抗滑桩背的作用力探讨
2020年12月16日，笔者推发了《滑坡推力与下滑力之间关系与区别问题回复（十九）》公众号文章，引起的轩然大波动实是出乎笔者的意料。该文写作比较简短，因为主要回答了一些参加工作不久的年轻朋友所提出的问题，不料却在同行朋友中引发了争论。故此，笔者查阅了很多规范、文献，确实发现基本上都存在将作用于桩背的下滑力与推力混用的情况，甚至有些书籍将作用于桩背的下滑力等同于推力的情况；此外，抗滑桩的计算理论与公式类型较多，所采用的模型、假设等均存在一定的差异。以上两个因素可能也是引起大家争论的原因之一吧！在此，笔者对控制抗滑桩设计的桩背作用力再一次进行探讨。问题：作用于抗滑桩桩背处作用力是不是除了考虑下滑力的水平向分力外，还需考虑下滑力的竖向分力？抗滑桩作为岩土工程中的一种重要支挡结构物，是建立在桩周地质条件和桩身结构计算基础上的，因此，其设计也贯彻概念设计的理念，即忽略与事物本质影响较小的因素，在此基础上建立可行的计算模型。1973年3月出版的《滑坡防治》（交通部科学研究院西北研究所，即后来的铁道部科学研究院西北研究所、铁道部科学研究院西北分院，现在的中铁西北科学研究院）（抗滑桩发明于1960s的铁道部科学研究院西北研究所）一书中，在抗滑桩计算模型的建立与计算公式推导时，明确将抗滑桩重力与下滑力的竖向分力Ey予以考虑。1977年10月出版的由铁道部第一勘测设计院主编的《铁路工程设计技术手册-路基》，在滑坡一章由铁道部科学研究院西北研究所主笔。其在抗滑桩公式推导中做出如下假设：“为简化计算，将桩与其周围岩土体的摩阻力（包括粘聚力作用）一般可忽略不计；在刚性桩中基底反力及垂直的作用，因其影响甚微，也不必要考虑。”这时其在抗滑桩计算模型的建立与计算公式推导时，明确将抗滑桩重力、下滑力的竖向分力等予以忽略。这也是铁路部门多年来采用的抗滑桩计算模型中的重要假设之一，也是相关其它很多行业在抗滑桩计算中所借鉴采用的重要假设之一。公路规范中也明确规定忽略抗滑桩侧摩阻力和桩身重力与桩底反力。这就说明在竖向上，基本上没有位移的大截面抗滑桩，下滑力的竖向分力与桩侧摩阻力和桩身重力、桩底反力对抗滑桩的影响是微小的，可以作为“内力”作用而忽略。通过以上铁路与公路对于抗滑桩计算的假设来看，理论上虽然它们是存在的，但在工程实践中由于其影响较小而予以忽略。作为大型抗滑结构物的抗滑桩设置地质条件和岩土工程的概念性设计来说，这种假定是容许的。正如朗肯土压力计算模型，它假定墙背是光滑的，填土表面是水平的，这显然脱离实际的，但这种假设是容许的。其实退一步说，在岩土工程中，往往精确、严密的理论结果存在与实际应用现场较大的新差异，需要以经验系数加以修正。而一些理论是虽然不是非常严密，存在一些容许的假设，存在一此些经验调节的公式，反而比较实用。因为，岩土工程崇尚实用。抗滑桩作为大型抗滑结构物，其主要考虑的问题是桩体的锚固力（抗力）能否满足桩后岩土体作用于桩背的作用力、桩身位移，以及桩身单纯的结构计算三个方面的问题。即桩前地基所受到的作用力应小于水平地基的容许承载力（规范没有使用极限承载力的原因是是控制抗滑桩的位移满足一定的安全储备），以及桩身全长范围内的转角与桩身结构的剪力与弯矩内力计算。对于挡墙来说，作用于挡墙的主动土压力E需分解为水平与竖向两个分力Ex与Ey，继而用于基底偏心距的检验、挡墙及基础沿基底平面与墙踵处地基水平面的滑动稳定性验算、挡墙抗倾覆稳定性验算、挡墙墙身正截面强度和稳定性验算、挡墙地基承载力验算。但作为长度较大的大截面抗滑桩，由于抗滑桩一般情况下均竖向布置，对其垂直度有着明确而严格的要求，防止其倾斜度超限而影响抗滑桩结构与周边岩土体的受力形式。因此，根据规范忽略抗滑桩侧摩阻力和桩身重力与桩底反力的假定，抗滑桩背所受到的作用力主要为主动土压力或坡体的下滑力，并以两者的大值作为控制性的作用力。通过以上说明，抗滑桩与挡墙的计算模型在工程实践中是有差异的，不能套用挡墙的计算模型用于抗滑桩的计算。由此，作用于桩背的下滑力虽然是以一定的倾角作用于抗滑桩背，但抗滑桩身只考虑下滑力的水平方向分力，即推力是滑坡下滑力的水平分力，即作用于支挡结构物背部的推力与下滑力之间的关系为Ex=Ecosα，其中α为桩背处滑面与水平方向的夹角。其实，由于下滑力作用于桩背的竖向分力为Ey=Esinα，虽然其竖向分力有时可能较大，但抗滑桩作为大截面圬工工程是可以有效平衡其竖向分力的不利因素的。也就是说下滑力作用于墙背的竖向分力Ey只能是存在向下使抗滑桩“反向”变形，或加大抗滑桩周摩擦力与桩底地基承载力的“趋势”。而规范忽略抗滑桩侧摩阻力和桩身重力与桩底反力的假定，说明作用于桩背的下滑力竖向分力可由抗滑桩的桩侧摩阻力和桩身重力与桩底反力等进行平衡的，其影响是可以忽略的。此外，即使作用于桩背的竖向分力为Ey对于桩身中性轴来说可以产生反向弯矩，但这对于抗滑桩身来说是有利的。但将其与水平向分力Ex在长大桩身上形成的正向弯矩来说，其作用是可以忽略的。因此，作为安全储备将其忽略是可行的。最后，虽然很多规范或文献中存在将作用于桩背的下滑力与推力混用的情况，但有一点是共同而明确的，那就是作用桩身的分布形式无论是“三角形、梯形还是矩形”，其作用方向都是垂直桩身，这也就侧面说明了作用于桩背的是下滑力的水平分力。此外，在规范中有一点是明确了的，那就是桩板式挡墙以竖直墙面为计算墙背，桩及挡土板后的计算仅墙后主动土压力的水平分量，主动土压力的竖直分量可不计入。当然，规范在此用了一个“可”字，其用意就是说如果一定要深入的细究竖向分量，也是可以计入的，但只是这个竖向分量与水平分量相比较而言对桩板墙的影响作用是可以忽略的。综上，虽然抗滑桩的计算的理论模型与公式可能不同的规范、不同的行业存在一定的差异，但这种差异是比较小的。只要抗滑桩按规范严格控制垂直度，将桩体设置于能有效提供锚固力的地层，而非设置于软弱地基层的抗滑桩背处作用力，在工程实践的计算中只考虑下滑力的水平向分力，而对下滑力的竖向分力不予考虑是可行的，对抗滑桩的计算影响是可以忽略的。当然，竖向分力在进行理论研究时是可以针对不同的地质模型、计算模型进行深入探讨。因为无论岩土工作者考虑与不考虑，竖向分力都是存在的，虽然它可能不会影响抗滑桩的受力大局。
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