雙滑面滑坡雙排抗滑樁設(shè)計(jì)

李士超

(中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津 300251)

抗滑樁作為重要的支擋措施，在滑坡治理中應(yīng)用廣泛。對(duì)于大型滑坡，因其下滑推力極大，許多工程采用雙排抗滑樁，一些學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了一系列研究。熊志文、吳紅剛等分別進(jìn)行了雙排樁的室內(nèi)模型試驗(yàn)，分析雙排樁的滑坡推力分配特點(diǎn)[1-2]。呂美君、祈斌、申永江、梅敏、張程峰等研究了雙排樁的推力分配，以及樁排距對(duì)前后排樁推力分配的影響[3-7]。孫勇等利用鋼架法計(jì)算頂部設(shè)連梁的雙排抗滑樁，通過實(shí)例得出雙排樁較單排樁節(jié)省費(fèi)用的結(jié)論[8-9]。唐芬等研究了不同排距雙排樁承擔(dān)滑坡推力的特征，指出當(dāng)前后兩排樁達(dá)到一定距離后，雙排樁完全獨(dú)立工作，兩排樁均可達(dá)到最佳抗滑效果[10]。以下所討論的雙排樁即為排距足夠大且各自獨(dú)立工作的兩排抗滑樁。埋入式抗滑樁可有效降低滑面以上懸臂高度，進(jìn)而減小樁長(zhǎng)，降低投資，在滑坡治理中得到廣泛應(yīng)用。當(dāng)滑坡有兩個(gè)滑面時(shí)，樁頂高程受上層滑面的控制，懸臂高度難以有效降低，但通過設(shè)置多排抗滑樁，可對(duì)滑體分段進(jìn)行支擋加固，當(dāng)上排抗滑樁對(duì)上層滑體已進(jìn)行有效加固時(shí)，下排抗滑樁可不受上層滑面控制，從而可以降低懸臂高度，減小樁長(zhǎng)。以某雙層滑面滑坡的治理方案設(shè)計(jì)過程為例，探討雙排抗滑樁的特點(diǎn)及設(shè)計(jì)方法。

1 工程概況

某滑坡為牽引式滑坡，雨季發(fā)生滑動(dòng)，滑坡區(qū)域面積約為33 800 m2，滑坡體厚7～18 m，分布有上下兩層滑面，上層滑面(ABC)為土石界面，下層滑面(DBC)位于巖層內(nèi)，上下滑面之間最大距離近10 m，地震動(dòng)峰值加速度為0.10g(地震基本烈度Ⅶ度)。因臨近村莊，不具備清方卸載條件(見圖1、圖2)。

圖1 滑坡平面

圖2 滑坡剖面

2 抗滑樁設(shè)計(jì)

2.1 滑坡推力計(jì)算方法

我國(guó)鐵路與工民建行業(yè)常采用傳遞系數(shù)法，該方法對(duì)于傾角較緩、相互間變化不大的折線段組成的滑面較為適用。該方法有如下假定[2]：

①滑坡體不可壓縮，不考慮條塊間的擠壓變形。

②條塊之間只傳遞推力，不傳遞拉力。

③條塊間的剩余下滑力平行于前一塊的滑面方向且作用在分界面中點(diǎn)。

④取單位長(zhǎng)度寬的巖土體作為計(jì)算的基本斷面，不考慮兩側(cè)的摩擦力。

實(shí)際計(jì)算中，應(yīng)考慮一定的安全儲(chǔ)備(選用合理的安全系數(shù))，計(jì)算式為

Ei=KsWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

式中Ei——第i滑塊剩余下滑力/(kN/m)；

Ei-1——第i-1滑塊剩余下滑力/(kN/m)

Wi——第i滑塊重力/(kN/m)；

Ri——第i滑塊滑床反力/(kN/m)；

ψi——i-1滑塊對(duì)i滑塊的剩余下滑力傳遞系數(shù)，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；

φi——第i滑塊滑面上巖土體的內(nèi)摩擦角/(°)；

ci——第i滑塊滑面上巖土體的黏聚力/kPa；

li——第i滑塊滑動(dòng)面長(zhǎng)度/m；

αi——第i滑塊滑面的傾角/(°)；

αi-1——第i-1滑塊滑面的傾角/(°)；

在計(jì)算過程中，當(dāng)滑面有逆坡段時(shí)，其傾角為負(fù)值，Wisinαi也為負(fù)值(實(shí)際為抗滑力)，此時(shí)不應(yīng)再乘安全系數(shù)。

計(jì)算時(shí)，應(yīng)從上往下逐塊進(jìn)行，剩余下滑力可用以判斷滑坡體的穩(wěn)定性。如最后一塊的En>0，說明滑坡體在要求的安全系數(shù)下不穩(wěn)定，反之則穩(wěn)定。如果某一滑塊的Ei為負(fù)值或零，則說明本塊以上巖土體穩(wěn)定，下一條塊計(jì)算時(shí)無需考慮上一滑塊的推力。

當(dāng)安全系數(shù)Ks一定的條件下，給定c值，令En=0，則可通過試算法求出φ值，反之，給定φ值亦可反算出c值。

本文案例的滑坡傾角較緩，可采用折線滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法進(jìn)行計(jì)算。

2.2 滑面參數(shù)反算

滑面土體力學(xué)參數(shù)采用反算法確定，滑坡發(fā)生條件下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95，根據(jù)折線形滑面邊坡傳遞系數(shù)法，給定c=5 kPa，反算φ值。

由剖面可知，上下兩層滑面在后部(BC段)重合，需首先反算上層滑面(滑面ABC)的φ值。再將反算出的φ值賦予滑面BC段，反算下層滑面DBC中DB段的φ值。

經(jīng)計(jì)算，上層滑面c=5 kPa，φ=8.2°，下層滑面c=5 kPa，φ=9.73°。

根據(jù)地質(zhì)報(bào)告，土石分界線粉質(zhì)黏土飽和殘余剪切強(qiáng)度為：黏聚力c=7 kPa，內(nèi)摩擦角φ=21.9°。

巖石滑界黑色軟泥巖飽和殘余剪切強(qiáng)度為：黏聚力c=11 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10.6°。

與上述反算值對(duì)照后，取反算值計(jì)算剩余下滑力。

2.3 剩余下滑力計(jì)算

結(jié)合抗滑樁布置位置對(duì)滑體進(jìn)行條塊劃分，以便求出樁背處剩余下滑力。

本次下滑力計(jì)算，一般工況條件下安全系數(shù)為1.2，地震工況條件下安全系數(shù)為1.15，取不利的大值進(jìn)行抗滑樁檢算。

圖3 下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖4 上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

如圖3、圖4所示，剩余下滑力逐漸增大的段落為下滑段，剩余下滑力逐漸減小的段落為阻滑段，對(duì)滑坡進(jìn)行加固時(shí)，抗滑樁應(yīng)設(shè)置于阻滑段，按單排抗滑樁和雙排抗滑樁兩個(gè)方案分別進(jìn)行設(shè)計(jì)。

(1)單排抗滑樁方案

如圖3、圖4所示，對(duì)于下層滑面，滑塊16～18剩余下滑力逐漸減小，為阻滑段，樁應(yīng)設(shè)置于滑塊15之下，剩余下滑力為4 557.53 kN。由于需要同時(shí)抵抗上層滑面、下層滑面剩余下滑力的作用，上層滑面以上需保證足夠的樁長(zhǎng)。

(2)雙排抗滑樁方案

楊波、鄭穎人等提出應(yīng)使兩排樁受力較為接近的優(yōu)化準(zhǔn)則[3]，雙排抗滑樁方案可以此作為優(yōu)化目標(biāo)。對(duì)于下層滑面，由圖3可知，滑塊7剩余下滑力約為滑塊15剩余下滑力的一半。初步選定滑塊7與滑塊8之間為上排樁位置。

對(duì)于上層滑面(如圖5所示)，滑塊1～7為下滑段，滑塊8～17為阻滑段。采用上排樁對(duì)滑坡中后部進(jìn)行加固后，滑塊8及其以下部分能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)。

為驗(yàn)證這一點(diǎn)，將滑塊1～7對(duì)應(yīng)滑面φ值賦予一個(gè)足夠大的值，使滑塊1～7剩余下滑力均為負(fù)值，等效于滑塊1～7已被完全控制，不會(huì)發(fā)生滑動(dòng)。計(jì)算上排樁以下各滑塊剩余下滑力。

圖5 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

上層滑面計(jì)算結(jié)果如圖6所示，滑塊15、滑塊16、滑塊17剩余下滑力均為負(fù)值，表明上排樁實(shí)施后，滑塊8～滑塊17整體穩(wěn)定。

圖6 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對(duì)于下層滑面，將下排樁布置于滑塊15與滑塊16之間，由于上排樁已對(duì)滑塊1～滑塊7進(jìn)行擋護(hù)加固，下排樁僅需抵抗滑塊8～滑塊15產(chǎn)生的剩余下滑力。將滑塊1～滑塊7對(duì)應(yīng)滑面φ值賦予一個(gè)足夠大的值，使滑塊1～滑塊7剩余下滑力均為負(fù)值。計(jì)算滑塊8～滑塊18的剩余下滑力，計(jì)算結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖8 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對(duì)照?qǐng)D7、圖8可知，在上排樁施工后，滑塊8～滑塊18剩余下滑力明顯減小。其中，滑塊15剩余下滑力由4 557.53 kN減小為2 262.94 kN，降幅達(dá)50%，可見上排樁可有效減小下排樁樁背所受剩余下滑力。

上排樁、下排樁所受剩余下滑力分別為2 380.09 kN和2 262.94 kN，二者較為接近，較均衡地抵抗了剩余下滑力的作用。

2.4 抗滑樁檢算

在2.2中已經(jīng)確定了抗滑樁樁位，另外一個(gè)影響抗滑樁彎矩大小的因素為滑面以上的懸臂高度。

(1)擬定樁頂高程，進(jìn)行越頂檢算。檢算時(shí)可采用兩種方法：①對(duì)于土質(zhì)地層內(nèi)的剪出破壞，采用圓弧滑動(dòng)法，給定圓弧出入口范圍，通過搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面進(jìn)而求出安全系數(shù)，若安全系數(shù)大于目標(biāo)值(一般工況下不小于1.25，地震條件下不小于1.15)，則不存在越頂破壞。②假定剪出口位置及部分滑面，采用此前反算的滑面參數(shù)計(jì)算剩余下滑力，若最下側(cè)滑塊剩余下滑力大于零，則存在越頂破壞的情況，反之則安全。在確保不出現(xiàn)越頂破壞的前提下，應(yīng)盡量加大樁頂埋深。

(2)擬定樁長(zhǎng)、樁徑、樁間距。檢算樁身受力情況需滿足以下條件：①樁身作用于圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力不大于地基的橫向容許承載力。②樁截面在滿足規(guī)范規(guī)定配筋構(gòu)造要求的前提下，可提供足夠的正截面承載力及斜截面承載力。③當(dāng)滑坡范圍有民宅等建筑物時(shí)，還應(yīng)將樁頂位移限定在一定范圍內(nèi)。

(3)在滿足以上條件的前提下，分析下層滑面以下是否會(huì)產(chǎn)生新的深層滑動(dòng)：①對(duì)于土質(zhì)地層滑坡，可采用圓弧滑動(dòng)法搜索最危險(xiǎn)圓弧，從而判斷是否存在深層滑動(dòng)的可能性。②對(duì)于本文案例中的巖層滑面滑坡，下層滑面以下以泥巖為主，不存在軟弱面、破碎帶等發(fā)生深層滑動(dòng)的基礎(chǔ)條件，且工程措施除設(shè)置抗滑樁外，還采用二八灰土對(duì)滑坡裂縫進(jìn)行夯填封堵，對(duì)滑坡區(qū)域進(jìn)行整順夯實(shí)，通過后緣截水溝及滑坡中部的截水溝，將匯水引排至滑坡范圍外，減少了表水下滲，消除了滲水軟化地層這一滑坡產(chǎn)生的重要誘因，從而可以避免深部滑動(dòng)情況的發(fā)生。

單排樁、雙排樁方案設(shè)計(jì)參數(shù)如表1。

表1 抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù) m

由表1可知，單排樁方案中，因剩余下滑力高達(dá)4 557.53 kN，且懸臂高度大，單純理論上計(jì)算得出的抗滑樁參數(shù)，樁截面需要加大至3 m×4 m，樁間距僅3.5 m，考慮到樁施工護(hù)壁厚度為0.2 m，實(shí)際上各根樁已經(jīng)基本連成一堵墻。

雙排樁方案中，上下兩排樁較為均衡地承擔(dān)了剩余下滑力的作用，下排樁剩余下滑力減小為2 262.94 kN，降幅達(dá)50%，且下排樁樁頂高程不受上層滑面控制，可適當(dāng)加大樁頂埋深，從而降低了懸臂高度，樁長(zhǎng)得以減小。

經(jīng)計(jì)算，靠近滑坡兩側(cè)位置，采用2 m×2.5 m的抗滑樁，滑坡主體區(qū)域采用2.5 m×3 m的抗滑樁，抗滑樁根數(shù)及圬工量如表2所示。

表2 抗滑樁數(shù)量

由表2可知，盡管雙排樁方案樁根數(shù)有所增加，但由于剩余下滑力下降明顯，樁徑、樁長(zhǎng)得以優(yōu)化，圬工量更小，且大幅減小了樁身承受的滑坡推力作用，避免了樁間距過密的情況，雙排樁方案平面布置如圖9。

圖9 雙排樁方案平面

3 結(jié)論

(1)對(duì)于多滑面滑坡，應(yīng)對(duì)各滑面參數(shù)分別進(jìn)行反算，得出各滑面處剩余下滑力。

(2)對(duì)于不具備清方卸載條件的大型滑坡，因下滑力很大，采用單排樁進(jìn)行擋護(hù)時(shí)存在樁徑大、間距過密的情況，而通過雙排樁共同承擔(dān)剩余下滑力，每排樁承擔(dān)的下滑力將大大減小，其方案更具可實(shí)施性。

(3)設(shè)置雙排抗滑樁時(shí)，應(yīng)使兩排樁承擔(dān)的剩余下滑力盡量接近，較為均衡地分擔(dān)剩余下滑力。

(4)通過上排樁可對(duì)上層滑體進(jìn)行有效加固，下排樁樁頂不受上層滑面控制，從而可以加大樁頂埋深，減小懸臂高度，進(jìn)而減小樁長(zhǎng)。

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