抗滑桩的支护机理(使用Anti-Slide Pile还是Micro-Pile?)

1 引言

在受垂直载荷为主的地基工程中，桩的主要作用是承受垂直载荷，次要功能是承受水平载荷【水平载荷作用下桩的受力和变形分析方法；桩基础的分类(Classification of Piles)】，例如建筑物、桥梁桩和塔站使用的桩。桩也可用来阻挡纯的水平压力，例如排桩，在基坑开挖之前先在周边打一排桩，以此阻挡基坑开挖后的土的水平土压力。此外，桩也可用来支护边坡，即有一定倾斜角度的自然形成或人工开挖形成的非垂直边坡，如下图所示，通常我们把这种类型的桩称之为边坡的抗滑桩。抗滑桩与排桩不同之处在于确定滑移面以上的压力以及可以模拟锚固在岩石中的桩。

2 术语区分

当“抗滑桩”这个术语应用在地基工程和边坡工程以及英文翻译时常常会引起一些混淆和误解，因此在讨论抗滑桩的支护机理之前，有必要对这个术语进行概念上的解释。

(1) 在中文里，我们形象地把这种类型的桩称为抗滑桩，相应的英文翻译为Anti-Slide Pile，假如用这个关键词搜索，就会发现使用这个词的论文作者几乎全部来自中国国内，不过也有个别例外，例如岩土工程软件GEO5中有一个模块就称作Anti-Slide Pile，专门进行抗滑桩稳定性分析，但在其它国家，由于抗滑桩的主要功能是稳固岩土体，因此通常把抗滑桩称为Anchored Pile，翻译成中文就是“锚固桩”。工程师们按照不同的支护类型，抗滑桩经常称作“Anchored Sheet Pile” 或"Anchored Soldier Pile"。下图所示的是我以前为了方便设计编写的一个抗滑桩稳定性分析Sheet，计算原理使用的是AASHTO建议的设计方法[NYDOT (2007) Geotechnical Design Procedure for Flexible Wall Systems]。

(2) 特别注意的是，在地基工程中有一种类型的桩称作“微型桩(Micropile)”。按照地基工程学科的本义，Micropile通常指的是直径100mm~250mm，长度不超过30m的桩，我们在机器地基设计中使用的钢管桩就是典型的微型桩。不过，在一些边坡稳定性分析软件中，例如Slide和PLE，为了与其它支护类型相区别，有一种支护类型使用的是micro pile或micro-pile，在这些特定的计算环境中，它指的不是地基工程中的微型桩，而是指边坡工程中的抗滑桩Anti-Slide Pile。

3 支护机理

抗滑桩的支护机理与其他类型的支护机理不同，力的作用垂直于支护方向，而不是平行于支护方向。如同其他支护类型一样，滑动面必须与桩相交，这样支护才会对滑动面的安全系数产生影响。无论桩的方向如何，桩的破坏模式不考虑拉伸或拔出，唯一的破坏模式是穿过桩的横向剪切力(Shear)，如下图所示。

边坡每单位宽度施加的载荷F等于桩的剪切强度除以平面外的间距。桩的抗剪强度(Pile Shear Strength)，是指导致穿过桩的剪切破坏所需的剪切力, 是以力的形式(kN)输入的。这个值是根据桩的横截面尺寸和横截面单位面积的抗剪强度计算出来的桩的总抗剪能力。如同土钉的模拟一样，施力方式通常选择"被动"。当滑动面与桩相交时，所施加的力(即桩的抗剪强度)的默认方向(Force Direction)与假定的滑动面方向一致(Parallel to Surface)。

抗滑桩的破坏模式除了剪切破坏外，还有两种辅助的破坏理论：Ito & Matsui和EFW。

(1) Ito & Matsui(1975)---塑性变形

破坏模式假定桩被塑性变形的地层包围，作用在桩上的侧向力通过从桩顶到与滑动面相交处的积分来计算。这个力取决于土的粘聚力和内摩擦角，桩的直径和垂直有效应力。因此，对于单一材料，力将随着深度的增加而增加，然而如果桩与多种材料相交将有所不同，因为它取决于材料的特性。

(2) FEW---等效流体重量

EFW(Equivalent Fluid Weight)等效流体重量破坏模式主要用来分析挡墙底部的破坏，压力沿着桩长按梯形分布，以后再进行详细讨论。

4 分析例子

一个边坡的地层如下图所示，拟使用两根抗滑桩支护边坡。地层划分为5层，由三种材料组成。

计算的最小安全系数如下所示，详细过程可参看【抗滑桩支护边坡的稳定性分析(Stability of Pile/Micro Pile Reinforced Slope)】。

(1) 简化的Bishop = 1.346

(2) GLE/M-P = 1.315

(3) 简化的Janbu = 1.214

(4) Spencer = 1.315