壤中。

3.2 加固方法

3.2.1 參數(shù)計(jì)算

明確相應(yīng)的力學(xué)參數(shù)，是對(duì)滑坡進(jìn)行治理、提高邊坡穩(wěn)定性的主要途徑。本工程中，錨索垂直距離與水平距離，均為4m。錨索與滑體之間的粘結(jié)強(qiáng)度為65kPa，傾角為20°，坡體高度為20m，容重為20kN/m3。將上述已知參數(shù)代入至外力功率、內(nèi)能耗散功率、穩(wěn)定性系數(shù)、屈服地震加速度、永久性位移等參數(shù)的計(jì)算公式中，便可得到相應(yīng)的計(jì)算結(jié)果。本工程中，根據(jù)邊坡的坡角的不同，地震系數(shù)同樣存在一定的差異。當(dāng)坡角為30°時(shí)，地震參數(shù)為0.1，坡角為45°時(shí)，地震參數(shù)為0.15，坡角為60°時(shí)，地震參數(shù)為0.2。進(jìn)一步計(jì)算發(fā)現(xiàn)，隨著地震系數(shù)的增加，滑坡面積同樣明顯提升，兩者呈顯著正相關(guān)。但邊坡的坡角增加時(shí)，滑體土的體積同樣會(huì)明顯增加?？梢姡m當(dāng)減小坡角，可在一定程度上預(yù)防滑坡。

3.2.2 加固方案優(yōu)化

為提高地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的有效性，提升邊坡的穩(wěn)定性，本工程以參數(shù)計(jì)算結(jié)果為基礎(chǔ)，對(duì)加固方案進(jìn)行了優(yōu)化。具體方案如下：（1）坡面處理：本工程在降低坡角的基礎(chǔ)上，將黏土回填技術(shù)應(yīng)用到了加固過程中，并對(duì)其進(jìn)行了夯實(shí)，一定程度上提升了邊坡的穩(wěn)定性。為預(yù)防水土流失，工程采用水泥砂漿對(duì)邊坡坡面進(jìn)行了抹平，并對(duì)滑坡部分進(jìn)行了反壓。（2）樁：本工程樁澆筑所用的混凝土，強(qiáng)度以C30 為主，共40m3，采用II 類碎石澆筑，穩(wěn)定性較強(qiáng)。（3）橫梁：邊坡加固的過程中，施工人員可采用鋼筋混凝土作為主要材料，對(duì)橫梁進(jìn)行施工。本工程橫梁長度為60m，可有效滿足工程的施工需求。（4）錨索：本工程單根錨索長度為13.5m，可與橫梁連接。

3.3 加固成果

為評(píng)估地震作用下樁錨組合結(jié)構(gòu)加固邊坡的效果，本工程于施工完成后，對(duì)邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了檢驗(yàn)。結(jié)果顯示，工程施工質(zhì)量達(dá)標(biāo)，邊坡的穩(wěn)定性等參數(shù)可達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

綜上所述，本工程在計(jì)算相關(guān)參數(shù)的情況下，將樁錨組合結(jié)構(gòu)應(yīng)用到了邊坡加固的過程中，不僅提高了邊坡的穩(wěn)定性，且延長了邊坡的使用壽命，取得了良好的效果。未來，建議各地震多發(fā)區(qū)域的水利、公路等工程，以本工程為參考，從外力功率、內(nèi)能耗散功率、穩(wěn)定性系數(shù)等方面出發(fā)，對(duì)工程力學(xué)參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，在此基礎(chǔ)上展開施工，為邊坡施工質(zhì)量的提升奠定基礎(chǔ)。