高陡堆積體滑坡半坡樁無效錨固深度分析

上官力，馬顯春，肖 洋

(中鐵西南科學(xué)研究院有限公司，四川 成都 610031)

0 引言

抗滑樁是防治滑坡的一種工程構(gòu)筑物。我國抗滑樁技術(shù)是20世紀(jì)60年代在鐵路建設(shè)的實(shí)踐中，采用和發(fā)展起來的，幾十年來得到了迅速發(fā)展和推廣應(yīng)用[1-4]。

近年來，隨著工程規(guī)模的不斷擴(kuò)大，所遇到的滑坡問題越來越多，傳統(tǒng)形式上的普通抗滑樁已難以滿足工程需要，隨著工程實(shí)踐發(fā)展形成了H形抗滑樁[5-6]、門架式抗滑樁[7-9]、拱形抗滑樁墻[10-11]等新型支擋結(jié)構(gòu)，并得到了成功應(yīng)用。對(duì)抗滑樁的研究主要集中在樁后滑坡剩余下滑力與樁前滑體抗力的分布形式[12-14]、抗滑樁與周圍巖土體的相互作用[15-16]及抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算方法[17-19]等方面，但其基本理論仍是假設(shè)抗滑樁錨固段巖(土)體為一半無限空間彈性體。

但是，受地形條件的限制，抗滑樁也經(jīng)常被設(shè)置在斜坡上，即成為“半坡樁”。由于滑面較陡，半坡樁錨固段樁前巖土體無法提供有效的抗力，若按普通抗滑樁的設(shè)計(jì)理論來考慮，半坡樁的樁前抗力極有可能被高估，從而導(dǎo)致抗滑樁錨固段不足，不能對(duì)樁后巖(土)體起到有效的支擋作用。

目前，半坡樁的應(yīng)用越來越廣泛，但是尚未形成公認(rèn)成熟的設(shè)計(jì)理論與方法，也沒有相應(yīng)的設(shè)計(jì)規(guī)范出臺(tái)，其理論研究遠(yuǎn)落后于工程實(shí)踐。因此，作者對(duì)半坡樁的錨固特性進(jìn)行深入分析，重點(diǎn)研究半坡樁的無效錨固深度，拋磚引玉，以期提高滑坡防治效果，增加滑坡治理工程的可靠度。

1 高陡堆積體滑坡簡介

在滑坡范疇內(nèi)，有一類滑坡是發(fā)生于較陡(地面坡度一般達(dá)30°以上)的第四系及近代松散堆積層斜坡體上、前后緣高差通常達(dá)數(shù)百米，剪出口通常高于斜坡腳、河床、溝底或某一特定建構(gòu)筑物(群)，我們稱之為“高陡堆積體滑坡”。這類滑坡多發(fā)生在山前和河谷兩岸，其數(shù)量多、分布廣、危害大，在我國的滑坡災(zāi)害中占有很大的比例。

例如2010年7月18日凌晨1時(shí)，萬源市大竹鎮(zhèn)石嶺子村突發(fā)滑坡，滑體縱向長約365 m，橫向?qū)捈s100 m，滑體平均厚約22.5 m，體積約7.875×105m3，滑坡前后緣相對(duì)高差約200 m。高速下滑的滑坡體迅速堵塞前緣楊家河形成堰塞湖，并滑至楊家河左岸公路，致使上游2戶1樓被淹沒，部分公路損毀，交通中斷，并威脅下游新農(nóng)村居住點(diǎn)78戶385人(圖1(a))。2013年8月2日零時(shí)37分，云南省大關(guān)縣天星鎮(zhèn)內(nèi)(江)六(盤水)線K285+700～ K285+801線路右側(cè)發(fā)生滑坡(以下簡稱內(nèi)六線K285滑坡)，滑坡體縱向長度約370 m，橫向?qū)挾燃s120 m，主軸滑體厚度約10～25 m，總體積約1.00×106m3，滑坡前后緣相對(duì)高差約200 m?；卵泳d數(shù)百米，沖毀內(nèi)六線路基和大關(guān)至彝良老公路后墜入洛澤河?；略斐杉s200 m路基被沖毀，兩棟民房被毀，中斷行車17天，給國家?guī)砹司薮蟮慕?jīng)濟(jì)損失(圖1(b))。

高陡堆積體滑坡的演化形成具有其獨(dú)特性，滑坡發(fā)生后，滑體堆積在低位的緩坡或谷地中，根據(jù)低位的地形條件，滑坡體或停止運(yùn)動(dòng)或轉(zhuǎn)變成泥石流沿溝谷向下運(yùn)動(dòng)。高陡堆積體滑坡因其發(fā)育位置相對(duì)較高，前后緣高差大(常達(dá)數(shù)百米)，滑動(dòng)面傾角大(常大于30°)，在啟動(dòng)前的蠕滑變形階段隱蔽性很強(qiáng)、不易被發(fā)現(xiàn)，一旦啟動(dòng)則滑動(dòng)速度很快、滑動(dòng)距離大、危害性大、破壞力強(qiáng)、應(yīng)急搶險(xiǎn)難度大、后期治理技術(shù)要求高。對(duì)于此類高陡堆積體滑坡的治理，大多采用支擋工程結(jié)合排水工程進(jìn)行，抗滑樁作為主要的支擋工程被廣泛采用。

圖1 典型高陡堆積體滑坡Fig.1 Typical high dipping deposit landslide

2 半坡樁簡介

半坡樁是一種設(shè)置在特殊位置的抗滑樁，在高陡堆積體滑坡治理工程中廣泛應(yīng)用。王楨[20]將“樁身均位于斜坡體上的抗滑樁”稱為“半坡樁”。葉鵬、倪悅[21-22]將“設(shè)置在公(鐵)路路塹邊坡或陡斜坡上的抗滑樁，滑面較陡，尤其是錨固段樁前部分滑面陡傾，易形成一三角體，難以達(dá)到樁錨固段半無限體的要求，按常規(guī)抗滑樁計(jì)算理論無法進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算的抗滑樁”稱為“半坡樁”。

鑒于目前國內(nèi)外專門針對(duì)半坡樁的研究較少，半坡樁的定義還不明確，為了促進(jìn)半坡樁研究的進(jìn)一步發(fā)展，本文首先在前人研究的基礎(chǔ)上對(duì)半坡樁的概念做出新的解釋。

半坡樁是半坡抗滑樁的簡稱，是指設(shè)置在坡面和滑面均較陡處(通常在30°以上)、其錨固段樁前巖(土)體無法滿足半無限體的條件、通過樁身將受荷段樁體承受的滑坡推力傳遞給錨固段的穩(wěn)定巖(土)體、利用樁前穩(wěn)定地層的錨固力和被動(dòng)抗力來平衡滑坡推力、使滑坡體保持平衡或穩(wěn)定的一類抗滑支擋結(jié)構(gòu)物。

半坡樁(圖2(a))與普通抗滑樁(圖2(b))的主要區(qū)別在于[23]：普通抗滑樁是設(shè)置在坡腳部位，不僅起到支擋滑坡體的作用，同時(shí)還能加固滑坡體坡腳的薄弱部位，樁前巖(土)體是穩(wěn)定的，處于近似的半無限空間彈性體狀態(tài)，能夠?yàn)榭够瑯短峁┳銐虻目沽?，并能有效抑制樁的?cè)向變位；而半坡樁是設(shè)置在斜坡體上，樁前巖(土)體可能是穩(wěn)定的，也可能是不穩(wěn)定的，對(duì)樁提供的抗力有限，制約樁的變位能力相對(duì)較弱。半坡樁樁前巖(土)體在平面上呈三角形，若按常規(guī)抗滑樁設(shè)計(jì)理論來考慮，半坡樁的樁前抗力極有可能被高估，從而導(dǎo)致抗滑樁錨固段不足，不能對(duì)樁后巖(土)體起到有效的支擋作用。因此，半坡樁與普通抗滑樁的設(shè)樁位置不同，樁的周邊條件也不同，這就決定了它們的受力狀態(tài)和穩(wěn)定條件大不一樣，半坡樁的樁頂位移更大、抗傾覆的能力更差。

圖2 不同形式的抗滑樁Fig.2 Different forms of anti-slide pile

3 半坡樁無效錨固深度分析

治理高陡堆積體滑坡的半坡樁通常為彈性樁，故此本節(jié)分析僅考慮彈性半坡樁，借助數(shù)值模擬方法，分析總的錨固深度、滑面傾角、滑坡推力等因素的變化對(duì)彈性半坡樁無效錨固深度的影響，并找出它們之間的數(shù)值關(guān)系。

3.1 模型的建立

高陡堆積體滑坡模型的尺寸為x方向長50 m，y方向長10 m，z方向的長度則根據(jù)滑面傾角調(diào)整。共建立了滑面傾角為20°、25°、30°、35°、40°的五種形式的滑坡模型[圖3(a)～(e)]。半坡樁的截面尺寸為2.0 m×3.0 m，其模型見圖3(f)。

為了提高模型的對(duì)比性，同時(shí)又能反映實(shí)際地質(zhì)條件，特對(duì)模型做一些說明和假定：

(1)假定高陡堆積體滑坡的推力呈矩形分布，用作用在樁背上的水平均布荷載代替設(shè)樁處滑體剩余下滑力的水平分力。

(2)高陡堆積體滑坡的滑體以碎石土為主，穩(wěn)定性較差，因此不考慮樁前土體對(duì)樁的反力，僅考慮滑面以下基巖對(duì)樁的反力。

(3)本次數(shù)值模擬研究的重點(diǎn)是樁前滑床巖體的變形，為了便于控制變量，僅建立滑床巖體和半坡樁的模型。以作用在滑面上的豎向均布荷載模擬滑體的重力。

3.2 計(jì)算參數(shù)的確定

滑面以上的滑體厚度為10 m，滑體平均重度為20 kN/m3，因此滑體重力為200 kN/m2。

圖3 高陡堆積體滑坡及半坡樁計(jì)算模型Fig.3 Calculating models of the high dipping deposit landslide and the hemi-slope anti-slide pile

滑床巖體為泥質(zhì)灰?guī)r，密度2.35 g/cm3，彈性模量2.1×104MPa，抗壓強(qiáng)度7 MPa，抗拉強(qiáng)度7 MPa，泊松比0.3；天然強(qiáng)度參數(shù)c=3.23 MPa，φ=45.5°，飽和強(qiáng)度參數(shù)c=2.00 MPa，φ=43.0°。

半坡樁截面尺寸為2 m×3 m，采用C30混凝土澆筑，密度2.5 g/cm3，體積模量18.333 GPa，剪切模量13.75 GPa。

3.3 無效錨固深度的確定依據(jù)

為了確定無效錨固深度，本文以側(cè)向容許抗壓強(qiáng)度[1]作為樁前巖體失效的主要判斷依據(jù)。其計(jì)算方法如下：

當(dāng)錨固段為比較完整的巖質(zhì)、半巖質(zhì)地層時(shí)，樁身作用于圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力容許值σmax應(yīng)符合下列條件：

σmax≤KCR

(1)

式中：K——根據(jù)巖層構(gòu)造在水平方向的巖石容許承壓力的換算系數(shù)，取0.5～1.0；

C——折減系數(shù)，根據(jù)巖石的裂隙、風(fēng)化及軟化程度，取0.3～0.5；

R——巖石單軸抗壓極限強(qiáng)度/kPa。

本文以最不利條件來分析半坡樁的無效錨固深度，滑床基巖為泥質(zhì)灰?guī)r，完整性較好，換算系數(shù)K取0.5，折減系數(shù)C取0.3，單軸抗壓強(qiáng)度R為7 MPa，則樁前巖體失效時(shí)σmax=1.05 MPa，即當(dāng)樁前巖體最大主應(yīng)力大于1.05 MPa時(shí)，即認(rèn)為其失效。

為了提高準(zhǔn)確性，還將根據(jù)樁前巖體的應(yīng)力分布狀態(tài)(樁前巖體的應(yīng)力是否存在突變點(diǎn))，同時(shí)結(jié)合樁周巖體塑性區(qū)云圖，綜合判定樁前巖體的工作狀況，進(jìn)而確定半坡樁的無效錨固深度。

3.4 彈性半坡樁無效錨固深度分析

3.4.1總的錨固深度與彈性半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

彈性半坡樁總的錨固深度取6 m、7 m、8 m、9 m、10 m(表1)。從表1可以看出，在固定滑面傾角和滑坡推力時(shí)，隨著總錨固深度的增加，無效錨固深度在一個(gè)小范圍內(nèi)波動(dòng)，其上下限值不超過10 cm，說明總的錨固深度對(duì)無效錨固深度影響較小。

3.4.2滑面傾角與彈性半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

滑面傾角取20°、25°、30°、35°、40°(表2)。從表2可以看出，在總錨固深度一定時(shí)，滑面傾角和無效錨固深度呈正相關(guān)性，隨著滑面傾角的增加，無效錨固深度也在增加，而且當(dāng)滑坡推力越大時(shí)，無效錨固深度增加的越快。

表1 總錨固深度與半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

表2 滑面傾角與彈性半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

3.4.3滑坡推力與彈性半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

滑坡推力取300 kN/m、500 kN/m、600 kN/m、700 kN/m、800 kN/m、900 kN/m、1 000 kN/m，固定總的錨固深度和滑面傾角，分析滑坡推力與半坡樁無效錨固深度的關(guān)系見表3。

表3 滑坡推力與彈性半坡樁無效錨固深度的關(guān)系

從表3可以看出，在總錨固深度一定時(shí)，滑坡推力和無效錨固深度呈正相關(guān)性，隨著滑坡推力的增加，無效錨固深度也在增加，二者之間并不是線性關(guān)系。

對(duì)比多種函數(shù)曲線，公式(2)能較好的擬合滑坡推力與無效錨固深度的關(guān)系。

y=y0-Ae(R0x)

(2)

依照公式(2)對(duì)表3數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合分析。

滑面傾角為20°時(shí)，滑坡推力與無效錨固深度擬合曲線如圖4(a)所示，其關(guān)系式為：

l2=4.198 1-4.331 74e-0.001 11F

(3)

滑面傾角為30°時(shí)，滑坡推力與無效錨固深度擬合曲線如圖4(b)所示，其關(guān)系式為：

l2=5.898 37-5.865 03e-0.000 775 053F

(4)

滑面傾角為40°時(shí)，滑坡推力與無效錨固深度擬合曲線如圖4(c)所示，其關(guān)系式為：

l2=13.413 16-13.183 05e-0.000 349 19F

(5)

公式(3)(4)(5)中l(wèi)2為無效錨固深度/m；F為滑坡推力/(kN·m-1)。

圖4 滑坡推力與無效錨固深度的擬合曲線Fig.4 Proportion relationship fitting curve of the ineffective anchoring depth and the landslide thrust

3.5 半坡樁無效錨固深度計(jì)算

為了便于分析，假定半坡樁無效錨固深度與總的錨固深度無關(guān)。

假定無效錨固深度l2與滑面傾角α、滑坡推力F之間滿足如下關(guān)系式：

l2=f(α)·w(F)

(6)

為了找出l2與α、F的關(guān)系式，先找出不同α下l2之間的相互關(guān)系。

令滑面傾角為20°時(shí)，半坡樁無效錨固深度為1，其余滑面傾角時(shí)，無效錨固深度與滑面傾角為20°時(shí)的比值見表4所示。

表4 不同滑面傾角時(shí)半坡樁無效錨固深度的比例關(guān)系

其擬合曲線如圖5所示，其關(guān)系式為：

s=0.751 57+0.099 7e0.045 72α

(7)

公式(7)中s為不同滑面傾角下半坡樁無效錨固深度和滑面傾角為20°時(shí)的無效錨固深度的比值，α為滑面傾角。

將式(3)、式(7)代入式(6)有：

l2=(0.751 57+0.099 7e0.045 72α)×

(4.198 1-4.331 74e-0.001 11F)

(8)

公式(8)即為彈性半坡樁無效錨固深度和滑面傾角、滑坡推力的關(guān)系式。

圖5 不同滑面傾角下無效錨固深度比例關(guān)系擬合曲線Fig.5 Proportion relationship fitting curve of the ineffective anchoring depths under different sliding surface angles

將不同滑面傾角及滑坡推力數(shù)值代入公式(8)得到計(jì)算結(jié)果如表5所示。

從表5可以看出，半坡樁無效錨固深度的計(jì)算值和數(shù)值分析值較接近，表明公式(8)能較好的反映參數(shù)之間的數(shù)值關(guān)系。

4 結(jié)語

半坡樁是高陡堆積體滑坡治理中最常見的一類工程措施。

在系統(tǒng)分析高陡堆積體滑坡的特點(diǎn)、明確半坡樁概念的基礎(chǔ)上，結(jié)合數(shù)值模擬重點(diǎn)研究了彈性半坡樁無效錨固深度與總的錨固深度、滑面傾角及滑坡推力的關(guān)系。結(jié)果表明，彈性半坡樁的無效錨固深度受總的錨固深度影響較小，當(dāng)總的錨固深度增加時(shí)，無效錨固深度在小范圍內(nèi)波動(dòng)；彈性半坡樁的無效錨固深度與滑面傾角及滑坡推力呈指數(shù)正相關(guān)性，隨著滑面傾角及滑坡推力的增加，無效錨固深度也在增加。

表5 半坡樁無效錨固深度計(jì)算結(jié)果和數(shù)值模擬結(jié)果對(duì)比表

注：總的錨固深度為8 m。

在半坡樁的設(shè)計(jì)中，無效錨固段是不容忽視的，其關(guān)系到治理工程的成敗。作者通過數(shù)值分析對(duì)這一問題做了初步的理論分析，在后續(xù)工作中，還將利用物理模型試驗(yàn)方法，進(jìn)一步分析研究半坡樁在治理高陡堆積體滑坡過程中的受力機(jī)制、錨固特性及變形破壞特征等，分析總結(jié)半坡樁的工程實(shí)踐設(shè)計(jì)原則與方法，以期使對(duì)半坡樁的理論研究更好的服務(wù)于工程實(shí)踐。