某高速公路邊坡的滑坡分析與抗滑樁防護(hù)設(shè)計(jì)

黃小滿，張紅星

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西　南寧　530007)

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某高速公路邊坡的滑坡分析與抗滑樁防護(hù)設(shè)計(jì)

黃小滿，張紅星

(廣西交通科學(xué)研究院，廣西南寧530007)

黃小滿(1981—)，男，工程師，主要從事公路工程勘察設(shè)計(jì)工作。

摘要：文章以廣西某高速公路滑坡治理為例，基于該滑坡區(qū)環(huán)境地質(zhì)特征，采用剩余下滑力法對(duì)該滑坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算分析，提出利用抗滑樁方案對(duì)其進(jìn)行加固整治，并根據(jù)剛性樁法計(jì)算樁身內(nèi)力，驗(yàn)算了樁身穩(wěn)定性，為類似滑坡治理工程提供參考。

關(guān)鍵詞：高速公路；邊坡；滑坡；剩余下滑力；穩(wěn)定性；抗滑樁；防護(hù)設(shè)計(jì)

0引言

公路邊坡穩(wěn)定對(duì)于公路安全運(yùn)行至關(guān)重要，由于人工開挖邊坡對(duì)原本穩(wěn)定的自然坡體造成了擾動(dòng)，如果其再受到地震、強(qiáng)降雨等因素影響，極有可能造成邊坡失穩(wěn)產(chǎn)生滑坡。公路邊坡滑坡在我國是一種常見的自然災(zāi)害，嚴(yán)重威脅公路安全。對(duì)于公路邊坡的穩(wěn)定性分析及治理一直是工程師們關(guān)注的熱點(diǎn)之一，某些道路邊坡治理費(fèi)用高昂，如京珠高速公路廣東北段高于30 m的邊坡85處，治理滑坡和高邊坡加固費(fèi)用將近8億元[1，2]；云南省元江至磨黑高速公路高于30 m的邊坡為432處，出現(xiàn)災(zāi)害177處，治理和加固費(fèi)用高達(dá)5億元[3]；重慶萬州至梁平高速公路在砂泥巖順層地段的加固費(fèi)用將近2億元[4]。在公路邊坡整治中，抗滑樁是一種加固效果良好的方法，抗滑樁的合理設(shè)計(jì)，不僅關(guān)系到邊坡的穩(wěn)定與否，還能夠降低成本造價(jià)。因此，本文以廣西某條高速公路上一處滑坡治理為例，分析論證路基邊坡的穩(wěn)定性，判斷邊坡的滑坡規(guī)模，并提出利用抗滑樁進(jìn)行治理的措施，為類似工程治理提供參考。

1滑坡區(qū)環(huán)境地質(zhì)特征

1.1　氣象水文特征

某高速公路位于桂北山區(qū)，該道路穿越地區(qū)氣候垂直分帶明顯，干濕季分明。根據(jù)氣象資料統(tǒng)計(jì)，該地區(qū)年平均降雨量較為豐富，年平均降雨量1 470 mm；歷年平均氣溫10.8 ℃~28 ℃，年平均日照時(shí)數(shù)1 025~1 771 h。其雨季集中在5~9月，占全年降水量80%以上，同時(shí)也是地下水補(bǔ)給的集中時(shí)期。夏季受臺(tái)風(fēng)影響大，臺(tái)風(fēng)侵襲時(shí)大量降雨，常造成山體滑坡及洪澇災(zāi)害。

1.2　地形地貌和區(qū)域構(gòu)造

本項(xiàng)目區(qū)域地形復(fù)雜，屬構(gòu)造侵蝕-剝蝕低山地貌形態(tài)，起伏較大，切割較深，溝谷多呈“Ⅴ”型，原始地形大體上呈西北高、東南低，地形坡度較大，一般自然山坡坡度為20°~38°，本路段山脈走向呈北東-南西向。本區(qū)域內(nèi)構(gòu)造復(fù)雜，新構(gòu)造運(yùn)動(dòng)活躍。構(gòu)造帶東西長(zhǎng)達(dá)10 km，構(gòu)造兩側(cè)地層褶皺強(qiáng)烈，巖體破碎，分布雜亂。受其影響，沿線巖石節(jié)理裂隙發(fā)育，破碎強(qiáng)烈。

1.3　水文地質(zhì)

該高速公路滑坡區(qū)域的地表水體主要是路基左側(cè)的小河流，雨季洪流槽道擺動(dòng)不定，洪水或稀性泥石流對(duì)坡腳有側(cè)蝕作用，對(duì)坡體的穩(wěn)定不利。工作區(qū)坡面較陡，降雨形成的坡面徑流對(duì)坡面有侵蝕作用。地下水類型為孔隙水與巖溶水，均屬潛水性質(zhì)。

1.4　滑坡規(guī)模及地層狀況

在公路工程前期實(shí)地勘察階段發(fā)現(xiàn)該高速公路挖方路基處于一個(gè)古滑坡地形上。根據(jù)地質(zhì)勘查報(bào)告結(jié)果，該滑坡長(zhǎng)450 m，寬110 m，平面形態(tài)呈“弓”形，面積為6.2×104m2，體積約為70×104m3，為牽引式滑坡，滑坡方向?yàn)?50°?；虑熬壐叱虨?57~159 m，后緣高程為206~207 m，相對(duì)高差約為46 m，屬于坡積層轉(zhuǎn)化形成的老滑坡。在地質(zhì)勘查期間又發(fā)現(xiàn)了老滑坡剪出口以外的堆積物復(fù)活，由于滑坡前緣土體受到河水的沖刷作用，土體下滑形成了新的滑坡，其中，新滑坡長(zhǎng)度為200 m，寬度為110 m，滑坡體厚2.7~17.5 m，主要由坡積粉質(zhì)黏土夾碎石組成，表層存在人工填土，近河邊存在沖洪積的粉土或粉砂土，現(xiàn)已成為滑坡體的一部分。人工填土以棄土層為主，偶夾有工業(yè)棄渣及生活、建筑垃圾。該層結(jié)構(gòu)疏松，厚度變化較大，一般為0~1 m，局部可達(dá)6.5 m?；麦w坡積層以粉質(zhì)黏土為主，含有碎石、塊石，粒徑為3~50 cm，最大可達(dá)135 cm。前緣近河床一帶，受河水沖刷侵蝕，土體中的細(xì)小顆粒被水帶走，多見直徑1~3 m泥巖、砂巖塊石，該層厚度為1.6~10 m。

2邊坡穩(wěn)定性分析

2.1　計(jì)算模型

選取滑坡后緣具有代表性的張拉裂縫所在的剖面，對(duì)該路段邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行分析計(jì)算。根據(jù)勘察報(bào)告，該滑坡的主要破壞形式是上部的粉質(zhì)黏土夾碎石土沿下部的砂質(zhì)泥巖層頂面出現(xiàn)滑動(dòng)，根據(jù)坡面和滑動(dòng)面的形狀，將滑動(dòng)體劃分成四塊，分別命名為塊Ⅰ、塊Ⅱ、塊Ⅲ和塊Ⅳ，如圖1所示，在塊Ⅰ后方出現(xiàn)了明顯的張拉裂縫，最大寬度為24.3 cm，深度約為0.7~2.8 m。

圖1　邊坡穩(wěn)定性計(jì)算簡(jiǎn)圖

2.2　計(jì)算參數(shù)

滑動(dòng)面土質(zhì)力學(xué)的參數(shù)關(guān)系到穩(wěn)定性的計(jì)算結(jié)果，根據(jù)勘察報(bào)告，滑動(dòng)體的幾何參數(shù)、土質(zhì)參數(shù)如表1所示。

表1　邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算參數(shù)表

2.3　計(jì)算公式

本滑坡的滑動(dòng)面出現(xiàn)在上部的粉質(zhì)黏土夾碎石層和下部的砂質(zhì)泥巖界面處，考慮到該滑坡需要一定的安全儲(chǔ)備，采用剩余下滑力法計(jì)算該滑坡的穩(wěn)定性：

Ei=KWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中，Ei——第塊的剩余下滑力(kN)；

K——邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)，本工程取1.25；

Wi——第i塊滑塊的重量(kN)；

αi——第i塊的滑面傾角(m)；

ci和φi——第i塊滑體滑面上巖土體的粘聚力

(kPa)和內(nèi)摩擦角(°)；

li——第i塊滑體的滑面長(zhǎng)度(m)；

ψi——傳遞系數(shù)。

依次計(jì)算Ⅰ~Ⅳ滑塊的剩余下滑力，如果上方滑塊有剩余下滑力，則此下滑力傳遞到下方滑塊上，如果滑塊Ⅳ的剩余下滑力為正值，表明滑坡體是不穩(wěn)定的；反之，如果是負(fù)值，表明是穩(wěn)定的。以滑塊Ⅰ為例，分別計(jì)算其下滑力和抗滑力，其下滑力為：

KWisinαi=1.25×21 132.9×sin37°=15 897.2 kN

其抗滑力為：

Wicosαitanφi+cili=21 132.9×cos37°tan13°+10×95.3=4 849.4 kN

則滑塊Ⅰ的剩余下滑力為11 047.8 kN，依此方法，分別計(jì)算其它滑塊的剩余下滑力，邊坡穩(wěn)定的計(jì)算結(jié)果匯總于表2中，滑塊Ⅳ的剩余下滑力為300.9 kN，表明此邊坡的安全儲(chǔ)備不足。

表2　邊坡穩(wěn)定分析的計(jì)算結(jié)果表

3抗滑樁方案論證

該滑坡相對(duì)高差較大，為46 m，且下滑力較大，下方臨近河流，且上方為老滑坡，仍有活動(dòng)的條件，需要進(jìn)行加固整治?；录庸痰姆椒ㄓ卸喾N，常用的有錨索法、擋土墻法和抗滑樁法等，錨索法常用于坡度較大的巖體邊坡加固，本工程滑動(dòng)體主要是粉質(zhì)黏土夾碎石，且坡度較小，錨索用量較大，不夠經(jīng)濟(jì)；擋土墻法需要對(duì)邊坡進(jìn)行開挖，對(duì)滑動(dòng)體產(chǎn)生擾動(dòng)，適用于滑動(dòng)面較淺的滑坡，該滑坡的滑動(dòng)力較大，滑動(dòng)面又較深，而且擋土墻的抗滑能力弱于抗滑樁；抗滑樁具有抗滑能力強(qiáng)，適用于滑坡推力大、滑動(dòng)帶深的滑坡，并且人工開挖面小，不易惡化當(dāng)前的滑坡狀態(tài)。經(jīng)綜合比較最終確定此處滑坡采用抗滑樁進(jìn)行加固。

抗滑樁設(shè)在下方臨近河流處，既考慮到在滑坡體的下部滑坡推力較小，可以減小抗滑樁的規(guī)模，同時(shí)在臨河處增加適當(dāng)?shù)姆浪胧?，可以有效防止河水的侵蝕沖刷，對(duì)上部的巖土體起到較好的保護(hù)作用。

3.1　樁身內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)滑坡體計(jì)算的下滑力及抗滑樁需要設(shè)置的長(zhǎng)度，按設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)值可以初步擬定抗滑樁截面為b×a=2 m×3 m，下伏錨固端地基的抗力系數(shù)A=A′=72 100 kN/m2，混凝土采用C30，混凝土彈性模量E=3.0×104kN/m2，抗滑樁滑面以上土層厚度h1=10 m?？够瑯兜南虏垮^固巖層為中風(fēng)化砂質(zhì)泥巖，質(zhì)地均勻，透水性差，孔隙率為3.7%，單軸抗壓強(qiáng)度為18.0 MPa。抗滑樁的錨固深度應(yīng)能保證提供足夠的抵抗力，通常要求抗滑樁傳遞到下部砂質(zhì)泥巖的側(cè)壁壓力不大于地層的側(cè)向容許抗壓強(qiáng)度，樁長(zhǎng)不宜過大，否則錨固作用不再顯著，造成浪費(fèi)。根據(jù)工程經(jīng)驗(yàn)，若地層為土層或軟巖，錨固長(zhǎng)度一般取1/3~1/2樁長(zhǎng)，本工程取滑面以下長(zhǎng)度h2=8 m?？够瑯兜拈g距設(shè)置應(yīng)保證土體不會(huì)從樁間擠出，當(dāng)滑體完整、密實(shí)和下滑力較小時(shí)，樁間距可適當(dāng)大些，反之則小些。此處抗滑樁間距L取樁長(zhǎng)的1/3~2/5=6.0~7.2 m，取L=6.0 m。

3.1.1荷載計(jì)算

根據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》(JGJ94-2008)對(duì)地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m的取值方法，此滑坡滑床的m值m1取30 000 kN/m4，m2取41 000 kN/m4，然后計(jì)算m值：

=38 000 kN/m4

由上述2.3部分計(jì)算知該滑坡的剩余下滑力，即水平推力EH=300.9 kN。

樁前的被動(dòng)土壓力為：

即樁前被動(dòng)土壓力>剩余下滑力，可取樁前土的抗力為0 kN/m。

3.1.2計(jì)算變形系數(shù)α

對(duì)于矩形截面的抗滑樁，計(jì)算寬度Bp=b+1=2+1=3 m

其計(jì)算深度αh2=0.25×8=2<2.5，故可按剛性樁計(jì)算。

3.1.3彎矩和剪力計(jì)算

設(shè)作用在樁上的水平推力及剩余下滑力按矩形分布，則有：qH=EHL/h1=180.5 kN/m。由于樁前的剩余下滑力為0，則最終作用在單樁上的分布荷載為180.5 kN/m。滑面以上樁體視為懸臂構(gòu)件，用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算樁身的最大剪力和最大彎矩分別為：Qmax=7 541.0 kN，Mmax=30 342.4 kN/m，地層對(duì)樁身的最大抗力為1 301.7 kPa。

3.2　抗滑樁的穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑樁穩(wěn)定性與其嵌固段長(zhǎng)度、樁間距、樁截面寬度和滑床巖土體強(qiáng)度等有關(guān)，可用圍巖容許側(cè)壓力公式判定：

對(duì)于較完整巖體、硬質(zhì)粘土巖體：σmax≤p1R

(3)

對(duì)于一般土體或嚴(yán)重風(fēng)化破碎巖層：σmax≤p2(σp-σa)

(4)

其中，σmax為嵌固段圍巖最大側(cè)向壓力，本工程中σmax=1 301.7kPa；p1和p2為折減系數(shù)，均取0.5；R為巖石單軸抗壓強(qiáng)度，本工程取18 MPa；σp和σa分別為樁前和樁后巖土體作用在樁身上的被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力。由于該工程樁身嵌固段為砂質(zhì)泥巖，按硬質(zhì)黏土巖體考慮，故按公式(3)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算。即1 301.7 kPa<0.5×18×103=9 000 kPa，故樁身的穩(wěn)定性滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3　抗滑樁的配筋計(jì)算

抗滑樁按受彎構(gòu)件來考慮，矩形抗滑樁縱向受拉鋼筋配置數(shù)量根據(jù)彎矩圖分段確定，主筋采用HRB400級(jí)螺紋鋼筋，箍筋采用HRB335級(jí)鋼筋，鋼筋保護(hù)層厚度取50 mm，按照《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50010-2002)進(jìn)行配筋計(jì)算。限于篇幅，抗滑樁受彎和受剪配筋計(jì)算方法詳見上述規(guī)范，抗滑樁受彎強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.2，抗滑樁斜截面受剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.3，經(jīng)計(jì)算，縱向受拉鋼筋A(yù)s=37 806.3 mm2；抗滑樁斜截面受剪強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)取1.3，箍筋最終選用φ12@200，兩者均滿足最小配筋率要求。配筋圖如圖2所示。

圖2　抗滑樁配筋圖

3.4　抗滑樁布置及監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)

抗滑樁布置在滑坡的下部，臨近河流邊緣，根據(jù)設(shè)計(jì)布置一排抗滑樁，其具體位置見圖3所示。另外，該滑坡還進(jìn)行了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)，在坡頂張拉裂縫位置處布置3個(gè)裂縫寬度監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在老滑坡區(qū)布置2個(gè)深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)，在新滑坡區(qū)布置1個(gè)深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)，同時(shí)布置了2個(gè)地下水位觀測(cè)點(diǎn)和2個(gè)地表位移觀測(cè)點(diǎn)。

圖例：?為滑動(dòng)方向，●為深層水平位移觀測(cè)點(diǎn)，■為地下水位觀測(cè)點(diǎn)，+地表位移觀測(cè)點(diǎn)，為抗滑樁，為滑坡裂縫寬度觀測(cè)點(diǎn)

圖3K48+000~K48+256段抗滑樁布置及監(jiān)測(cè)示意圖

4結(jié)語

采用剩余下滑力法對(duì)某高速公路邊坡的穩(wěn)定性進(jìn)行了計(jì)算，發(fā)現(xiàn)此邊坡屬于不穩(wěn)定坡體。對(duì)多種處理方案進(jìn)行比較，確定采用抗滑樁方案對(duì)此邊坡進(jìn)行加固整治。根據(jù)剛性樁法計(jì)算了抗滑樁樁身的內(nèi)力，并進(jìn)行了樁身穩(wěn)定性驗(yàn)算和樁身配筋計(jì)算。此邊坡另外還進(jìn)行了監(jiān)測(cè)設(shè)計(jì)和排水防護(hù)設(shè)計(jì)，限于篇幅，這些內(nèi)容不再介紹。此邊坡施工后，經(jīng)監(jiān)測(cè)位移符合標(biāo)準(zhǔn)，處于穩(wěn)定狀態(tài)，表明此設(shè)計(jì)合理。

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Landslide Analysis and Anti-slide Pile Protection Design of An Expressway Slope

HUANG Xiao-man，ZHANG Hong-xing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：With the landslide treatment of an expressway in Guangxi as the example，based on the environ-mental geological characteristics of this landslide area，this article calculated and analyzed the stability of this landslide by using the sliding force surplus method，proposed using the anti-slide pile program for its rein-forcement and remediation，calculated the internal pile force based on rigid pile method，and checked the pile stability，thereby providing the reference for similar landslide treatment projects.

Keywords：Expressway； Slope； Landslide； Sliding force surplus； Stability； Anti-slide pile； Protective design

收稿日期：2015-04-02

文章編號(hào)：1673-4874(2015)05-0023-04

中圖分類號(hào)：U418.5+2

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.007

作者簡(jiǎn)介