２０１２年９月 第９期（总１６８） 铁道工程学报 Ｓｅｐ ２０１２ ＪＯＵＲＮＡＬ ＯＦ ＲＡＩＬＷＡＹ ＥＮＧＩＮＥＥＲＩＮＧ ＳＯＣＩＥＴＹ ＮＯ．９（Ｓｅｒ．１６８） 文章编号：１００６—２１０６（２０１２）０９—００４５—０４ 钢管微型桩极限抗滑力的工程实例分析 马周全 （中铁西北科学研究院有限公司， 兰州７３００００） 摘要：研究目的：微型桩具有施工简便、施工快速、布置灵活、抗滑能力较强的特点，在山区边坡（滑坡）加固中 得到了广泛的应用。基于钢管微型桩加固边坡的破坏实例，采用有限元方法进行反分析，对钢管微型桩的极 限抗滑力进行研究。 研究结论：对于采用了桩顶连系梁的钢管微型桩组合结构而言，桩后滑坡推力呈上部大、中间小、下部大 的“ｕ”型分布形式；桩前土体抗力呈上部大下部小的倒三角形分布。钢管微型桩组合结构（四排钢管桩＋连 系梁）的极限抗滑力为５９６ ｋＮ，单根钢管微型桩的平均极限抗滑力为１４９ ｋＮ。在实际工程中，可采用改良桩 问土、桩前设置支撑结构、优化结构布置形式等工程措施来提高钢管微型桩的抗滑能力。 关键词：微型桩；极限抗滑力；有限元；顺层边坡 中图分类号：Ｕ２１３ 文献标识码：Ａ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｅｘａｍｐｌｅ Ａｎａｌｙｓｉｓ ｏｆ Ｌｉｍｉｔ Ｓｌｉｄｉｎｇ Ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ Ｓｔｅｅｌ Ｐｉｐｅ Ｍｉｃｒｏ——ｐｉｌｅ ＭＡ Ｚｈｏｕ——ｑｕａｎ （Ｎｏｒｔｈｗｅｓｔ Ｒｅｓｅａｒｃｈ Ｉｎｓｔｉｔｕｔｅ Ｃｏ．Ｌｔｄ ｏｆ ＣＲＥＣ，Ｌａｎｚｈｏｕ，Ｇａｎｓｕ ７３００００，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｐｕｒｐｏｓｅｓ：Ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ ｈａｓ ｂｅｅｎ ｗｉｄｅｌｙ ｕｓｅｄ ｉｎ ｔｈｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｉｎ ｔｈｅ ｍｏｕｎｔａｉｎｓ ｓｌｏｐｅ（１ａｎｄｓｌｉｄｅ）ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｆｅａｔｕｒｅ ｏｆ ｓｉｍｐｌｅ，ｒａｐｉｄ ｃｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎ，ｌａｙｏｕｔ ｆｌｅｘｉｂｉｌｉｔｙ ａｎｄ ｓｔｒｏｎｇ ｓｋｉｄ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ．Ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｆａｉｌｕｒｅ ｅｘａｍｐｌｅｓ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ ｓｌｏｐｅ，ｕｓｉｎｇ ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ ｍｅｔｈｏｄ ｔｏ ｒｅｓｅａｒｃｈ ｔｈｅ ｌｉｍｉｔ ｓｌｉｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ｔｈｒｏｕｇｈ ｂａｃｋ ａｎａｌｙｓｉｓ． Ｒｅｓｅａｒｃｈ ｃｏｎｃｌｕｓｉｏｎｓ：Ｔｈｉｓ ｓｔｕｄｙ ｓｈｏｗｅｄ ｔｈａｔ，ｆｏｒ ｔｈｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ｔｈａｔ ｕｓｉｎｇ ｐｉｌｅ—ｃａｐ—ｂｅａｍ ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｔｈｅ ｌａｎｄｓｌｉｄｅ—ｔｈｒｕｓｔ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｂａｃｋ ｏｆ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｉｓ ｂｉｇ ｉｎ ｔｈｅ ｅｎｄ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｉｎ ｔｈｅ ｍｉｄｄｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ’’Ｕ” ｔｙｐｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｏｒｍ；Ｓｏｉｌ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｂｅｆｏｒｅ ｔｈｅ ｐｉｌｅ ｉｓ ｂｉｇ ｔｏｐ ａｎｄ ｓｍａｌｌ ｂｏｔｔｏｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｉｎｖｅｒｔｅｄ ｔｒｉａｎｇｕｌａｒ ｄｉｓｔｉｒｂｕｔｉｏｎ．Ｌｉｍｉｔ ｓｌｉｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ｃｏｍｐｏｓｉｔｅ ｓｔｕｃｔｒｕｒｅｓ ｆ ｆｏｕｒ ｒｏｗ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｐｉｌｅ＋ｃｏｎｔａｃｔ ｂｅａｍ）ｉｓ ５９６ ｋＮ，ｓｉｎｇｌｅ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ ａｖｅｒａｇｅ ｌｉｍｉｔ ｓｌｉｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ ｏｒｆ １４９ ｋＮ．Ｉｎ ｐｒａｃｔｉｃａｌ ｐｒｏｊｅｃｔｓ，ｔｈｅｓｅ ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ ｍｅａｓｕｒｅｓ ｃａｎ ｂｅ ｕｓｅｄ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ａｎｔｉ—－ｓｌｉｄｉｎｇ ａｂｉｌｉｔｙ ｏｆ ｓｔｅｅｌ ｐｉｐｅ ｍｉｃｒｏ——ｐｉｌｅ ｓｕｃｈ ａｓ ｍｏｄｉｆｙ ｂｅｔｗｅｅｎ ｐｉｌｅ ｓｏｉｌ，ｓｅｔｔｉｎｇ ｓｕｐｐｏ￣ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｂｅｆｏｒｅ ｐｉｌｅ，ｏｐｔｉｍｉｚｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ｄｉｓｔｒｉｂｕｔｉｏｎ ｆｏｒｍ，ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅ；ｌｉｍｉｔ ｓｌｉｄｉｎｇ ｒｅｓｉｓｔａｎｃｅ；ｆｉｎｉｔｅ ｅｌｅｍｅｎｔ；ｂｅｄｄｉｎｇ ｓｌｏｐｅ 微型桩一般是指桩径小于３００ ｍｍ且长细比较大 泥浆即可…，插入钢管的则称为钢管微型桩，也可简 的钻孔灌注桩，也称为小口径灌注桩、树根桩等。它施 工简便，一般在坡体上钻孔，在孔内插入钢筋、钢管、钢 轨等抗剪力较强的筋材，再向孔内灌注水泥砂浆或水 称为钢管桩。将一定数量的钢管桩按一定的组合形式 和连接方式组成组合结构，可以利用钢管桩材料的抗 剪强度较好地抵抗滑坡推力。凭借钢管桩的施工快 收稿日期：２０１２—０２—１０ 作者简介：马周全，１９６３年出生，男，高级工程师。 ４６ 铁道工程学报 ２ｏ１２年９月 速、布置灵活、抗滑能力较强的特点，在山区边坡（滑 坡）加固中，尤其是在震后边坡快速修复工程中得到 了广泛的应用 Ｊ。钢管桩的水平承载力，即抗滑力 的确定是钢管桩加固边坡（滑坡）设计中最重要的内 容之一。闫金凯 等采用模型试验研究了微型桩单 桩加固滑坡体的承载机理、受力情况及破坏模式，结果 表明，微型桩可有效提高边坡的稳定系数，采用微型桩 加固边坡后，可将滑坡的稳定系数由０．９６提高至 １．３５；微型桩所受的滑坡推力呈上小下大的三角形分 布，桩前抗力呈上大下小的三角形分布，且随加载量的 增加合力作用点逐渐向滑面靠近；微型桩于滑动面附 近发生破坏，其破坏模式可判断为弯剪破坏。 Ａｎｄｒｅｗ 通过大规模的模型试验研究了边坡处理中 微型桩的荷载作用机理，指出若微型桩和地表的连系 梁结合起来，微型桩抗滑结构可以很大程度地提高边 坡的稳定性。 本文基于钢管桩加固边坡工程的现场破坏情况， 采用有限元方法进行反分析，确定了钢管桩的极限抗 滑力。首先介绍了边坡的地质条件、变形破坏情况，并 从地质分析角度对变形原因进行了探讨。然后采用有 限元方法模拟了现场边坡的实际破坏过程，并将计算 结果同现场破坏现象进行了比对，反分析得到了钢管 桩的实际极限抗滑力。最后给出了一些提高钢管桩抗 滑能力的工程措施建议。 １边坡现场破坏情况 渝湘高速公路黔江一彭水段Ｋ １７＋６９０～＋８６０ 段为一挖方路段，出露的地层为砂岩、炭质泥岩互层， 岩层顺倾，采用钢管桩进行加固，其设计断面如图１所 示。在边坡开挖过程中，边坡出现了沿层面产生的滑 动变形，调查中发现该滑坡的变形分为两部分，其中Ｋ １７＋６９０～＋７８０段设置钢管桩后在其前部设置挡墙， 目前挡墙已经施工完成，墙后的钢管桩出现了弯曲变 形，以上边坡未出现明显的变形迹象；Ｋ １７＋７８０～ ＋８６０段前部钢管桩均已产生变形破坏，挡墙尚未实 施，后部在坡口线以外约２５ ｒｎ处出现贯通的裂缝，缝 宽２０～３０ ｅｍ，局部下错约０．５～２．０ ｍ。变形原因分 析：（１）总体而言，该段坡体的变形仍为顺层岩石滑动 变形，其滑动面为灰色的炭质泥岩，滑坡上部岩体沿黑 色炭质泥岩产生滑动变形。（２）当地的暴雨影响也是 坡体变形的一个主要原因。暴雨期间，大气降水难以 尽快排出坡体，使得大量雨水下渗至相对隔水的泥岩 顶面汇集，软化泥岩表层，降低其抗剪强度，在重力作 用下产生滑动变形。 图１钢管桩加固边坡设计断面图 ２极限抗滑力计算 采用有限元方法进行计算，计算软件采用国际广 泛使用的岩土工程专业程序ＰＬＡＸＩＳ。 ２．１计算模型 选取滑坡主轴断面进行分析，根据现场的破坏情 况，将坡体分为滑体和滑床两部分，微型桩设置于滑坡 前部，由于滑坡滑动出现在挡墙基础开挖施工过程中，丁 ●● ●』 因此计算中不考虑挡墙的支挡作用，并将开挖面设置 于挡墙基底。岩体采用高精度１５节点三角形单元进 行网格离散，钢管桩及桩顶连系梁采用梁单元离散，桩 体附近适当加密，离散后共计单元数５３２个，节点数 ４６９５个。模型边界除顶部自由外，其余均采用对称约 束边界条件。离散后的有限元模型如图２所示。计算 工况包括３步：（１）生成初始自重地应力场；（２）施加 钢管桩结构；（３）开挖坡体。 图２有限元模型（单位：ｍ） ２．２本构关系及材料参数 滑体及滑床视为弹塑性摩尔一库仑材料，钢管桩 及连系梁采用梁单元模拟，视为线弹性材料，滑面采用 接触单元进行模拟，服从摩尔一库仑屈服准则。各项 材料参数如表１所示。 第９期 马周全：钢管微型桩极限抗滑力的工程实例分析 表１岩体及结构物理力学参数 ４７ 岩体类型 重度 ／（ｋＮ／ｍ ） 模量Ｅ ｝白松比 ／ＭＰａ 粘聚力ｃ 内摩擦角 结构类型 重度 ／ｋＰａ ／（。） Ｅ ， １６８ｅ６ ．Ｅｌ／ 泊松比肛 ／（ｋＮ／ｍ ） （ｋＮ／ｍ） （ｋＮ・ ／ｍ） 滑体 滑面 ２２ — ３００ — ０．３ — ３００ １０ ３Ｏ １８ 连系梁 ２５ １．２６ｅ４ ０．２Ｏ 滑床 ２２ ３５０ Ｏ．３ ３３０ ３２ 钢管桩 ２５ ５．１ｅ５ ７１８ Ｏ．２２ ２．３极限抗滑力分析 钢管桩的极限抗滑力是指其抵抗水平荷载的最大 能力，极限抗滑力的确定对于钢管桩的合理设计具有 重要的意义。渝湘路顺层边坡段，钢管桩预加固后，挡 墙基脚开挖引发顺层滑动，钢管桩变形破坏，相当于进 行了一次大型的现场破坏试验，可以粗略地认为此时 作用在钢管桩上的滑坡推力相当于钢管桩的极限抗滑 力，本文的数值模拟则再现了这一破坏过程，从而可根 据计算结果确定出钢管桩的极限抗滑力。数值计算得 到的开挖后边坡及钢管桩的变形破坏情况如图３所 示。边坡整体沿位于开挖面底部的软弱结构面发生顺 层滑动。首先是坡体前部牵引式滑动，现场表现为前 部岩土体解体破坏；钢管桩的桩前抗力减小，前部钢管 桩首先开始变形破坏，破坏形式主要表现为滑动面处 的弯剪破坏以及桩顶与连系梁节点处的受弯破坏，引 发后部钢管桩产生递进式破坏；坡体破坏面由前向后 扩展，坡体后部出现大范围的剪切破坏区，后缘出现受 拉破坏区，这与现场出现的坡体后缘拉裂缝区是吻合 的。数值分析得到的坡体及钢管桩的破坏情况与现场 情况基本吻合，验证了该数值模型的合理性。 图３开挖后边坡及钢管桩变形破坏 将四排钢管桩及桩间土视为一个整体，提取滑面 以上后排桩桩后水平推力以及前排桩桩前土体抗力绘 制曲线图，如图４所示。由图可知，桩后滑坡推力沿桩 深的分布规律为最大值出现在桩顶，随着桩深的增加 迅速降低至最小值，然后基本保持恒定，在接近滑面约 ０．５ ｍ位置处又开始增加，整体呈“ｕ”型分布。桩前 土体抗力的最大值同样位于桩顶，然后逐渐减小至零， 整体呈倒三角形分布。 将桩后水平推力与桩前土体抗力相减，得到作用 在桩（四排钢管桩）上的水平外力如图５所示，该水平 外力即为钢管桩的极限抗滑力。由图中可以看出，作 用在钢管桩的水平外力分布形式为两头大、中间小，呈 “Ｕ”型分布。桩上水平外力的这种分布形式与钢管桩 的布置形式有关，服从按刚度进行分配的原则，桩顶处 采用了刚度较大的连系梁连接，其等效水平刚度相对 较大，故在桩顶处出现一个峰值；同样在靠近滑面的位 置，虽然滑带岩体发生剪切屈服，刚度陡降，但滑床岩 体刚度仍然较大，故在靠近滑面处出现另一个峰值。 计算出桩上水平外力的合力，可以得到四排钢管桩 （单宽滑体情况下）的极限抗滑力，即３９７ ｋＮ／ｍ，考虑 到钢管桩的横向间距为１．５ ｍ，故四排钢管桩的极限抗 滑力为５９６ ｋＮ，单根钢管桩的极限抗滑力为１４９ ｋＮ。 桩土水平作用力／ｋＮ ０ ５０ １０ｏ １５０ ２００ ２５０ ３００ ３５０ ０．０ ０．５ １．Ｏ １．５ 隧２．ｏ 担 ２．５ ３．０ ３．５ ４．０ 图４桩土作用力沿桩深的分布 ３提高钢管桩抗滑能力的措施 钢管桩属于微型桩的一种，具有长细比大、拉压承 载力高、抗弯承载力低的特点，当用于边坡（滑坡）加 固时，其抗滑能力的大小与多种因素相关。在实际工 程针对不同情况采取相应工程措施，充分利用有利因 素，避免不利因素，这对于提高钢管桩的适应能力并同 时节省工程投资是非常有益的。 提高钢管桩抗滑能力的工程措施具体如下。 ３．１改良桩间土 钢管桩通常设置为多排，桩与桩间土可视为一个 等效连续墙，桩相当于钢筋，土相当于混凝土，由钢筋 ４８ 铁道工程学报 ２０１２年９月 桩受的水平外力／ｋＮ ０ ５０ １００ １５０ ２００ ２５０ ３００ ０．０ ０．５ １．０ １．５ 账２．０ ２．５ ３．０ ３．５ ４．Ｏ 图５桩所受的水平外力沿桩深的分布 混凝土设计原理可知，提高混凝土的性能可有效增大 连续墙的水平承载能力，故可采用注浆等方式提高桩 间土的力学性质，增大抗滑能力。 ３．２桩前设置支撑结构 可在桩前设置挡墙或在桩顶施加锚索，提高桩前 抗力，避免钢管桩递进式破坏。从本文的工程实例可 以看出，桩前设置了挡墙的边坡，钢管桩变形较小，而 未设置挡墙的边坡，钢管桩前部失去支撑，发生弯剪 破坏。 ３．３优化结构布置形式 桩顶设置横向和纵向连系梁（即框架式），或在桩 顶设置压顶板（即集束式），增加钢管桩的整体刚度； 对于推移式滑坡，在靠山侧采用较大直径，靠河侧采用 较小直径，对于牵引式滑坡，则相反；靠山侧钢管桩采 用斜向布置，增强其水平刚度；将钢管内的钢筋焊制在 钢管内壁上，相对于放置于中心位置，可提高桩体的抗 弯承载能力。 ４ 结论 基于钢管微型桩加固边坡的破坏实例，采用有限 元方法进行反分析，对钢管桩的极限抗滑力进行了研 究，可以得到以下结论： （１）对于采用了桩顶连系梁的钢管微型桩组合结 构而言，桩后滑坡推力呈上部大、中间小、下部大的 “ｕ”型分布形式；桩前土体抗力呈上部大、下部小的倒 三角形分布。 （２）钢管微型桩组合结构（四排钢管桩＋连系梁） 的极限抗滑力为５９６ ｋＮ，单根钢管桩的平均极限抗滑 力为１４９ ｋＮ （３）可采用改良桩间土、桩前设置支撑结构、优化 结构布置形式等措施来提高钢管桩的抗滑能力。 参考文献： 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Ｉ．Ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｔｏ Ｍｉｃｒｏｐｉｌｅｓ：ａｎ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｐｅｒｓｐｅｃｔｉｖｅ［Ｃ］／／Ｉｎ： Ｗｉｌｌｉａｍ Ｆ Ｋ ｅｄ．Ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ Ｕｐｇｒａｄｉｎｇ ａｎｄ Ｒｅｐａｉｒ ｆｏｒ Ｉｎｆｒａｓｔｒｕｃｔｕｒｅ Ｉｍｐｒｏｖｅｍｅｎｔ．Ｎｅｗ Ｙｏｒｋ：Ｇｅｏｔｅｃｈｎｉｃａｌ Ｓｐｅｃｉａｌ Ｐｕｂｌｉｃａｔｉｏｎ，ＡＳＣＥ，１９９５． ［７］ 闫金凯，殷跃平，门玉明．微型桩单桩加固滑坡体的模型 试验研究［Ｊ］．工程地质学报，２００９（５）：６６９—６７４ Ｙａｎ Ｊｉｎｋａｉ，Ｙｉｎ Ｙｕｅｐｉｎｇ，Ｍｅｎ Ｙｕｍｉｎｇ．Ｍｉｃｒｏ Ｐｉｌｅ Ｒｅｉｎｆｏｒｃｅｍｅｎｔ Ｌａｎｄｓｌｉｄｅ Ｍｏｄｅｌ Ｔｅｓｔ ｌ Ｊ １．Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ Ｇｅｏｌｏｇｙ，２００９（５）：６６９—６７４． ｆ ８］ Ａｎｄｒｅｗ Ｚ Ｂｏｅｃｋｍａｎｎ．Ｌｏａｄ Ｔｒａｎｓｆｅｒ ｉｎ Ｍｉｃｒｏ—ｐｉｌｅｓ ｆｏｒ Ｓｌｏｐｅ Ｓｔａｂｉｌｉｚａｔｉｏｎ ｆｒｏｍ Ｔｅｓｔ ｏｆ Ｌａｒｇｅ—ｓｃａｌｅ Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｍｏｄｅｌｓ［Ｄ］．Ｃｏｌｕｍｂｉａ：Ｕｎｉｖｅｒｓｉｔｙ ｏｆ Ｍｉｓｓｏｕｒｉ— Ｃｏｌｕｍｂｉａ，２００６．
