大型滑坡抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)受力變形研究

向俐蓉，陳偉志，郭在旭，葉 丹，姜 雷

（中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司，四川 成都 610031）

隨著我國高速鐵路建設(shè)的快速發(fā)展，鐵路向復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)延伸，這給高標(biāo)準(zhǔn)嚴(yán)要求的高鐵建設(shè)帶來了新的難題[1-4]，特別是西南地區(qū)，廣泛分布不良地質(zhì)體（滑坡、巖堆等）。高鐵選線時難以徹底繞避山區(qū)不良地質(zhì)體，當(dāng)采用路基通過時，需保證滿足路基穩(wěn)定和變形控制要求。目前國內(nèi)外路基沉降控制方法包括挖除換填、沖擊碾壓、堆載預(yù)壓、強(qiáng)夯、復(fù)合地基、樁網(wǎng)結(jié)構(gòu)、樁板結(jié)構(gòu)等[5-11]，如付銘川等[6]采用袖閥管注漿法有效控制了過渡段超限沉降，李彬等[7]通過挖除換填消除了彌勒有軌電車路基工后沉降，韓竹青[8]采用水泥土攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁以及塑料排水板處理了某高速鐵路動車段淤泥質(zhì)土地基，時興隆等[9-10]認(rèn)為強(qiáng)夯地基處理可以有效控制高速鐵路黃土地基沉降，陳勝[11]以可靠度理論為基礎(chǔ)研究了高速鐵路地基正常使用的極限狀態(tài)設(shè)計(jì)方法。

樁板結(jié)構(gòu)是控制路基沉降的有效方法，廣泛應(yīng)用于軟土等沉降難以控制的高速鐵路地段。在國外，樁板結(jié)構(gòu)最早應(yīng)用于芬蘭從Turku 到Toijala 的重載鐵路，該線路通過大片沼澤地，采用了總長400 m 的樁板結(jié)構(gòu)路基來控制沉降[12]；荷蘭至比利時高速鐵路HLSS，修建了一段500 m 的“無沉降樁板結(jié)構(gòu)”通過軟弱土地基，很好地滿足了運(yùn)行要求[12]；德國紐倫堡—英戈?duì)柺┧鼐€北段地基土為極易膨脹的黏土，且地下水位較高，為了達(dá)到運(yùn)行速度300 km/h 的要求，修建了一段長3 443 m 的樁板結(jié)構(gòu)[12]。

我國最早應(yīng)用樁板結(jié)構(gòu)的工程實(shí)例是遂渝高鐵無砟軌道樁板結(jié)構(gòu)試驗(yàn)段[12]；京津城際高速鐵路存在深厚層松軟土地基，致使路基工后沉降過大，設(shè)計(jì)采用了樁板結(jié)構(gòu)加固[13]；武廣客運(yùn)專線也采用了樁板結(jié)構(gòu)路基來滿足無砟軌道的沉降控制要求[14]；在鄭西客運(yùn)專線，對于深度超過20 m 的深厚濕陷性黃土地基，普通復(fù)合地基難以滿足要求，蘇謙等[15]以樁板結(jié)構(gòu)有效處理了深厚黃土地基的濕陷性問題。目前，極少有關(guān)無砟軌道路基通過滑坡的工程案例，若要在滑坡、巖堆上修建高速鐵路無砟路基，需要同時滿足穩(wěn)定和沉降控制要求。設(shè)計(jì)若采用樁板結(jié)構(gòu)控制滑坡地基沉降，其存在的問題在于樁板結(jié)構(gòu)承擔(dān)的滑坡推力非常有限，此時抗滑樁則可較好彌補(bǔ)其不足[16]，但二者協(xié)同受力機(jī)制尚不清楚。

為揭示抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)在滑坡的協(xié)調(diào)受力機(jī)制，本文結(jié)合貴陽至廣州高速鐵路建設(shè)[17]，開展了平寨滑坡抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)研究。

1 工程概況

1.1 工程地質(zhì)條件

貴陽至廣州高速鐵路DK51+902—DK52+110 段為滑坡地段，位于麻芝鋪二號隧道與平寨隧道之間（該滑坡以下稱為“平寨滑坡”），滑坡平面如圖1所示。該工點(diǎn)地形屬剝蝕低山地貌，位于楊子準(zhǔn)地臺滇黔褶斷區(qū)黔南坳陷褶斷束的東北部及江南地軸雪峰迭隆起的西南邊緣。大地構(gòu)造格局呈EW 向、NE 向展布，主體構(gòu)造為擺郎背斜，場地位于擺郎背斜北側(cè)邊緣，近東西向，斷層較為密集。

圖1 滑坡平面及工程措施Fig.1 Landslide plane and engineering measures

平寨滑坡后緣有余下堡逆斷層通過，并與后緣線小角度相交、與線路呈斜交（約40°），斷層走向N80°E，傾向NW，傾角約70°，該斷層在地表跡象不明顯?；聨r層產(chǎn)狀主要在N30°～60°W/18°～30°NE 之間變化，地下水主要為第四系孔隙潛水及基巖裂隙水，地下水化學(xué)類型為 HCO3· Cl—Ca·Mg型及 HCO3·Cl—Na·Ca 型，水質(zhì)對混凝土結(jié)構(gòu)具有酸性侵蝕，侵蝕等級為H1。

平寨滑坡主軸方向長約220 m，前緣寬約190 m。滑坡前緣靠近沖溝，略微向前鼓出。中下部為堆積層滑坡，滑體物質(zhì)成分主要為塊石土，后部為順層基巖滑坡，滑體物質(zhì)成分主要為基巖巖塊，總厚度6～25 m。粗略計(jì)算滑坡體積約4.8×105m3，根據(jù)《鐵路工程不良地質(zhì)勘察規(guī)程》（TB 10027—2012）[18]判定屬于大型滑坡。

滑坡體內(nèi)巖性以石英砂巖為主，滑坡后緣外有區(qū)域性大斷層通過，受其影響，巖體完整性較差，寬張節(jié)理裂隙發(fā)育，且?guī)r層傾向山外，石英砂巖巖質(zhì)堅(jiān)硬，所夾頁巖質(zhì)軟，石英砂巖發(fā)生風(fēng)化剝落、崩塌，在斜坡上形成經(jīng)短距離搬運(yùn)堆積下來的坡崩積體，物質(zhì)成分以石英砂塊石及粉質(zhì)黏土為主。在漫長的地質(zhì)年代中，斜坡上方坡面坡度逐漸趨近自然休止角，坡殘積體厚度也逐漸增厚。后期由于表水長期下滲，形成一定的軟弱面，滑坡前緣長期受溝水沖刷形成臨空面，最終使得早期形成的坡崩積體向下推移滑動；滑動后的坡體造成后緣形成高陡邊坡，使后緣邊坡局部蠕變及滑移，發(fā)生基巖順層滑動。故該滑坡屬一堆積體厚層、多期、多級次的大型順層牽引式滑坡，前部為堆積層滑坡，后部為基巖順層滑坡。

根據(jù)現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查及鉆孔勘察可知，平寨滑坡體天然容重為22 kN/m3，飽和容重為23 kN/m3，黏聚力為0 kPa，內(nèi)摩擦角45°。巖層地基系數(shù)為140 000 kN/m3，橫向容許承載力為1 400 kPa。

1.2 工程措施

勘察期間滑坡體表面未見明顯變形，整體處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。線路以低路堤或淺路塹通過平寨古滑坡中下部，全長208 m，見圖1。路塹施工開挖減載形成臨空面以及暴雨季節(jié)地表水的大量入滲均有可能引起滑坡復(fù)活或局部失穩(wěn)坍滑，對工程產(chǎn)生安全威脅。

為滿足無砟軌道運(yùn)營要求，同時避免滑坡滑動引發(fā)地質(zhì)災(zāi)害，經(jīng)比選確定該段路基采用抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)，代表性斷面如圖2所示。

圖2 滑坡輔軸2 斷面Fig.2 Auxiliary shaft 2 section in the landslide

（1）抗滑樁

如圖1所示，線路左側(cè)設(shè)第一排抗滑樁共27 根，樁截面為1.50 m×2.25 m ～1.50 m×2.50 m，樁間距5.5 m，樁長14～16 m；線路右側(cè)設(shè)第二排抗滑樁共32 根，樁截面為1.50 m×2.50 m～2.00 m×3.25 m，樁間距為5.5 m，樁長15～24 m；線路右側(cè)還設(shè)了第三排抗滑樁共34 根，樁截面為1.5 m×2.5 m～2.0 m×3.0 m，樁間距為5.0～5.5 m，樁長13～25 m。

（2）樁板結(jié)構(gòu)

路基段落設(shè)雙線路基非埋式樁板結(jié)構(gòu)（由基樁、托梁及承載板組成），長114.22 m。每片托梁下設(shè)置2 根直徑為1.25 m 的鉆孔灌注樁，樁端嵌入持力層石英砂巖、砂巖、白云巖夾頁巖完整巖層內(nèi)不小于1.5 m。

1.3 抗滑樁-板樁結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)受力機(jī)制

已有文獻(xiàn)通過數(shù)值模擬研究了抗滑樁-板樁結(jié)構(gòu)協(xié)調(diào)受力機(jī)制[17]。結(jié)果表明：若滑坡體未設(shè)置抗滑樁，樁板結(jié)構(gòu)基樁承擔(dān)所有滑坡推力，樁頂位移大，難以滿足無砟鐵路設(shè)計(jì)要求。當(dāng)滑坡體內(nèi)設(shè)置抗滑樁后，再設(shè)計(jì)樁板結(jié)構(gòu)路基，樁板結(jié)構(gòu)基樁承擔(dān)的滑坡推力及樁頂水平位移很小。同時，樁板結(jié)構(gòu)若設(shè)置在抗滑樁后面（以下簡稱“工況1”），應(yīng)盡量靠近抗滑樁，以充分利用抗滑樁提供的水平抗力，減小基樁側(cè)向受力和位移；若樁板結(jié)構(gòu)設(shè)置在抗滑樁前面（以下簡稱“工況2”），應(yīng)盡量遠(yuǎn)離抗滑樁，靠近滑坡抗滑段，以充分利用抗滑段水平抗力，減小基樁側(cè)向受力和位移。對于滑坡體剩余下滑力同步增大的工況，工況2 樁板結(jié)構(gòu)基樁承擔(dān)的滑坡推力及其產(chǎn)生的水平位移小于工況1 樁板結(jié)構(gòu)，可見，抗滑樁樁前設(shè)置樁板結(jié)構(gòu)更合理，安全性能更高。

另一方面，由于滑坡體內(nèi)樁板結(jié)構(gòu)基樁不可避免受到一定的滑坡推力作用，且基樁最大彎矩在滑面附近，最大位移在樁頂。故在結(jié)構(gòu)整體設(shè)計(jì)時，應(yīng)適當(dāng)考慮滑坡推力對樁板結(jié)構(gòu)的影響；托梁應(yīng)重點(diǎn)加強(qiáng)基樁和托梁連接處的設(shè)計(jì)，基樁應(yīng)適當(dāng)加強(qiáng)抗剪、抗彎設(shè)計(jì)。

2 現(xiàn)場監(jiān)測試驗(yàn)

2.1 監(jiān)測方案

試驗(yàn)監(jiān)測斷面選擇在DK52+060，該斷面填方高度4.62 m，平面位置如圖1所示，斷面見圖3。監(jiān)測對象包括樁板結(jié)構(gòu)基樁19#與20#，樁板結(jié)構(gòu)前方（山腳側(cè)）的23#抗滑樁和樁板結(jié)構(gòu)后方（靠山側(cè)）的54#抗滑樁。鋼筋計(jì)、測斜管的布設(shè)方案見圖3。

圖3 現(xiàn)場測試斷面Fig.3 Field test section

現(xiàn)場監(jiān)測內(nèi)容主要包括：

（1）監(jiān)測施工期及工后樁板結(jié)構(gòu)基樁及抗滑樁的側(cè)向變形，即在樁內(nèi)布設(shè)測斜管，測斜管將跟隨樁一起變形，通過測斜儀測出施工期及工后樁的側(cè)向變形。

（2）監(jiān)測施工期及工后樁板結(jié)構(gòu)基樁及抗滑樁的主筋內(nèi)力，即采用鋼筋計(jì)測試樁迎土面和背土面主筋所受的力。

2.2 現(xiàn)場實(shí)施

（1）抗滑樁：在綁扎鋼筋籠時，將對應(yīng)主筋在測點(diǎn)位置處截?cái)?，采用焊接方式將鋼筋?jì)接入主筋對應(yīng)位置；測斜管綁扎在鋼筋籠承受滑坡推力的面上，然后澆筑混凝土。

（2）樁板結(jié)構(gòu)樁基：樁板結(jié)構(gòu)鋼筋籠采用預(yù)制式，由于樁長較長，預(yù)制時要將鋼筋籠分段，再通過吊裝的方式將其組裝完整。同理，測斜管與鋼筋計(jì)也分段安裝。

3 試驗(yàn)結(jié)果分析與討論

3.1 樁基側(cè)向位移

采用測斜儀觀測可得樁板結(jié)構(gòu)基樁和抗滑樁在滑坡推力及其他荷載作用下產(chǎn)生的水平位移情況。

本文設(shè)定樁頂為樁深0 點(diǎn)，圖4為不同時期抗滑樁側(cè)向位移沿深度分布規(guī)律。由圖4（a）可知，對于23#抗滑樁（樁長16 m，矩形樁截面1.50 m×2.25 m），在樁深0～4.0 m 范圍內(nèi)側(cè)向位移較大，側(cè)向位移總體上由樁頂沿樁深呈衰減變化，大部分側(cè)向位移指向滑坡前緣；不同時期抗滑樁側(cè)向位移的最大值均位于樁頂，截至2012年12月30日，樁頂最大側(cè)向位移為8.29 mm。

由圖4（b）可知，對于54#抗滑樁（樁長21 m，矩形樁截面1.75 m×2.75 m），在距樁頂6.0 m 范圍內(nèi)側(cè)向位移較大，且不同時期側(cè)向位移沿樁深的衰減幅度較小，從6.0 m 深以下側(cè)向位移急劇衰減，總體上側(cè)向位移指向滑坡前緣，抗滑樁側(cè)向位移的最大值也均位于樁頂，截至2012年12月30日，樁頂最大側(cè)向位移為11.67 mm。

圖4 抗滑樁側(cè)向位移Fig.4 Lateral displacement of anti-slide pile

圖5為樁板結(jié)構(gòu)基樁側(cè)向位移沿深度的分布。需要說明的是20#基樁（樁長32 m，鉆孔樁樁徑1.25 m）測斜管底部深度12 m 范圍內(nèi)存在堵塞，導(dǎo)致測斜儀無法觸底，故測試數(shù)據(jù)按剩余長度（即21 m）測試。由圖5可知，在樁深0～7 m 范圍內(nèi)側(cè)向位移較大且緩慢衰減，在樁深7～15 m 范圍內(nèi)側(cè)向位移衰減加快，而后在樁深15～21 m 范圍，側(cè)向位移急劇衰減并越過零點(diǎn)指向滑坡后緣；不同時期基樁側(cè)向位移的最大值均位于樁頂，截至2014年1月5日，樁頂最大側(cè)向位移為4.52 mm。

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圖5 20#基樁側(cè)向位移Fig.5 Lateral displacement of the 20# foundation pile

3.2 樁基樁身彎矩

本文樁身彎矩以逆時針方向?yàn)檎?。圖6為抗滑樁樁身彎矩分布。由圖6可以看出，對于不同時期，23#和54#抗滑樁樁身彎矩沿樁深方向均呈單峰曲線變化，即樁身彎矩沿樁身方向呈先增大至最大值（峰值點(diǎn)）、而后減小的趨勢；其中23#和54#抗滑樁樁身彎矩峰值點(diǎn)最大值分別為1 268 kN·m（2012年9月14日）、1 101 kN·m（2013年8月15日）。

圖6 抗滑樁樁身彎矩分布Fig.6 Distribution of the bending moment of anti-slide pile body

圖7為基樁樁身彎矩分布。由圖7可以看出，對于不同時期，19#和20#基樁樁身彎矩沿樁深方向也均呈單峰曲線變化，即樁身彎矩從樁頂往下呈逐漸先增大至最大值（即峰值點(diǎn)）、而后減小的趨勢；其中在2013年8月15日19#和20#基樁樁身彎矩峰值點(diǎn)均達(dá)到最大值，分別為501，930 kN·m。由圖7還可知，對于19#、20#抗滑樁樁身彎矩峰值點(diǎn)深度均為17.0 m。

3.3 討論

根據(jù)現(xiàn)場測試結(jié)果本文對抗滑樁和基樁受力變形特征進(jìn)行討論。

（1）樁身側(cè)向位移突變現(xiàn)象

結(jié)合圖4和圖5可以發(fā)現(xiàn)，無論是抗滑樁還是基樁，在滑面附近的側(cè)向位移極易發(fā)生突變，其突變特征往往是指向滑坡前緣側(cè)向位移突然轉(zhuǎn)而指向滑坡后緣。通過分析認(rèn)為，滑面以上樁身由于滑坡推力作用及較弱的土層側(cè)向約束作用[19-20]，導(dǎo)致樁身在推力作用下容易產(chǎn)生柔性變形，滑面以下樁身大多嵌入穩(wěn)定巖層，側(cè)向約束作用顯著加強(qiáng)，而樁身不易繼續(xù)發(fā)生柔性變形，從而導(dǎo)致樁身側(cè)向位移發(fā)生“交錯突變”現(xiàn)象。

（2）樁基承擔(dān)的滑坡推力

對比圖7（a）（b）也可以發(fā)現(xiàn)，同一深度處，20#基樁樁身彎矩大于19#基樁，此結(jié)果說明20#基樁承受更大的滑坡推力，19#基樁彎矩產(chǎn)生主要由于兩樁之間的剩余滑坡推力以及上部豎向荷載造成的。

圖7 基樁樁身彎矩分布Fig.7 Distribution of bending moment of the foundation pile

而從圖6、圖7對比可知，抗滑樁和基樁承擔(dān)的滑坡推力由小到大的順序?yàn)椋?9#基樁（靠近滑坡前緣基樁）、20#基樁（靠近滑坡后緣基樁）、54#抗滑樁（第二排抗滑樁）、23#抗滑樁（第一排抗滑樁）。

（3）氣候?qū)痘芰Φ挠绊?/p>

由圖6、圖7還可看出，同一深度處，樁身彎矩的最大值往往出現(xiàn)在8—9月份，側(cè)向位移也出現(xiàn)了類似規(guī)律。分析認(rèn)為，上述現(xiàn)象與當(dāng)?shù)氐臍夂蜃兓嘘P(guān)，即5—9月是當(dāng)?shù)氐挠昙酒?，降水量較大，水分經(jīng)滑體入滲到達(dá)滑動面。在水的軟化作用下，滑動面巖土體強(qiáng)度參數(shù)發(fā)生了一定衰減，導(dǎo)致滑坡推力增大，樁基承載（側(cè)向推力）負(fù)擔(dān)增加，經(jīng)過一定時間的累積，樁身同一深度的彎矩也就累積至最大值；而10月至次年的4月為當(dāng)?shù)睾导荆邓枯^小，期間土層水分蒸發(fā)，蒸發(fā)作用也帶動減小了滑動面的含水率，巖土體強(qiáng)度又會略有增長，此時滑坡推力作用將減小，從而降低樁基承載負(fù)擔(dān)，這也就導(dǎo)致了樁身彎矩出現(xiàn)減小的現(xiàn)象。

4 結(jié)論

（1）無論是抗滑樁還是樁板結(jié)構(gòu)基樁，最大側(cè)向位移均位于樁頂且淺層樁身側(cè)向位移均較大，但沿深度方向衰減較緩慢，隨著深度增加，樁身側(cè)向位移衰減速度加快；滑面附近側(cè)向約束作用的差異往往會導(dǎo)致樁身側(cè)向位移發(fā)生突變。

（2）對于抗滑樁和樁板結(jié)構(gòu)基樁，樁身彎矩沿樁深方向均呈單峰曲線變化，即樁身彎矩沿樁身方向先增大至峰值點(diǎn)，而后逐漸減小至樁底；雨季期的降水作用會導(dǎo)致樁身彎矩增加，旱季期的蒸發(fā)作用會導(dǎo)致樁身彎矩減小。

（3）抗滑樁和基樁承擔(dān)的滑坡推力由小到大的順序?yàn)椋?9#基樁（靠近滑坡前緣基樁）、20#基樁（靠近滑坡后緣基樁）、54#抗滑樁（第二排抗滑樁）、23#抗滑樁（第一排抗滑樁），抗滑樁在組合結(jié)構(gòu)中有效發(fā)揮了承擔(dān)大部分滑坡推力、控制滑體下滑的作用，而樁板結(jié)構(gòu)基樁則實(shí)現(xiàn)了承受上部豎向荷載、控制路基沉降的目標(biāo)。

（4）現(xiàn)場實(shí)測結(jié)果表明：抗滑樁-樁板結(jié)構(gòu)可作為滑坡無砟軌道路基通過的結(jié)構(gòu)加固型式，對今后類似復(fù)雜艱險(xiǎn)山區(qū)，特別是川藏鐵路修建都具有重要的參考價值。