紅黏土邊坡滑坡治理中預制樁的應用分析

崔世敏

（山西省交通物流集團有限公司,山西 太原 030021）

0 引言

近年來，隨著工程科技的不斷進步，公路工程建設取得顯著成就，有效推動了經濟發展。但由于公路工程線長面廣、地質多變，施工中難免會遭遇紅黏土等不良地質，工程特性較差，極易產生路基邊坡滑坡病害。傳統邊坡滑坡治理通常采用現澆抗滑樁技術，不僅施工工藝復雜、工期長，并且會對原始土體造成破壞，存在較大局限性[1-3]。為此，該文結合實際工程案例，提出預制樁加固工藝，以期能有效提升紅黏土邊坡穩定性，達到預期邊坡滑坡治理效果。

1 邊坡土體基本物理力學性質

該工程路基邊坡滑坡區域分布大量紅黏土，此類土體含水率高、孔隙比大、穩定性差。在滑坡段現場提取土樣，根據現行《土工試驗檢測技術規程》相關規定實施力學性能檢測[4]。對各土層土樣實施直剪試驗，得到各層土體在法向應力依次為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 條件下，不同含水率下土體峰值強度剪應力與垂直壓力關系曲線，具體如圖1 所示。

圖1 峰值強度剪應力與垂直壓力關系曲線

根據摩爾－庫倫理論公式（1）能夠看出，土體抗剪強度與內摩擦角、黏聚力密切相關。相關研究顯示，紅黏土力學性能與土體含水率有關。

式中，τ——土體抗剪強度（kPa）；σ——內摩擦角（°）；c——黏聚力（kPa）；φ——垂直壓力（kPa）。

通過直剪試驗測得不同含水率條件下紅黏土抗剪強度指標如表1 所示。

表1 不同含水率下抗剪強度指標

2 滑坡穩定性分析

現場測得該工程路塹邊坡高40 m，滑坡頂與邊坡頂部高差為26 m，滑坡滑動面近似于半徑41.6 m 圓弧，邊坡破壞長度達56 m。根據路塹邊坡滑坡實際情況，構建有限元分析模型，按照含水率差異實施土層劃分，構建1 ∶1 邊坡滑坡模型[5]，具體如圖2 所示。

圖2 滑坡幾何模型

邊坡滑坡會導致邊坡滑動面產生剪切破壞，原始土體抗剪強度逐漸降低，但當其滑動位移小于強度下降臨界狀態時，始終認為未達到極限，土體抗剪強度仍舊能夠按照表1 中相關指標進行計算，并以此值對邊坡滑坡穩定性實施計算，詳細結果如表2 所示。

表2 邊坡穩定性指標

通過表2能夠看出，該路基邊坡現狀安全系數為1.25，滑坡基本處于平衡狀態?，F場調查發現，該滑坡體后緣位置存在大量細小裂縫，若遇降雨天氣，遇水滲透會顯著增大滑坡自重，導致下滑力急劇增加，并且雨水沿表面裂縫進入滑動面，使內部土體軟化，從而造成滑坡進一步惡化。由此可見，亟須對邊坡實施加固處理。根據該工程滑坡實際情況，經綜合研究決定，采用預制抗滑樁加固方案。

3 治理方案

3.1 預制抗滑樁的設計

預制抗滑樁選用預應力高強混凝土實心方樁，樁長20 m，樁體混凝土強度為C80，軸心抗拉強度標準值f1=3.11 MPa，樁體截面尺寸如圖3 所示，邊長B=600 mm，預應力筋布設位置BP=505 mm。鋼筋選用35 級低松弛預應力螺旋鋼棒，其規格為φ12.6 mm，抗拉強度為1 420 MPa，單樁共設24 根，采用等間距布置。箍筋為冷拔低碳鋼絲，規格為φ6 mm，布設間距100 mm，抗拉強度320 MPa。為有效確保抗滑樁抗剪能力，通過焊接方式將箍筋均勻布設于鋼棒外側[6]。同時，為減小抗滑樁施工對周邊土體的影響，可在抗滑樁底部設置密閉式樁尖。

圖3 樁身截面示意圖

3.2 樁身抗剪性能計算

按照現行《預應力混凝土實心方樁設計規范》的相關規定，樁體剪力設計標準值計算式如下：

式中，V——樁體剪力設計值；λ——剪跨比，一般為λ=a/h，其中，a——集中荷載部位與支點之間的距離，通常取1.0B，得到λ≤1.5，此處取λ=1.5；ft——樁體抗拉強度設計值；b——樁體截面寬；h0——樁體有效高度；fyv——箍筋抗拉強度設計值；Asv——箍筋截面積；s——箍筋間距；Np0——計算部位混凝土法向預應力為0 時縱筋合力：Np0=σp0Ap，當Np0>0.3fcA0時，取Np0=0.3fcA0，其中，fc——樁體抗壓強度設計值；A0——換算面積；Ap——預應力筋截面面積；σp0——預應力筋合力位置混凝土法向應力為0 時的預應力。按照公式（2）計算得到實心方樁剪力設計值，如表3 所示。

表3 剪力設計值計算結果

3.3 抗滑樁樁位優化分析

路基邊坡滑坡體各滑動面位置的下滑力和抗滑力存在顯著差異[7]。當下滑力超過抗滑力時，便會導致滑坡進一步惡化，而通過設置抗滑樁能顯著增強滑動面整體抗滑能力，使抗滑力高于下滑力，從而有效阻止邊坡滑動；當抗滑力越大時，邊坡安全系數越高，邊坡更加穩定。由此可見，抗滑樁布設位置對邊坡穩定性具有重要影響[8]。根據該滑坡實際情況，將滑坡體沿縱向平均分為七部分，抗滑樁布設間距為3 m，樁體長度為20 m，抗滑樁頂部與邊坡臨空面高度相同，抗滑樁布設形式如圖4 所示。

圖4 抗滑樁布置示意圖

對GE05 抗滑樁實施受力分析，并增加一排抗滑樁，樁體截面為正方形，邊長0.6 m，抗滑承載力沿樁體均勻布置，抗滑力最大值為樁體剪力設計值V=841.41 kN，抗滑力垂直于樁體設置，詳細計算數據如表4、圖5 所示。

表4 邊坡穩定性指標

圖5 樁位與安全系數關系曲線

通過圖5 能夠看出，樁位在16~31 m 范圍內，邊坡安全系數呈遞增趨勢，超過31 m 后開始呈現下降趨勢，因此最優樁位位于31 m 位置處，該條件下的邊坡安全系數為1.280，相較于未加固前邊坡安全系數1.13，增加了13%。

3.4 樁間距優化分析

按照公路工程相關施工技術規范，路基路塹邊坡安全系數Fs ≥1.3 的規定，必須對抗滑樁布設間距實施優化，以有效提升邊坡穩定性[9]。以31 m 位置作為最優樁位，依次計算0.5 m、0.6 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m樁間距工況下的邊坡安全系數，詳細結果如表5、圖6所示。

表5 邊坡穩定性指標

圖6 樁間距與安全系數關系曲線

通過圖6 能夠看出：①樁間距為0.5~3 m 時，邊坡安全系數呈下降趨勢；②樁間距為3~6 m 時，隨間距的不斷增大，安全系數下降趨勢逐漸變緩；③由曲線可以看出，相關標準規定的安全系數不低于1.3 對應的樁間距位于為2~3 m 范圍內[10]。因此，綜合考慮經濟性、安全性等各個方面，確定最優樁間距為2.5 m。

4 結論

綜上所述，該文結合實際工程案例，對紅黏土邊坡滑坡治理中預制樁的應用進行綜合探究，通過邊坡穩定性分析，設計了抗滑樁加固方案，并通過數值模擬計算，確定了最佳施工參數，具體結論如下：

（1）利用直剪試驗，得到滑坡土體力學指標，并確定含水率對土體抗剪強度的影響。

（2）通過邊坡穩定性分析，確定抗滑樁加固方案，并借助數值模擬計算，驗證了預制抗滑樁在紅黏土邊坡滑坡加固中的可行性。

（3）通過對樁位、樁間距優化分析，確定了該工程滑坡加固抗滑樁最佳樁位為31 m，布設間距為2.5 m，取得了顯著加固效果。