不同截面形状抗滑桩的抗力

矩形抗滑桩工程自1960s在我国发明应用以来,由于其强大的抗力迅速在我国推广应用,成为治理大、中型滑坡或高大边坡的一支生力军,扭转了过于以抗滑挡墙为主的支挡工程在治理病害的中的被动局面,特别适合我半个多世纪以来人工成本较低的特点。
进入2010s以来,由于我国机械工艺的发展,以及人工成本的不断提高和改善施工环境的标准与要求越来越高,倒逼抗滑桩的发展出现了新的动态,即机械成孔的圆形抗滑桩与机械成孔的矩形(方形)抗滑桩在国内迅速推广,极大的丰富了抗滑桩家族成员,使人们在处治地质病害时有了更加宽裕的选择。

但是在工程应用中,由于对不同截面抗滑桩的抗力存在很大的误解,造成抗滑桩设置出现了较大的偏差。在此,笔者对不同截面形状的抗滑桩抗力计算时的差异进行说明(相同的方面不再赘述),供大家参考应用。

抗滑桩工程作为岩土工程支挡结构,由于与地质体的性质密切相关,因此,抗滑桩的抗力必须从地质和结构两方面考虑,这是岩土工程不同于结构工程最大的特点。

一、地质方面

地质体的稳定性是抗滑桩具有抗力的前提,正如一个人靠墙站立而受到外力推搡时,墙体的稳定是其能够不被摔到的前提。

无论什么形态的抗滑桩,必须要有良好的锚固地层,方能有效确保桩体的产生抗力。但不同截面形态的抗滑桩对锚固力的要求略有不同,正如胖子和瘦子所靠墙而站时所受到墙体反力面积不一样是一个道理。因此,不同截面形状抗滑桩的合理计算宽度是提供地质抗力的重要保证。换句话说,所谓抗滑桩的计算宽度,通俗的说就是桩前多大范围内的岩土体能为其提供抗力去平衡桩后的推力。

1、圆形抗滑桩计算宽度

由于抗滑桩所需要支挡力度较大,故一般情况下钢筋混凝土圆形抗滑桩的直径不宜小于0.8m,桩间距多数规范为3~5倍的桩径。

圆形抗滑桩的计算宽度Bp=0.9(1.5d+0.5)(d≤1m)    (1)

圆形抗滑桩的计算宽度Bp=0.9(d+1)(d>1m)           (2)

由此得出的计算宽度不应大于桩间距,否则取桩间距。

以常用的直径Φ2m的抗滑桩为例,其计算宽度为Bp=0.9×(2+1)=2.7m。

2、矩形抗滑桩计算宽度

由于抗滑桩所需要支挡力度较大,且考虑到施工的可行性,故人工开挖时宽度不宜小于1.25m,桩间距多数规范为5~8m。

矩形抗滑桩的计算宽度Bp=b+1                                         (3)

由此得出的计算宽度不应大于桩间距,否则取桩间距。

以常用的2×3m抗滑桩为例,其计算宽度为Bp=2+1=3m。

3、从以上圆形与矩形抗滑桩的计算宽度来看,矩形略胜一筹,一般较圆形抗滑桩高10%以上。

因此,以直径Φ2m的圆形抗滑桩与宽度为2m的矩形抗滑桩为例可以看出,圆形抗滑桩间距取桩径的3~5倍是偏于保守的,宜适当减小调整为桩径的2.5~4倍可能更好。

二、结构方面

结构是抗滑桩自身具有抗力的保证,正如一个人靠墙站立而受到外力推搡时,自身下盘稳定与否是其能够不被摔到的保证。

无论什么形态的抗滑桩都具有不同的抗力,但不同截面形态的抗滑桩自身提供抗力的能力是不同的。正如身体强健的人和气息奄奄人在受到外力推搡时的稳定性不一样是一个道理。因此,不同截面形状的抗滑桩是提供结构抗力是重要保证。

为了更有效的说明抗滑桩结构方面的抗力优劣,本次以截面积和配筋率等相同的不同形状抗滑桩进行探讨。

抗滑桩结构的抗力来源于桩身的抗剪和抗弯。对于结构抗剪来说,在截面积、配筋率等一致的情况下,不同形状的抗滑桩抗剪能力是相同的,也就是说没有本质区别。但对于桩身结构抗弯而言,不同形态的抗滑桩具有很大差异。
从抗滑桩的弯曲正应力强度条件可知,在弯矩一定的条件下,抗滑桩的工作应力与抗弯截面模量成反比。因此,抗滑桩的合理截面应是在截面面积相同的条件下,具有较大抗弯截面模量的截面形式。
一般来说,抗弯截面模量与截面高度h的平方成正比。所以,合理的截面形式应使抗弯截面模量尽可能增大,使截面面积尽可能分布在距中性轴较远处。同时,从抗滑桩横截面上的正应力分布规律来看,抗滑桩横截面上距中性轴最远处,各点正应力分别为最大拉应力或最大压应力。由此可见,为了充分发挥材料的抗弯潜力,就应使截面上最大拉应力和最大压应力同时达到材料相应的许用应力。
设不同形状的抗滑桩截面积相同,都为A,矩形截面的宽为b、长为h;正方形截面的边长为a;圆截面的直径为d。
矩形抗滑桩截面的面积和抗弯截面系数分别为:

圆形抗滑桩截面的面积和抗弯截面系数分别为:

以上矩形与圆形抗滑桩的抗弯系数相比可以得到:

由此,考虑到相同截面积的条件下,矩形桩的长边大于圆形桩的直径,这说明矩形桩在结构抗弯方面明显圆形桩具有更大的优势。

以常用的面积为2×3m的矩形抗滑桩,与截面积相同、直径为2.77m圆形抗滑桩相比,矩形抗弯强度:圆形抗弯强度=1.44,即矩形抗滑桩的抗弯能力要比圆形抗滑桩的抗弯能力高约44%以上,这可是一个相当可观的数字。

综上,从地质与结构中的主要方面分析来看,不同形状的抗滑桩对坡体推力的平衡能力上具有较大的差异,在有条件时宜尽量选用矩形抗滑桩。而如果条件所限必须采用圆形抗滑桩时,将可能造成工程造价的大幅提高,这是在抗滑桩工程设置所必须注意的。

以上内容在我的《公路工程斜坡病害防治理论与实践》一书中有详细介绍,欢迎大家参阅。

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