庫岸邊坡抗滑樁上滑坡推力研究現狀綜述

熊啟東，孔凡林，李成芳

（重慶市建筑科學研究院 重慶 400015）

1 庫水位漲落對斜坡穩定性的影響

斜坡變形破壞的發展及其相應的穩定狀態取決于斜坡本身所賦存的地質環境條件。當地質環境發生變化時，斜坡變形破壞發展與穩定狀態必然相應地發生變化。

水庫庫岸滑坡特殊性表現為它的活動與庫水位的漲落關系密切。水庫蓄水以后，隨著庫水位上升及周期性漲落，岸坡巖土體在水的作用下軟化，波浪對岸坡沖刷搬運、庫水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用，導致岸坡工程地質條件發生變化，使得塌岸的可能性增大。如果庫水位快速降落，坡體內的地下水位回升之后來不及同庫水位同步降落，高、低水位之間的水體所產生的向坡體外的滲透壓力將成為對滑坡體的穩定性極為不利的因素，往往是導致滑坡的誘因。水庫引起的滑坡包括蓄水初期水位上升引起的滑坡和水位驟降引起的滑坡。瓊斯 (Jones)等調查了羅斯福 (Roosevelt)湖附近地區1941～1953年發生的一些滑坡，結果發現，49%的滑坡發生在1941～1942年的蓄水初期，30%發生在水位驟降10～20m的情況下；而在日本，大約60%的水庫滑坡發生在水位驟降階段[1]。因此，由庫水位漲落導致的滑坡和邊坡失穩將成為庫岸邊坡蓄水后最常見和最嚴重的地質災害。

在三峽地區，由于庫區蓄水和季節性水位漲落等因素的影響，邊坡的原始平衡遭到破壞，進而導致邊坡失穩甚至發生滑坡災害，這在很大程度上直接威脅到庫岸人民的生命財產安全，如何及時可靠地對失穩邊坡(滑坡)進行有效的加固治理和監測預報，防止滑坡地質災害的發生，是三峽工程運營期面臨的最重要的巖土工程問題之一，在一定程度上也是衡量三峽工程建設成敗的一個重要標志。

2 庫岸滑坡治理的主要措施

國內外防治滑坡的工程措施雖然很多，歸納起來，主要有三類[2]：一是滑面含水量的增加很容易導致滑坡的失穩，因而需要排除地表水、地下水或減輕庫水對坡腳的沖刷等危害；二是改變滑坡體外形、設置抗滑建筑物，即削坡減載和設置支擋工程措施；三是改善滑動帶土石性質，如焙燒法、爆破灌漿等。由于滑坡成因復雜、影響因素多，因此常常需要上述幾種方法同時使用、綜合治理，方能達到目的。相比之下，第三類措施的實施有一定難度，而且效果也不是很理想，因此防治滑坡主要采用前兩種方式。但是對于庫岸滑坡體來說，由于水位上升，必然結果是滑坡體的含水量隨之增大，無法排除地下水及庫水對坡腳沖刷等影響，這樣，削坡減載和設置支擋工程措施就成為庫岸滑坡的主要防治手段。當滑坡問題較為嚴重，采用排水、削坡等措施不足以完全治理時，主要采取抗滑樁整治邊坡，往往具有抗滑能力強、施工安全簡便、工期短速度快等突出優點，同時也可以和其它邊坡治理措施靈活地配合使用。在庫區地質災害的防治中，抗滑樁具有很強的適應性，適用于滑面較深的大型滑坡，對滑坡穩定性和地質環境干擾小，成為滑坡地質災害治理中的一種主要的方法。

3 抗滑樁上滑坡推力分布圖式研究現狀

長期以來，抗滑樁作為一種支擋抗滑結構物而廣泛應用于滑坡及邊坡的穩定性治理中。在國內外自20世紀60年代中較成功地開始使用抗滑樁以來，至今已有40余年的歷史。在60～70年代末近10年的時間里，國內抗滑樁較多地應用于鐵路滑坡治理中，并取得了良好的效果。早期的抗滑樁的設計主要參照樁基的設計推導演變而來，70年代末以來國內外許多研究者對抗滑樁的設計理論、方法和參數進行了廣泛的研究，并結合實際工程進行了現場測試，使得抗滑樁設計理論自80年代初以來逐步完善[3]。隨著對抗滑樁研究的重視，建立在理論分析、試驗基礎和數值模擬上的計算方法，越來越接近于其實際受力狀況，使抗滑樁在地質災害防治中得到了廣泛的應用。

抗滑樁上滑坡推力的分析方法，歸納起來主要有壓力法、位移法和有限元單元法[4]。位移法和有限元法可以較為準確地模擬地基和荷載條件，位移法的主要缺點是對土體自由時的位移估算不準，而有限元法是一種很有發展潛力的方法。對于工程應用而言，壓力法由于其計算簡便而得到廣泛的應用，用壓力法計算抗滑樁的最大問題就是作用于樁上的荷載如何確定。工程設計計算中一般認為作用于樁上的荷載為相鄰兩抗滑樁中心距之間的滑體所產生的滑坡推力，滑坡推力的計算根據邊坡的極限平衡穩定性分析方法確定。

滑坡推力分布形式的研究試驗資料較少，且國內外是有區別的[5]，國外多將滑坡體視為散體，用三角形分布，合力作用點為滑面以上樁長的下三分點，如日本學者認為滑坡滑動時，滑坡推力主要集中在滑動面以上1～2 m處，因而認為用三角形分布較為合適。而國內一些學者分別從滑坡體的巖土體物質(如粘土、砂土、巖石、土夾石等)、地基系數、液性指數等指標來定義推力的分布，采用的方法有滑坡現場試樁實測、抗滑樁室內模型試驗、有限元應力法等。

潘家錚[2]建議如果滑體沿斷面高度均勻往下變形，地基系數為常數，推力呈均勻分布；如果地基系數沿斷面高度呈線性變化，則推力呈三角形分布；如地基系數在頂部呈線性變化，在底部為常數，則推力呈梯形變化。其次，當滑坡體的變位，頂部大、底部小，在上述三種地基系數情況下，荷載將分別呈倒三角形、拋物線形及兩者混合形的分布。反之，當滑坡體的變形是頂部小、底部大，則荷載分布又將呈三角形、二次曲線形及其混合形式。

鐵道部《抗滑樁設計與計算》中建議[3]，如果滑體的變形是均勻往下蠕動，當滑體是一種粘聚力較大的地層(如粘土、土夾石等)，其推力分布圖形可近似按矩形考慮。如果滑體是一種以內摩擦角為主要抗剪特性的堆積體，其推力分布圖形可近似按三角形考慮，甚至按二次曲線考慮，介于以上兩者間的情況，可假定為梯形。對滑動面以上土體抗力的分布圖式，一般均按三角形考慮。

而一些滑坡現場試樁的實測資料表明[6]，當滑坡體為抗剪特征以內摩擦角為主的滑體，如堆積層、破碎巖層時，滑坡推力接近于地表為零、頂點在滑動面略上的拋物線，合力作用點在滑體厚度一半位置處及其以上；當滑坡體為抗剪特征以粘聚力為主的滑體，如粘性土時，當抗滑樁處于彈性階段時，剩余抗滑力基本上呈倒梯形分布；進入彈塑性階段后，剩余抗滑力圖形逐漸變為地表不為零的拋物線形。

徐良德等[7]對滑體為松散介質時樁前抗力的分布作了實驗分析，認為當滑體為松散介質(如砂土)時，下滑力基本上為三角形；當滑體為粘性土時，下滑力接近于頂點位于滑面附近的拋物線分布。

戴自航[8]認為，滑坡推力分布及其合力作用點位置受滑坡的類型、滑動面形狀、部位、地層性質、抗滑結構變形情況及地基系數等綜合因素的影響，但主要與滑坡體結構和抗滑結構物的受力變形有關。對于以抗滑樁為主的柔性支擋結構，其實際受力狀態是，一般情況下，由于樁頭附近變位比下部大，因而受力比下部小，又由于滑體與滑動面間存在摩擦，因而滑面附近推力又有所減少；適當降低滑坡推力的合力作用點位置和提高土體抗力合力作用點位置，更符合抗滑樁實際受力狀態，依此設計抗滑樁將更為經濟合理，可有效地提高滑坡治理設計水平。

李海光[9]提出，滑坡推力的應力分布圖形應根據滑體的性質和厚度等因素確定。對于液性指數較小、剛度較大和較密實的滑體，頂層和底層的滑動速度大致是一致的，抗滑樁上的滑坡推力的分布圖形為矩形；對于液性指數較大、剛度較小和密實度不均勻的塑性滑體，其靠近滑面的滑動速度較大而滑體表層的滑動速度則較小，滑坡推力的分布圖形為三角形；對于介于上述兩者之間的情況可假定分布圖形為梯形。

鄭穎人院士[10]根據強度折減有限元計算結果，得到了抗滑樁上各點的水平應力，又通過圖形顯示而得到滑面以上樁后、前的水平應力分布，認為滑坡推力分布圖形接近弓形分布或者叫做拋物線分布，這與現場實測結果比較一致，與傳統方法的假定有一定的出入。

由此可見，國內外學者雖然對抗滑樁受力情況進行了研究，但在滑坡體推力分布特征方面，沒有對庫岸巖土體在水位漲落等情況下，樁身土壓力分布特性進行深入研究。

4 庫岸抗滑樁在水位漲落工況下的受力特性分析

在滑坡演化發展的過程中，弄清抗滑樁所受的滑坡推力演化規律是至關重要的，它將作為滑坡失穩與否的判據，為地質災害的防治提供可靠的理論和實際依據。抗滑樁設計中最基本、最關鍵的問題就是抗滑樁在滑坡體的推動下，樁身與周圍巖土體之間作用力的分布特征，也可以說滑動面以上滑坡體對樁身推力的分布特征，而滑坡體的組成結構影響了滑坡推力的分布規律及樁身的內力分布，將決定抗滑樁的工程造價，并對設計的安全性與合理性產生重大的影響。

巖土工程界，在滑坡推力分布圖式的選擇上存在較大分歧，而分布圖式選擇得是否合理，直接影響著滑動面以上抗滑樁樁身內力的計算準確與否。在抗滑樁設計中，滑坡推力的分布圖式常用的有三角形和四邊形[8]，如果視滑坡體為剛體，則推力為矩形分布，其合力作用點在全高的1/2處；如果視滑坡體為散體，則推力為三角形分布，其合力作用點接近全高的1/3。而二者造成的傾覆力矩相差很大，將影響到抗滑樁的直徑大小和埋置深度。事實上，岸坡巖體既不是剛體也不是散體，而是介于兩者之間的一種介質狀態。三峽庫區經過一期、二期和三期蓄水后，大量滑坡的加固治理工程將全部或部分浸沒在水中，抗滑樁和地質體的相互作用在很大程度上還受到庫區蓄水和長期庫水位升降作用的影響，改變了庫岸滑坡體內的水文地質條件，水位上升時造成地下水位抬高，潛在滑帶面浸水范圍擴大，強度降低，減小阻滑力；水位驟降時產生動水壓力，增大了下滑力，從而影響庫岸邊坡上滑坡推力的分布特征。因此，對于庫區邊坡而言，在進行抗滑樁加固、設計計算方法的理論和試驗研究中，需要考慮庫區蓄水和水位循環漲落這一重要因素對庫岸邊坡抗滑樁上滑坡推力的影響，而在動水壓力作用下，抗滑樁滑坡推力實際分布圖式這一研究方面，是直接采用通用的三角形或梯形分布圖形，與實際受力狀態存在差別，勢必造成潛在的浪費或存在不穩定因素[11]，因此，對庫岸邊坡抗滑樁上滑坡推力分布特征進行深入研究具有重要意義。

計算庫水位作用下的滑坡推力，必然涉及到浸潤線的確定。目前，浸潤線的確定方法還沒有統一的方法，工程上常用的有兩種方法:第一種方法為，用水位下降前后的一條直線作為浸潤線；第二種方法為，將滑體下三分之一線作為浸潤線，這些方法均缺乏理論依據，鄭穎人等[12]根據包辛涅斯克(Boussinesq)非穩定滲流微分方程，通過拉普拉斯正變換和逆變換，得到了庫水位下降時坡體內浸潤線的簡化計算公式，為工程應用提供了一種科學的計算手段。

5 結語

庫岸邊坡治理中，抗滑樁所受滑坡推力的分布圖式，有別于通常采用的三角形及梯形，它受水位漲落的影響而變化，對這一領域進行深入研究，具有重要的工程意義。

[1]王德詠.庫水位上升對千將坪滑坡的影響研究[J]災害與防治工程，2007，(2).

[2]潘家錚.建筑物的抗滑穩定和滑坡分析，北京:水利出版社，1980.

[3]鐵道部第二勘測設計院.抗滑樁設計與計算[M].北京：中國鐵道出版社，1983.

[4]和海芳等.抗滑樁設計推力計算方法研究[J].工程地質學報，2008，16[5].

[5]朱大勇等.基于余推力法的邊坡臨界滑動場[J].巖石力學與工程學報，1999，18(6).

[6]趙明華等.傾斜荷載下高陡邊坡橋梁基樁內力計算[J].巖石力學與工程學報，2006，25(11).

[7]徐良德，等.滑體為松散介質時樁前滑體抗力分布[J].滑坡文集編委會.滑坡文集[C].北京:中國鐵道出版社，1988.

[8]戴自航.抗滑樁滑坡推力和樁前滑體抗力分布規律的研究[J].巖石力學與工程學報.2002，21(4).

[9]李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京:人民交通出版社，2004.

[10]鄭穎人等.有限元強度折減法在土坡與巖坡中的應用[J].巖石力學與工程學報.2004，23(19).

[11]王學武.三峽庫區水位升降作用對庫岸邊坡影響研究[D].成都:成都理工大學，2005.

[12]鄭穎人等.庫水位下降時滲透力及地下水浸潤線的計算[J].巖石力學與工程學報.2004，23(18).