兩級抗滑樁對坡頂建筑物的安全控制研究

劉孟瀚，范秋雁，唐峰

（1.廣西大學(xué)資源環(huán)境與材料學(xué)院，廣西 南寧 530004；2.中國能源建設(shè)集團廣西電力設(shè)計研究院，廣西 南寧 530023）

0 引言

抗滑樁是滑坡防治最主要的措施之一（殷躍平，1998），特別是滑坡體的剩余下滑力較大的情況，應(yīng)當使用抗滑樁來提高穩(wěn)定性（張新敏，2004），前人分別利用有限元強度折減法驗證了抗滑樁對邊坡治理的作用，以及分析邊坡變形的位移變形及塑性發(fā)展趨勢，驗證了有限元在抗滑樁及邊坡穩(wěn)定性的研究中的重要意義（董軍和蘇生瑞，2008；謝榮昌等，2009）。隨著土地資源逐漸減少，在邊坡的坡腳以及坡頂這樣的不利于地基穩(wěn)定的位置都開始越來越多的出現(xiàn)建筑物，在對邊（滑）坡治理中必須考慮已建或規(guī)劃建設(shè)建筑物的穩(wěn)定和安全，因此多級抗滑樁的邊坡支護形式開始被廣泛應(yīng)用。許多學(xué)者開展了多級抗滑樁支護作用研究。在基坑支護方面，任望東等（2013）通過建立基坑多級支護有限元模型，計算分析了多級支護的破壞模式及破壞機理，并研究了多級支護結(jié)構(gòu)間的水平距離等因素對基坑穩(wěn)定性的影響。鄭剛等（2017）進行了基坑多級支護大型模型試驗，分析了兩級支護樁之間距離和二級支護樁樁長對支結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響。在邊坡支護方面，黃小艷等（2012）運用FLAC3D 程序模擬分析了雙排樁樁后推力與樁前抗力分布形態(tài)，為邊坡加固提供了參考。趙鑫等（2014）也利用了FLAC3D 程序分析了不同滑坡體土拱效應(yīng)下樁周及樁間土體位移與應(yīng)力的變化規(guī)律。申永江等（2012）運用土拱理論和極限平衡理論，推導(dǎo)兩抗滑樁所承受滑坡推力的計算公式，提出滑坡推力的分配計算方法。唐芬等（2010）建立兩級抗滑樁有限元模型，分析不同級距下多級抗滑樁對推力的分擔，提出以多級抗滑樁的推力、穩(wěn)定系數(shù)和推力差為目標的優(yōu)化設(shè)計方法。肖世國和何洪（2015）基于彈性地基梁模型，通過迭代算法確定出二級抗滑樁受荷段前側(cè)坡體抗力，給出了相關(guān)的理論計算公式。此外，胡洪云（2019）利用數(shù)值模擬設(shè)計兩種抗滑樁布置情況，驗證了兩級抗滑樁對邊坡加固的效果。以上研究主要集中在抗滑樁的內(nèi)力、樁體位移、邊坡的整體穩(wěn)定性等方面，分析了邊坡的破壞機理，并提出了一系列實用的設(shè)計和計算方法。但當坡頂建筑物距離邊坡坡肩較近時，采用兩級抗滑樁的支護形式后，除了考慮邊坡的整體穩(wěn)定性，還必須良好控制坡頂土體位移量，從而保障坡頂建筑物的安全和穩(wěn)定。孫云普等（2010）通過簡化模型，給出了坡頂建筑的安全距離公式，可惜參數(shù)較多，很難具體應(yīng)用實踐。專家驗證了坡肩的水平位移能反應(yīng)邊坡坡頂土體的變形規(guī)律和突變特征（林杭等，2007；馬宗源等，2010）。為了進一步驗證兩級抗滑樁對坡頂土體位移的控制作用，本文通過建立兩級抗滑樁支護的有限元計算模型，分析了兩級樁不同排距和排布位置對坡肩水平位移的影響，從而進一步分析得出其控制效果，同時分別建立了坡頂存在建筑物淺基礎(chǔ)和深基礎(chǔ)的計算模型，探討了淺基礎(chǔ)離邊坡的安全距離及深基礎(chǔ)對邊坡穩(wěn)定性的影響。

1 模型建立及模型參數(shù)

工程中的高邊坡通常上層為土體，下層為巖層，抗滑樁各參數(shù)對邊坡穩(wěn)定性的影響強弱各不相同，樁間距影響最大，其次是截面尺寸，最后是樁長（趙明華等，2010；朱泳等，2017；丁橋軍和董鐵斌，2020；何文野等，2020）。因此建立有限元計算模型如圖1所示，具體尺寸如表1。邊坡坡度為1.0 ∶1.5，一、二級抗滑樁分別嵌固在硬巖中，嵌固深度均是5.0 m。假定每根樁獨立承受樁間土體壓力，因此模型寬度為S。樁和巖土體的物理力學(xué)參數(shù)如表2 所示，土體服從摩爾庫倫準則且為非關(guān)聯(lián)流動法則的理想彈塑性本構(gòu)模型。可視硬巖及抗滑樁為理想線彈性體，樁與土及巖體的摩擦系數(shù)分別取0.4（約為tan（0.75φ））和0.5。

圖1 兩級抗滑樁—邊坡模型示意圖

表1 高邊坡模型尺寸及邊界參數(shù)

表2 樁和巖土體的物理力學(xué)參數(shù)

2 兩級抗滑樁位置變化對坡肩水平位移的影響

2.1 一級抗滑樁的影響

為分析一級抗滑樁產(chǎn)生的坡肩水平位移影響，固定二級抗滑樁的位置，并保持二級抗滑樁設(shè)計參數(shù)不變。通過調(diào)整一級抗滑樁布設(shè)位置，改變一級和二級抗滑樁級距D。調(diào)整過程中一級抗滑樁的嵌巖深度保持不變，各計算工況模型參數(shù)如表3 所示，經(jīng)驗算各工況邊坡整體穩(wěn)定，下文僅對變形進行研究。計算結(jié)果如表4 所示。

（1）當邊坡支護選用兩級抗滑樁的形式，邊坡坡肩的水平位移最大，一級樁水平位移最小，二級樁樁頂?shù)乃轿灰平橛趦烧咧g。

（2）固定二級抗滑樁位置，當一、二級抗滑樁樁級距D增大時，坡肩水平位移增大，一、二級抗滑樁水平位移也同樣增大。

（3）隨著兩級抗滑樁級距D的增加，坡肩水平位移和二級樁水平位移增加較大，一級樁樁頂水平位移增加稍小一些，可以看出在兩級抗滑樁之間存在著一定的遮蔽作用。

（4）保持二級抗滑樁位置不變，調(diào)整一級抗滑樁的位置，坡肩位移從8.60 mm 增加到12.35 mm，位移增加量僅為3.75 mm，可以認為一級抗滑樁對坡頂土體位移有影響，但影響不顯著。

表3 模型幾何參數(shù)

表4 坡肩及樁頂水平位移

2.2 二級抗滑樁的影響

由前文分析可得，一級抗滑樁產(chǎn)生的對坡肩水平位移影響不明顯，因此在分析二級抗滑樁的影響時，應(yīng)當使一、二級抗滑樁樁級距D保持不變（D=12.0 m）。各計算工況模型參數(shù)如表5 所示，經(jīng)驗算各工況邊坡整體穩(wěn)定，下文僅對變形進行研究。

表5 模型尺寸

計算結(jié)果如表6 所示，由表6 可知：

（1）當一、二級抗滑樁樁級距D保持不變，二級抗滑樁距離坡肩水平位置Lx2增大時，坡肩水平位移隨之而增大；一、二級抗滑樁樁頂水平位移同樣隨之增大；

（2）對比可得一、二級抗滑樁的布設(shè)位置更顯著地影響了坡肩水平位移，而坡頂土體位移主要受到二級抗滑樁控制；

（3）由于二級抗滑樁的遮蔽作用，一級抗滑樁的樁頂位移量較小，且對坡肩的水平位移影響不顯著，在有位移控制要求的邊坡支護工程中，一級抗滑樁的布設(shè)可更多地考慮對坡腳位移地控制。

表6 坡肩及樁頂水平位移

3 坡頂存在不同類型基礎(chǔ)的安全控制

3.1 坡頂淺基礎(chǔ)的安全距離

如邊坡坡頂存在淺基礎(chǔ)，坡頂土體發(fā)生位移后，會對淺基礎(chǔ)產(chǎn)生不利影響。為了得出在坡頂?shù)慕ㄖ锱c邊坡的安全距離，在模型中取L1=40.0 m（邊坡后緣長度），其他參數(shù)不變。另把坡頂淺基礎(chǔ)建筑物荷載轉(zhuǎn)化為三層磚混結(jié)構(gòu)房屋所產(chǎn)生的荷載，確定其均布荷載=6×104Pa，選取3.0 m×3.0 m 范圍，相鄰基礎(chǔ)間距3.0 m，對兩跨均布荷載分析，如圖2 所示。

由表可知2，土體彈性模量值取100 MPa，壓縮模量與彈性模量不在一個數(shù)量級上，故該土體為中、低壓縮性土。依據(jù)規(guī)范（中華人民共和國建設(shè)部，2011），中、低壓縮性土砌體承重結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的局部傾斜為0.002，局部傾斜即是相鄰基礎(chǔ)沉降差比上它的距離，計算公式如下：

式（1）中：S1-S2（相鄰基礎(chǔ)的沉降差）；l（相鄰基礎(chǔ)中心點距離）。

平移邊坡坡頂荷載，根據(jù)（1）式確定的局部傾斜值，經(jīng)過一系列的調(diào)整，確保建筑基礎(chǔ)局部傾斜接近0.002，則安全距離為坡肩至基礎(chǔ)邊緣距離，如表7 示。坡頂?shù)乇沓两登€如圖3、4 所示。

圖2 坡頂存在淺基礎(chǔ)模型示意圖

圖3 模型（1～5）坡頂?shù)乇沓两盗?/p>

由圖3、4 可得，地表沉降量在邊坡坡肩邊緣線上是最大的，最大能達到30.00 mm 左右。且離坡肩邊緣線越遠，沉降量越小。與周邊地區(qū)的地表沉降相比，淺基礎(chǔ)荷載作用區(qū)域更大，由于兩處淺基礎(chǔ)荷載與坡肩距離不同，存在明顯的沉降量差。由表7 可得，在6×104Pa（3.0 m×3.0 m）的均布荷載作用下，邊坡坡肩水平位移越大建筑物所需安全距離也越大，因此臨近邊坡的建筑物一定要確保在安全距離以外，必須嚴格控制邊坡坡肩水平位移。在設(shè)計兩級抗滑樁時，則應(yīng)在保證邊坡整體穩(wěn)定性前提下，盡量將二級抗滑樁布設(shè)在距離坡肩位置距離較近處，有效降低坡頂土體的位移量，而一級抗滑樁的布置更多地考慮邊坡的局部穩(wěn)定性和坡腳位移控制。

圖4 模型（6～9）坡頂?shù)乇沓两盗?/p>

表7 建筑物安全距離

3.2 坡頂上的樁基對邊坡穩(wěn)定性的影響

深基礎(chǔ)雖然能更好地控制建筑基礎(chǔ)不均勻沉降，但當樁基位于邊坡坡頂附近時，建筑通過樁基將荷載傳遞到周圍土體，可能會對邊坡穩(wěn)定性造成不良影響。考慮樁基距離邊坡的距離和所承受垂直荷載和水平荷載，建立如下有限元計算模型。

模型的尺寸與邊界條件如圖5 所示，具體尺寸如表8。

表8 坡頂樁基模型的尺寸與邊界參數(shù)

另取邊坡坡度為1.0 ∶1.5，一、二級樁徑1.0 m，同級樁樁間距S為3.0 m。建筑物樁徑1.0 m，樁長25.0 m。W是樁基坡肩距。所選材料同表1，建筑物樁基與抗滑樁物理力學(xué)參數(shù)取值一致，樁基與土的摩擦系數(shù)也取為0.4。采用折減系數(shù)法，以坡肩水平位移出現(xiàn)拐點對應(yīng)的折減系數(shù)作為邊坡在不同工況下的穩(wěn)定系數(shù)。

分別改變計算模型中W、作用在樁基上的垂直荷載及水平荷載，研究這些因素對兩級抗滑樁邊坡穩(wěn)定性的影響。初始模型中W取為10.0 m，有800 kN 垂直荷載以及從右到左沿著邊坡滑動方向的100 kN 水平荷載作用在樁基上。圖6 中邊坡穩(wěn)定系數(shù)與W關(guān)系曲線為只改變樁基距離坡肩的距離W，保持垂直荷載和水平荷載不變。同理，圖7 為只改變樁基所承受的垂直荷載，圖8 為只改變樁基所承受的水平荷載。

圖5 坡頂存在深基礎(chǔ)的模型示意圖

由圖6～8 分析可知：

（1）荷載相同時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)隨W減小而減小。既樁基距離邊坡坡肩越近，對邊坡的穩(wěn)定性越不利。

（2）樁基位置和所受水平荷載不變時，邊坡穩(wěn)定系數(shù)在1.18～1.23 之間變化，變化范圍不超過5%，樁基所受垂直荷載對邊坡穩(wěn)定性影響較小。

圖6 邊坡穩(wěn)定系數(shù)與W 的關(guān)系

圖7 垂直荷載與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

圖8 水平荷載與邊坡穩(wěn)定系數(shù)的關(guān)系

表9 某邊坡模型尺寸及邊界參數(shù)

（3）樁基位置和所受垂直荷載不變時，隨水平荷載增大邊坡穩(wěn)定系數(shù)減小。既沿邊坡滑動方向的水平荷載會對邊坡的穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。

4 工程實例

廣西梧州市半山豪庭工程位于梧州市長洲區(qū)蜈蚣山腳下，其邊坡位于該市地質(zhì)災(zāi)害易發(fā)區(qū)，西側(cè)邊坡曾多處滑坡。最終該地塊形成的高切坡達12～30 m，且地質(zhì)條件較復(fù)雜。本文選取了4-4′主滑面剖面作為研究對象，工程地質(zhì)剖面圖如圖9 所示。

圖9 4-4′主滑面工程地質(zhì)剖面圖

由地質(zhì)剖面圖可知，H1滑坡治理后擬在坡頂修建建筑物，在對滑坡進行治理后，必須良好控制滑坡后方土體位移，保障建筑的安全和穩(wěn)定，因此本工程采用兩級抗滑樁的支護形式，根據(jù)上文分析結(jié)果，在保障邊坡穩(wěn)定的基礎(chǔ)上，盡可能將后排抗滑樁布置在距離H1滑坡坡肩較近處。最終根據(jù)現(xiàn)場實際施工條件等進行設(shè)計，兩級抗滑樁的參數(shù)：坡肩與一、二級抗滑樁距離Lx1=18.0 m、Lx2=3.0 m，樁端嵌入花崗巖中，一、二級抗滑樁樁長Lp1=18.5 m、Lp2=26.5 m，樁徑=1.2 m，兩級抗滑樁樁間距都取3.0 m。

根據(jù)以上設(shè)計參數(shù)，建立該處邊坡的有限元計算模型。為簡化計算，劃分三層巖土層，底層是花崗巖，中層是砂質(zhì)粘土，上層是含礫粘土，如圖10 示，模型尺寸如表9。另取樁徑=1.2 m，樁間距S=3.0 m，邊坡坡度為1.0 ∶1.5。抗滑樁和花崗巖選用理想彈性模型，土體采用摩爾庫倫模型，材料參數(shù)見表10。

工程施工結(jié)束后，對前、后排樁樁頂水平位移和坡肩水平位移進行了監(jiān)測，并與有限元模型計算結(jié)果進行比較，如表11 所示。

圖10 計算模型尺寸與邊界條件示意圖

表10 模型力學(xué)參數(shù)

表11 一級、二級和坡肩水平位移對比

有限元模型計算結(jié)果與實測結(jié)果吻合較好，坡肩水位位移最大，但通過合理布置兩級抗滑樁的位置，實測坡肩水平位移僅為12.5 mm，說明邊坡后方土體位移較小，良好地保證了后方地下室等構(gòu)筑物的穩(wěn)定和安全正常使用。

5 結(jié)論

（1）采用兩級抗滑樁的支護形式，邊坡的坡肩水平位移最大，一級抗滑樁樁頂水平位移最小，二級抗滑樁樁頂水平位移介于兩者之間。

（2）一級抗滑樁對于坡頂土體位移存在影響，但不顯著，主要由二級抗滑樁控制坡頂土體位移，且二級抗滑樁距離坡肩越近，坡頂土體位移越小。

（3）邊坡坡肩水平位移越大，坡頂淺基礎(chǔ)的建筑物安全距離也越大。坡頂淺基礎(chǔ)越是臨近邊坡，對土體位移的控制要求越大。

（4）樁基距離邊坡坡肩越近，對邊坡的穩(wěn)定性越不利。相對于樁基所受垂直荷載，水平荷載對邊坡的穩(wěn)定性影響更顯著。

（5）根據(jù)兩級抗滑樁對坡頂土體的位移控制規(guī)律，對廣西某滑坡進行了優(yōu)化設(shè)計，最終實測結(jié)果表明雙排抗滑樁對樁頂土體位移控制效果良好。

致謝論文撰寫，充滿艱辛。首先，我最想感謝的是總能及時地在學(xué)業(yè)上為我提供無私幫助的導(dǎo)師范秋雁教授。其次感謝李天雨，梁家琿，唐峰，韓偉，李拓，陸明，韓進仕，張備，黃偉，李武奇以及楊鵬帥等諸位師兄，感謝他們給予的指導(dǎo)和幫助。感謝同門何偉，周金，秦闊。此外，要感謝我的父母和親人。

最后特別感謝百忙中抽出時間給予寶貴意見和專業(yè)指導(dǎo)的編輯部及審稿的專家、教授們。