組合圓形抗滑樁在高速公路滑坡治理工程中的應(yīng)用

李 剛

(陜西省高速公路建設(shè)集團(tuán)公司，西安 710065)

隨著我國高速公路建設(shè)的迅猛發(fā)展，近年來山區(qū)新建高速公路項(xiàng)目日益增多。在山區(qū)修筑高速公路，開挖路塹會(huì)改變?cè)械刭|(zhì)平衡[1-2]，若防護(hù)措施不足，易導(dǎo)致邊坡滑塌，無論是對(duì)高速公路建設(shè)或運(yùn)營(yíng)期的行車安全都會(huì)造成威脅，本文就滑坡的治理進(jìn)行探討。

1 滑坡地質(zhì)概況和成因分析

1.1 滑坡展布及特征

2019年10月8日，位于秦巴山區(qū)某高速公路K40+009～K40+340段發(fā)生滑坡，造成區(qū)域內(nèi)房屋、道路破壞，路基邊坡防護(hù)及排水設(shè)施損壞，受災(zāi)群眾26戶，受災(zāi)面積1.53×105m2。該處地形南高北低，坡面為耕種臺(tái)地，發(fā)育2條沖溝。原設(shè)計(jì)路塹最大開挖高度30.5 m，當(dāng)年5月防護(hù)工程完工后沒有變形跡象，10月8日該斜坡含路基整體平移48 m，滑面位于路床下11.2 m～13.8 m，未沿路塹坡腳剪出?；麻L(zhǎng)400 m，寬330 m，厚度18 m～20 m，體積137萬m3，主滑方向與線路軸線夾角約83°，屬中厚層巨型滑坡?；潞蟊诔嗜σ螤睿泻缶壘植慷噶ⅲ邢虏口吘?，整體呈簸箕狀，前緣隆起，后緣洼地發(fā)育，如圖1所示。

圖1 滑坡地貌

1.2 滑坡巖性特征

滑坡區(qū)屬秦嶺褶皺系，地質(zhì)構(gòu)造復(fù)雜，構(gòu)造變形強(qiáng)烈。滑坡出露地層為白奎系砂泥巖互層及砂礫巖，上覆第四系上更新統(tǒng)殘坡積層，地層差異明顯，分述如下。

2)滑帶：處于全風(fēng)化泥巖層中，厚度0.3 m～2.6 m，呈層狀、餅形土狀，潮濕，可塑-硬塑，見明顯擠壓揉搓跡象；后部滑帶為殘坡積土層，見擠壓揉搓跡象，稍濕，軟塑-硬塑。

3)滑床：由泥巖、礫巖和砂巖組成，其中全風(fēng)化泥巖(K)呈灰褐色，原巖風(fēng)化劇烈，結(jié)構(gòu)、構(gòu)造完全破壞，巖芯破碎，呈土狀；強(qiáng)-中風(fēng)化泥巖(K)呈灰褐色，泥質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，巖芯呈碎塊狀-短柱狀；強(qiáng)-中風(fēng)化礫巖(K)呈深灰色，礫狀、層狀構(gòu)造，成分為砂巖等，強(qiáng)度較差；強(qiáng)-中風(fēng)化砂巖(K)呈深灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，泥質(zhì)含量較大。

1.3 滑坡成因

通過對(duì)勘察資料和滑坡特征分析[3]，該滑坡產(chǎn)生的原因如下。

1)地形地貌?；聟^(qū)屬侵蝕堆積中低山斜坡地貌，坡體后緣為較陡的山脊，中部為綜合坡度 10°～15°的斜坡?；虑熬墳槌Ｄ炅魉恿?，后緣與河床高差72 m，坡腳深4 m的河床為滑坡提供了空間條件。

2)地層巖性與結(jié)構(gòu)。坡體表層為薄層粉質(zhì)粘土，成分不均勻，結(jié)構(gòu)松散；中層為厚層殘坡積亞粘土，結(jié)構(gòu)松散，泥質(zhì)含量高。這2層土體滲水飽和后難以排水，形成巨大的下滑力，為滑坡提供了必要的動(dòng)力條件。下層為全風(fēng)化泥巖，已風(fēng)化成土狀，產(chǎn)狀309°∠200°，為傾角略大的順層。該層透水性很差，長(zhǎng)期保持在飽水狀態(tài)，軟化后極易形成軟弱結(jié)構(gòu)面。

3)集中降水。該地區(qū)當(dāng)年6月—9月降雨天數(shù)多達(dá)42 d，月均降雨量達(dá)145.9 mm。坡體梯田呈凹形緩坡，排水不暢導(dǎo)致土體浸水飽和后自重增大近20%，聚積了較大的勢(shì)能；同時(shí)，全風(fēng)化泥巖和土體軟化后抗剪強(qiáng)度急劇下降，坡體平衡被打破后產(chǎn)生了滑坡。

4)路塹開挖。路塹開挖后，坡腳土反壓阻擋力減小，并形成新的臨空面，可能引起坡體失穩(wěn)。但經(jīng)計(jì)算分析，滑面反翹處的剩余下滑力5 370 kN/m遠(yuǎn)大于路塹開挖土體的反壓阻擋力3 568 kN/m，故路塹開挖不是滑坡產(chǎn)生的主要因素。

綜合上述分析可知，地形地貌、地層巖性與結(jié)構(gòu)是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在因素，持續(xù)降雨增加了坡體重量、軟化了巖土體，使得抗剪強(qiáng)度降低，是誘發(fā)滑坡產(chǎn)生的決定性因素。

根據(jù)滑坡發(fā)展過程和現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查資料，滑坡體中后部先發(fā)生錯(cuò)動(dòng)破壞，中前部出現(xiàn)多道鼓脹裂縫，形成的臺(tái)地有局部反傾跡象，而后中前部發(fā)生推移式破壞，前緣隆起現(xiàn)象嚴(yán)重，根據(jù)滑坡受力狀態(tài)綜合判斷，該滑坡屬于推移式滑坡[4]。

2 滑坡穩(wěn)定性分析與評(píng)價(jià)

2.1 滑帶土參數(shù)選擇

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算參數(shù)以原狀土樣室內(nèi)試驗(yàn)結(jié)果為依據(jù)，采用反算法計(jì)算飽和狀態(tài)下強(qiáng)度參數(shù)，再結(jié)合地區(qū)經(jīng)驗(yàn)對(duì)參數(shù)進(jìn)行適當(dāng)調(diào)整，最終確定c、φ及γ值，見表1。

表1 滑帶土力學(xué)參數(shù)

2.2 滑坡穩(wěn)定性計(jì)算及評(píng)價(jià)

滑坡穩(wěn)定性計(jì)算分析考慮3種工況，即天然狀態(tài)、飽和狀態(tài)、地震狀態(tài)[5]，安全系數(shù)分別為1.3、1.2、1.15。根據(jù)地質(zhì)勘察資料，通過潛在邊坡區(qū)的破壞邊界條件和可能失穩(wěn)方式確定最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，選取如圖1所示1-1′、2-2′、3-3′三條主滑剖面作為計(jì)算斷面，采用傳遞系數(shù)法，計(jì)算滑動(dòng)帶剪出位置為河道附近(原滑面)及開挖邊坡坡腳(潛在滑動(dòng)面)，對(duì)3-3′主滑面建立條分法剖面，如圖2所示。

圖2 條分法3-3′剖面

滑坡現(xiàn)狀及開挖路基后各斷面的穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果見表2。

表2 不同工況下滑坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果及評(píng)價(jià)

綜上所述，該滑坡整體在天然和飽和狀態(tài)下處于基本穩(wěn)定-穩(wěn)定狀態(tài)，但在地震狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)；當(dāng)路基再次開挖后，潛在滑面剪出口位于路基坡腳處，該處滑面在天然和飽和狀態(tài)下處于欠穩(wěn)定-基本穩(wěn)定狀態(tài)，在地震狀態(tài)下處于不穩(wěn)定狀態(tài)。因此，需對(duì)該滑坡進(jìn)行加固治理。

3 滑坡綜合治理

結(jié)合現(xiàn)場(chǎng)地勘、調(diào)研與穩(wěn)定性分析，按照“綜合治理、因地制宜、便于施工、節(jié)約投資”的原則，對(duì)滑坡進(jìn)行綜合治理。由于滑坡體波及范圍外的橋梁涵洞等均已建成，若采用改線方案，需改移路線1 685 m，廢棄已建工程，新增總造價(jià)高達(dá)1.53億元，因此摒棄改線方案，采用抗滑樁治理方案。

3.1 組合圓形抗滑樁與矩形抗滑樁對(duì)比分析

將組合圓形抗滑樁和傳統(tǒng)矩形抗滑樁進(jìn)行方案比選，具體對(duì)比分析如下。

1)受力對(duì)比

根據(jù)剛度相等的原則，將直徑1.8 m的組合圓形抗滑樁與1.5 m×2.2 m的矩形截面抗滑樁采用懸臂樁法計(jì)算得知，樁頂位移分別為14.2 mm、13.5 mm，樁身最大彎矩值分別為38 435 kN·m、40 176 kN·m。計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)[6-9]研究結(jié)果基本一致，即與等截面抗彎剛度矩形樁相比，圓形樁的樁頂位移約為71%～91%、截面彎矩約為43%～104%、相同高度處滑坡推力約為44%～98%；圓形樁土拱現(xiàn)象相對(duì)不明顯，但受力過程中傳力更均勻，對(duì)樁底嵌固端強(qiáng)度要求更低。

2)經(jīng)濟(jì)對(duì)比

組合圓形抗滑樁在受拉側(cè)配置工字鋼以承受大部分滑坡推力[10]，減小抗滑樁截面尺寸，降低滑坡治理工程規(guī)模；同時(shí)以冠梁連接各抗滑樁形成門架結(jié)構(gòu)，使抗滑樁受力更均勻。組合圓形抗滑樁工程造價(jià)為2 868.2萬元，較矩形抗滑樁治理方案節(jié)約16.9%，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。

3)施工對(duì)比

傳統(tǒng)矩形截面抗滑樁通常采用人工開挖，施工周期長(zhǎng)，在雨季施工和爆破施工時(shí)作業(yè)人員安全無法得到保障[11]；圓形截面抗滑樁采用旋挖鉆機(jī)施工，成孔效率高，施工工期短，安全風(fēng)險(xiǎn)小，對(duì)土層擾動(dòng)小，孔徑選擇方便靈活。

綜上所述，組合圓形抗滑樁受力更均勻、工程造價(jià)更低、施工更安全高效，故本滑坡治理工程采用組合圓形抗滑樁。

3.2 組合圓形抗滑樁綜合治理方案

1)清方卸載

由于該滑坡體積巨大，路塹通過滑坡體前緣，最大剩余下滑力較大，為降低滑坡治理成本，采用先在滑坡后緣卸載17.9萬m3，再用抗滑樁進(jìn)行綜合治理的方案。

2)剩余下滑力計(jì)算

結(jié)合滑坡整體穩(wěn)定系數(shù)及下滑推力，增加滑坡中后緣卸載和路基開挖后穩(wěn)定性驗(yàn)算，各斷面的穩(wěn)定性計(jì)算分析結(jié)果見表3。

表3 卸載后不同工況下滑坡剩余下滑力計(jì)算

綜上可知，滑坡在卸載及路基開挖后的穩(wěn)定性滿足要求，滑坡整體穩(wěn)定；在地震狀態(tài)下，原滑面最大剩余下滑力為404.1 kN/m，潛在滑動(dòng)面最大剩余下滑力為1 164.7 kN/m，處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

3)抗滑樁設(shè)計(jì)

作用于抗滑樁處的推力計(jì)算采用樁后滑坡推力減去樁前抗力，樁前抗力采用滑體處于極限平衡時(shí)的推力和樁前被動(dòng)土壓力的小值?？够瑯端芡屏σ姳?。

當(dāng)然，更重要的是，我們要從文化素養(yǎng)和道德建設(shè)的層面，深刻反思中華民族優(yōu)秀文化傳統(tǒng)所出現(xiàn)的嚴(yán)重?cái)鄬?，華夏千年禮儀之邦，如今竟至斯文掃地，四處丟丑，乃至遭人蔑視。說到底，如今整個(gè)社會(huì)道德水準(zhǔn)亟待提高，造成這種現(xiàn)狀的原因很復(fù)雜，全社會(huì)都有責(zé)任。二十年前，我曾與著名社會(huì)學(xué)家金耀基教授進(jìn)行過一次有關(guān)中華文化的對(duì)話，他的一句名言令我至今難忘：“二十世紀(jì)初的中國人曾經(jīng)看不起中華文化，然而一路掃蕩下來，到了二十世紀(jì)末，中國人已經(jīng)看不見中華文化了！”這是多么痛徹而嚴(yán)酷的現(xiàn)實(shí)??！

表4 抗滑樁所受推力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)作用于抗滑樁處的推力計(jì)算結(jié)果，考慮到滑坡尚處于壓密固結(jié)階段，為防止原滑面蠕滑后造成路基變形破壞，在抗滑段的路基靠山側(cè)一級(jí)挖方平臺(tái)處設(shè)置99根直徑1.8 m的組合圓形抗滑樁，間距4.5 m～5 m[12]，樁長(zhǎng)32 m～34 m；同時(shí)抗滑樁用冠梁連接以增強(qiáng)整體支擋能力[13]。經(jīng)越頂驗(yàn)算，該處抗滑樁不會(huì)發(fā)生滑坡越頂?？够瑯恫贾萌鐖D3所示。

(a)平面布置

抗滑樁在靠山受拉側(cè)配置3根20b工字鋼，以承擔(dān)滑坡體的推力，減小抗滑樁截面尺寸，減少鉆孔工程量，加快施工進(jìn)度?？够瑯稒M斷面配筋如圖4 所示。

圖4 組合圓形抗滑樁斷面

4)排水措施

(1)在滑坡體后緣5 m外設(shè)置環(huán)形截水溝，引排山坡地表水；(2)在后緣滑面處設(shè)置1道橫向滲溝，截排山體層間水；(3)在滑坡體中間設(shè)置1道縱向盲溝，連接橫向滲溝和塹頂截水溝；(4)在一級(jí)邊坡設(shè)置Φ11.6 cm仰斜式排水管，引排坡體中的地下水；(5)在路基靠山側(cè)2 m外設(shè)置縱向滲溝；在路床底每間隔20 m設(shè)置1道橫向滲溝，將地下水匯入路基縱向滲溝排出；(6)將滑坡范圍的低洼區(qū)域整平、地表裂縫封填夯實(shí)，防止地表水下滲。

5)施工安全監(jiān)測(cè)

4 結(jié)束語

針對(duì)秦巴山區(qū)某高速公路巨型滑坡，通過其產(chǎn)生原因及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)分析，提出經(jīng)濟(jì)合理的組合圓形抗滑樁綜合治理方案，主要得出以下結(jié)論：

1)該滑坡屬大型推移式滑坡，地形地貌、地層巖性與結(jié)構(gòu)是滑坡產(chǎn)生的內(nèi)在因素，持續(xù)降雨導(dǎo)致坡體重量增加、使得土體抗剪強(qiáng)度降低，是誘發(fā)滑坡的決定性因素。

2)滑坡綜合治理工程采用組合圓形抗滑樁方案，輔以坡面綜合排水措施，減小了工程規(guī)模，降低了治理成本。施工監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明該治理方案安全、經(jīng)濟(jì)、可行，達(dá)到了預(yù)期效果。

3)組合圓形抗滑樁對(duì)樁底嵌固端強(qiáng)度要求較低，施工安全高效，經(jīng)濟(jì)效益顯著，可在高速公路同類性質(zhì)的滑坡治理工程中推廣應(yīng)用。