庫(kù)岸邊坡抗滑樁上滑坡推力研究現(xiàn)狀綜述

熊啟東，孔凡林，李成芳

（重慶市建筑科學(xué)研究院 重慶 400015）

1 庫(kù)水位漲落對(duì)斜坡穩(wěn)定性的影響

斜坡變形破壞的發(fā)展及其相應(yīng)的穩(wěn)定狀態(tài)取決于斜坡本身所賦存的地質(zhì)環(huán)境條件。當(dāng)?shù)刭|(zhì)環(huán)境發(fā)生變化時(shí)，斜坡變形破壞發(fā)展與穩(wěn)定狀態(tài)必然相應(yīng)地發(fā)生變化。

水庫(kù)庫(kù)岸滑坡特殊性表現(xiàn)為它的活動(dòng)與庫(kù)水位的漲落關(guān)系密切。水庫(kù)蓄水以后，隨著庫(kù)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(duì)岸坡沖刷搬運(yùn)、庫(kù)水位及地下水的孔隙水壓力和滲透作用，導(dǎo)致岸坡工程地質(zhì)條件發(fā)生變化，使得塌岸的可能性增大。如果庫(kù)水位快速降落，坡體內(nèi)的地下水位回升之后來(lái)不及同庫(kù)水位同步降落，高、低水位之間的水體所產(chǎn)生的向坡體外的滲透壓力將成為對(duì)滑坡體的穩(wěn)定性極為不利的因素，往往是導(dǎo)致滑坡的誘因。水庫(kù)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(diào)查了羅斯福 (Roosevelt)湖附近地區(qū)1941～1953年發(fā)生的一些滑坡，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，49%的滑坡發(fā)生在1941～1942年的蓄水初期，30%發(fā)生在水位驟降10～20m的情況下；而在日本，大約60%的水庫(kù)滑坡發(fā)生在水位驟降階段[1]。因此，由庫(kù)水位漲落導(dǎo)致的滑坡和邊坡失穩(wěn)將成為庫(kù)岸邊坡蓄水后最常見(jiàn)和最嚴(yán)重的地質(zhì)災(zāi)害。

在三峽地區(qū)，由于庫(kù)區(qū)蓄水和季節(jié)性水位漲落等因素的影響，邊坡的原始平衡遭到破壞，進(jìn)而導(dǎo)致邊坡失穩(wěn)甚至發(fā)生滑坡災(zāi)害，這在很大程度上直接威脅到庫(kù)岸人民的生命財(cái)產(chǎn)安全，如何及時(shí)可靠地對(duì)失穩(wěn)邊坡(滑坡)進(jìn)行有效的加固治理和監(jiān)測(cè)預(yù)報(bào)，防止滑坡地質(zhì)災(zāi)害的發(fā)生，是三峽工程運(yùn)營(yíng)期面臨的最重要的巖土工程問(wèn)題之一，在一定程度上也是衡量三峽工程建設(shè)成敗的一個(gè)重要標(biāo)志。

2 庫(kù)岸滑坡治理的主要措施

國(guó)內(nèi)外防治滑坡的工程措施雖然很多，歸納起來(lái)，主要有三類[2]：一是滑面含水量的增加很容易導(dǎo)致滑坡的失穩(wěn)，因而需要排除地表水、地下水或減輕庫(kù)水對(duì)坡腳的沖刷等危害；二是改變滑坡體外形、設(shè)置抗滑建筑物，即削坡減載和設(shè)置支擋工程措施；三是改善滑動(dòng)帶土石性質(zhì)，如焙燒法、爆破灌漿等。由于滑坡成因復(fù)雜、影響因素多，因此常常需要上述幾種方法同時(shí)使用、綜合治理，方能達(dá)到目的。相比之下，第三類措施的實(shí)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(duì)于庫(kù)岸滑坡體來(lái)說(shuō)，由于水位上升，必然結(jié)果是滑坡體的含水量隨之增大，無(wú)法排除地下水及庫(kù)水對(duì)坡腳沖刷等影響，這樣，削坡減載和設(shè)置支擋工程措施就成為庫(kù)岸滑坡的主要防治手段。當(dāng)滑坡問(wèn)題較為嚴(yán)重，采用排水、削坡等措施不足以完全治理時(shí)，主要采取抗滑樁整治邊坡，往往具有抗滑能力強(qiáng)、施工安全簡(jiǎn)便、工期短速度快等突出優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)也可以和其它邊坡治理措施靈活地配合使用。在庫(kù)區(qū)地質(zhì)災(zāi)害的防治中，抗滑樁具有很強(qiáng)的適應(yīng)性，適用于滑面較深的大型滑坡，對(duì)滑坡穩(wěn)定性和地質(zhì)環(huán)境干擾小，成為滑坡地質(zhì)災(zāi)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(xiàn)狀

長(zhǎng)期以來(lái)，抗滑樁作為一種支擋抗滑結(jié)構(gòu)物而廣泛應(yīng)用于滑坡及邊坡的穩(wěn)定性治理中。在國(guó)內(nèi)外自20世紀(jì)60年代中較成功地開(kāi)始使用抗滑樁以來(lái)，至今已有40余年的歷史。在60～70年代末近10年的時(shí)間里，國(guó)內(nèi)抗滑樁較多地應(yīng)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(shè)計(jì)主要參照樁基的設(shè)計(jì)推導(dǎo)演變而來(lái)，70年代末以來(lái)國(guó)內(nèi)外許多研究者對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)理論、方法和參數(shù)進(jìn)行了廣泛的研究，并結(jié)合實(shí)際工程進(jìn)行了現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試，使得抗滑樁設(shè)計(jì)理論自80年代初以來(lái)逐步完善[3]。隨著對(duì)抗滑樁研究的重視，建立在理論分析、試驗(yàn)基礎(chǔ)和數(shù)值模擬上的計(jì)算方法，越來(lái)越接近于其實(shí)際受力狀況，使抗滑樁在地質(zhì)災(zāi)害防治中得到了廣泛的應(yīng)用。

抗滑樁上滑坡推力的分析方法，歸納起來(lái)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(zhǔn)確地模擬地基和荷載條件，位移法的主要缺點(diǎn)是對(duì)土體自由時(shí)的位移估算不準(zhǔn)，而有限元法是一種很有發(fā)展?jié)摿Φ姆椒ā?duì)于工程應(yīng)用而言，壓力法由于其計(jì)算簡(jiǎn)便而得到廣泛的應(yīng)用，用壓力法計(jì)算抗滑樁的最大問(wèn)題就是作用于樁上的荷載如何確定。工程設(shè)計(jì)計(jì)算中一般認(rèn)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(chǎn)生的滑坡推力，滑坡推力的計(jì)算根據(jù)邊坡的極限平衡穩(wěn)定性分析方法確定。

滑坡推力分布形式的研究試驗(yàn)資料較少，且國(guó)內(nèi)外是有區(qū)別的[5]，國(guó)外多將滑坡體視為散體，用三角形分布，合力作用點(diǎn)為滑面以上樁長(zhǎng)的下三分點(diǎn)，如日本學(xué)者認(rèn)為滑坡滑動(dòng)時(shí)，滑坡推力主要集中在滑動(dòng)面以上1～2 m處，因而認(rèn)為用三角形分布較為合適。而國(guó)內(nèi)一些學(xué)者分別從滑坡體的巖土體物質(zhì)(如粘土、砂土、巖石、土夾石等)、地基系數(shù)、液性指數(shù)等指標(biāo)來(lái)定義推力的分布，采用的方法有滑坡現(xiàn)場(chǎng)試樁實(shí)測(cè)、抗滑樁室內(nèi)模型試驗(yàn)、有限元應(yīng)力法等。

潘家錚[2]建議如果滑體沿?cái)嗝娓叨染鶆蛲伦冃危鼗禂?shù)為常數(shù)，推力呈均勻分布；如果地基系數(shù)沿?cái)嗝娓叨瘸示€性變化，則推力呈三角形分布；如地基系數(shù)在頂部呈線性變化，在底部為常數(shù)，則推力呈梯形變化。其次，當(dāng)滑坡體的變位，頂部大、底部小，在上述三種地基系數(shù)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(dāng)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(shè)計(jì)與計(jì)算》中建議[3]，如果滑體的變形是均勻往下蠕動(dòng)，當(dāng)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(nèi)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(duì)滑動(dòng)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(xiàn)場(chǎng)試樁的實(shí)測(cè)資料表明[6]，當(dāng)滑坡體為抗剪特征以內(nèi)摩擦角為主的滑體，如堆積層、破碎巖層時(shí)，滑坡推力接近于地表為零、頂點(diǎn)在滑動(dòng)面略上的拋物線，合力作用點(diǎn)在滑體厚度一半位置處及其以上；當(dāng)滑坡體為抗剪特征以粘聚力為主的滑體，如粘性土?xí)r，當(dāng)抗滑樁處于彈性階段時(shí)，剩余抗滑力基本上呈倒梯形分布；進(jìn)入彈塑性階段后，剩余抗滑力圖形逐漸變?yōu)榈乇聿粸榱愕膾佄锞€形。

徐良德等[7]對(duì)滑體為松散介質(zhì)時(shí)樁前抗力的分布作了實(shí)驗(yàn)分析，認(rèn)為當(dāng)滑體為松散介質(zhì)(如砂土)時(shí)，下滑力基本上為三角形；當(dāng)滑體為粘性土?xí)r，下滑力接近于頂點(diǎn)位于滑面附近的拋物線分布。

戴自航[8]認(rèn)為，滑坡推力分布及其合力作用點(diǎn)位置受滑坡的類型、滑動(dòng)面形狀、部位、地層性質(zhì)、抗滑結(jié)構(gòu)變形情況及地基系數(shù)等綜合因素的影響，但主要與滑坡體結(jié)構(gòu)和抗滑結(jié)構(gòu)物的受力變形有關(guān)。對(duì)于以抗滑樁為主的柔性支擋結(jié)構(gòu)，其實(shí)際受力狀態(tài)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(dòng)面間存在摩擦，因而滑面附近推力又有所減少；適當(dāng)降低滑坡推力的合力作用點(diǎn)位置和提高土體抗力合力作用點(diǎn)位置，更符合抗滑樁實(shí)際受力狀態(tài)，依此設(shè)計(jì)抗滑樁將更為經(jīng)濟(jì)合理，可有效地提高滑坡治理設(shè)計(jì)水平。

李海光[9]提出，滑坡推力的應(yīng)力分布圖形應(yīng)根據(jù)滑體的性質(zhì)和厚度等因素確定。對(duì)于液性指數(shù)較小、剛度較大和較密實(shí)的滑體，頂層和底層的滑動(dòng)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(duì)于液性指數(shù)較大、剛度較小和密實(shí)度不均勻的塑性滑體，其靠近滑面的滑動(dòng)速度較大而滑體表層的滑動(dòng)速度則較小，滑坡推力的分布圖形為三角形；對(duì)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(jù)強(qiáng)度折減有限元計(jì)算結(jié)果，得到了抗滑樁上各點(diǎn)的水平應(yīng)力，又通過(guò)圖形顯示而得到滑面以上樁后、前的水平應(yīng)力分布，認(rèn)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(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)結(jié)果比較一致，與傳統(tǒng)方法的假定有一定的出入。

由此可見(jiàn)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者雖然對(duì)抗滑樁受力情況進(jìn)行了研究，但在滑坡體推力分布特征方面，沒(méi)有對(duì)庫(kù)岸巖土體在水位漲落等情況下，樁身土壓力分布特性進(jìn)行深入研究。

4 庫(kù)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(fā)展的過(guò)程中，弄清抗滑樁所受的滑坡推力演化規(guī)律是至關(guān)重要的，它將作為滑坡失穩(wěn)與否的判據(jù)，為地質(zhì)災(zāi)害的防治提供可靠的理論和實(shí)際依據(jù)。抗滑樁設(shè)計(jì)中最基本、最關(guān)鍵的問(wèn)題就是抗滑樁在滑坡體的推動(dòng)下，樁身與周圍巖土體之間作用力的分布特征，也可以說(shuō)滑動(dòng)面以上滑坡體對(duì)樁身推力的分布特征，而滑坡體的組成結(jié)構(gòu)影響了滑坡推力的分布規(guī)律及樁身的內(nèi)力分布，將決定抗滑樁的工程造價(jià)，并對(duì)設(shè)計(jì)的安全性與合理性產(chǎn)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(dòng)面以上抗滑樁樁身內(nèi)力的計(jì)算準(zhǔn)確與否。在抗滑樁設(shè)計(jì)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(diǎn)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(diǎn)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(shí)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(zhì)狀態(tài)。三峽庫(kù)區(qū)經(jīng)過(guò)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(méi)在水中，抗滑樁和地質(zhì)體的相互作用在很大程度上還受到庫(kù)區(qū)蓄水和長(zhǎng)期庫(kù)水位升降作用的影響，改變了庫(kù)岸滑坡體內(nèi)的水文地質(zhì)條件，水位上升時(shí)造成地下水位抬高，潛在滑帶面浸水范圍擴(kuò)大，強(qiáng)度降低，減小阻滑力；水位驟降時(shí)產(chǎn)生動(dòng)水壓力，增大了下滑力，從而影響庫(kù)岸邊坡上滑坡推力的分布特征。因此，對(duì)于庫(kù)區(qū)邊坡而言，在進(jìn)行抗滑樁加固、設(shè)計(jì)計(jì)算方法的理論和試驗(yàn)研究中，需要考慮庫(kù)區(qū)蓄水和水位循環(huán)漲落這一重要因素對(duì)庫(kù)岸邊坡抗滑樁上滑坡推力的影響，而在動(dòng)水壓力作用下，抗滑樁滑坡推力實(shí)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(shí)際受力狀態(tài)存在差別，勢(shì)必造成潛在的浪費(fèi)或存在不穩(wěn)定因素[11]，因此，對(duì)庫(kù)岸邊坡抗滑樁上滑坡推力分布特征進(jìn)行深入研究具有重要意義。

計(jì)算庫(kù)水位作用下的滑坡推力，必然涉及到浸潤(rùn)線的確定。目前，浸潤(rùn)線的確定方法還沒(méi)有統(tǒng)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(rùn)線；第二種方法為，將滑體下三分之一線作為浸潤(rùn)線，這些方法均缺乏理論依據(jù)，鄭穎人等[12]根據(jù)包辛涅斯克(Boussinesq)非穩(wěn)定滲流微分方程，通過(guò)拉普拉斯正變換和逆變換，得到了庫(kù)水位下降時(shí)坡體內(nèi)浸潤(rùn)線的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，為工程應(yīng)用提供了一種科學(xué)的計(jì)算手段。

5 結(jié)語(yǔ)

庫(kù)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(duì)這一領(lǐng)域進(jìn)行深入研究，具有重要的工程意義。

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