圓形截面抗滑樁在紅層地區(qū)某高速公路滑坡?lián)岆U工程中的應(yīng)用

袁 丁， 劉文德， 李金標(biāo)

(四川省交通勘察設(shè)計研究院有限公司， 成都 610017)

我國是地質(zhì)災(zāi)害多發(fā)國家[1]，高速公路因連續(xù)強(qiáng)降雨誘發(fā)滑坡的情況屢見不鮮，嚴(yán)重影響高速公路的正常通行。隨著我國社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，對高速公路的通行需求也越來越高，發(fā)生災(zāi)害斷道后，如果不能及時搶通，不僅阻礙高速公路暢通，還可能造成不良社會影響[2-4]。

本文以我國西南地區(qū)某中心城市環(huán)線高速公路滑坡?lián)岆U工程為例，對滑坡成因、處治方案和治理設(shè)計進(jìn)行探討，希望為類似工程提供參考[5-7]。

1 滑坡基本特征

某高速公路地處紅層丘陵地區(qū)，覆蓋層以粉質(zhì)粘土為主，下伏基巖主要為砂質(zhì)泥巖、泥巖，地形地質(zhì)條件相對簡單。但該區(qū)域突然遭受多年不遇的連續(xù)強(qiáng)降雨，造成某互通式立交集散道填方路基邊坡坡腳外側(cè)低洼區(qū)域大面積積水。坡腳土體因長時間受雨水浸泡軟化，土體強(qiáng)度降低，引起路基邊坡局部牽引式滑動，導(dǎo)致路基邊坡失穩(wěn)，路面開裂，緊鄰路基外側(cè)的灌溉渠發(fā)生擠壓變形和開裂，滑坡前緣出現(xiàn)帶狀泉點(diǎn)、樹木歪斜，覆蓋土體變形，結(jié)構(gòu)松散，這次病害造成道路中斷，嚴(yán)重影響車輛正常通行。

1.1 滑坡形態(tài)特征

滑坡平面形態(tài)呈“不規(guī)則簸箕”狀，縱向呈臺階狀，滑坡前后緣高程分別為414 m、426 m，前后緣高差約12 m，滑坡寬約115 m，軸向縱長約41 m，滑移變形主要方向?yàn)?76°，滑體厚度7 m～12 m，平均厚度約為9 m，滑坡面積約為0.4×104m2，體積約為2.5×104m3?；潞缶壢鐖D1所示。該滑坡為一深層人工堆積體牽引式小型滑坡。

圖1 滑坡后緣

1.2 滑坡物質(zhì)結(jié)構(gòu)

滑坡體為路基填土，主要來自沿線挖方產(chǎn)生的泥巖、砂質(zhì)泥巖及泥質(zhì)砂巖，含水率較高，碎塊石直徑5 cm～50 cm，強(qiáng)度較低，錘擊易碎?；瑤林饕獮樗槭圪|(zhì)粘土，粘粒含量高，呈可塑狀，紅褐色，含水量較高，具滑膩感。滑床為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)砂質(zhì)泥巖、泥巖。滑坡縱向剖面如圖2所示。

單位：m

1.3 滑坡變形破壞特征

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，該滑坡的主要變形跡象及特征有以下幾點(diǎn)：

1) 路面開裂，瀝青路面發(fā)生拉裂，裂縫寬度約為5 cm～30 cm，裂縫處即為滑坡的后緣邊界，如圖3(a)所示；

2) 滑坡后緣路基沿著護(hù)欄發(fā)生下挫沉降，沉降量最大約60 cm，如圖3(b)所示；

3) 排水溝灌溉渠開裂變形，主要表現(xiàn)為整體發(fā)生滑動，溝渠由直線變?yōu)榛⌒?，局部產(chǎn)生擠壓裂縫、施工縫開裂，排水溝兩側(cè)溝壁被擠壓在一起，水泥溝壁發(fā)生開裂變形，如圖3(c)所示；

4) 邊坡開裂、沉降、拱起，坡腳一級邊坡水泥砂漿護(hù)坡面發(fā)生擠壓開裂，裂縫縱橫交錯，其走向與滑動方向大致垂直，最大沉降約20 cm，如圖3(d)所示；

5) 前緣樹木歪斜，滑坡體前緣生長的果樹，由于前緣土體被擠推出，樹木發(fā)生歪斜現(xiàn)象，歪斜角度約為20°，如圖3(e)所示；

6) 前緣土體推出，前緣覆蓋層被擠出，呈波浪狀，土體松散，腳踩可陷，坡腳旱地大面積積水，土體呈流塑狀，產(chǎn)生與滑動方向近平行的裂紋，如圖3(f)所示；

7) 坡腳帶狀出露泉點(diǎn)，泉點(diǎn)流量約為1 L/min，無色無味，為坡面滲水，遇到相對隔水的泥巖，在滑動面形成徑流通道，沿滑動面發(fā)生流動，在坡腳呈帶狀出露，使?jié)撛诨瑒用骈L期處于飽水狀態(tài)，泥化軟化滑帶巖土體，內(nèi)摩擦角和粘聚力減小，穩(wěn)定性下降，如圖3(g)所示；

8) 路基二級平臺填土發(fā)生沉降，在二級護(hù)坡與填土交界處發(fā)生沉降明顯，沉降約20 cm，形成土洞，如圖3(h)所示。

1.4 滑坡成因機(jī)制分析

根據(jù)邊坡變形特征分析，該滑坡形成的原因主要有以下3個方面：

1) 從氣象水文上，該地區(qū)遭受多年不遇連續(xù)強(qiáng)降雨，坡腳外側(cè)地勢低洼平緩，造成大面積積水，坡腳土體長時間受雨水浸泡軟化，土體強(qiáng)度降低，前緣抗滑力降低，導(dǎo)致路基邊坡局部發(fā)生牽引式滑動。

2) 滑坡體物質(zhì)為人工填料，填料為碎石土，原巖為砂質(zhì)泥巖和泥巖，基巖為泥巖，泥巖為相對不透水層，碎石土和泥巖接觸面成為軟弱面，為滑坡形成提供了連續(xù)活動面。

3) 人工填料在雨水的潛蝕和軟化作用下，路基填料中細(xì)顆粒物質(zhì)被帶走，形成架空結(jié)構(gòu)，在雨水作用、自重和外力作用下(車輛荷載)發(fā)生沉降和滑動變形。

(a) 瀝青路面開裂

(b) 路基下挫沉降

(c) 坡腳排水溝受擠壓開裂

(d) 邊坡護(hù)面開裂沉降

(e) 樹木歪斜

(f) 前緣土體開裂、擠出并隆起

(g) 坡腳泉點(diǎn)出露

(h) 填方邊坡二級平臺沉降

2 滑坡穩(wěn)定性驗(yàn)算

2.1 滑帶土抗剪參數(shù)的選取

剩余下滑力計算采用的巖土物理力學(xué)參數(shù)的選取合理與否，是計算評價滑坡穩(wěn)定性的關(guān)鍵，其中滑帶土的抗剪強(qiáng)度參數(shù)c、φ取值更是關(guān)系重大。具體選取的物理力學(xué)參數(shù)主要通過參數(shù)反演及類比地區(qū)經(jīng)驗(yàn)值，并多次反復(fù)試算與實(shí)際的地質(zhì)情況對比達(dá)到基本吻合后確定。

由于該滑坡在連續(xù)暴雨后發(fā)生滑動變形破壞，在參數(shù)反演時，選取典型斷面作為計算斷面，取滑動破壞時穩(wěn)定系數(shù)Fs=0.97。本項(xiàng)目所述地層為侏羅系蓬萊鎮(zhèn)組(J3p)，根據(jù)鄰近地區(qū)同一套地層的2處滑坡滑帶參數(shù)取值，見表1，通過工程類比法及參數(shù)反演得到本文滑坡的滑帶力學(xué)參數(shù)，見表2。

表1 鄰近地區(qū)滑坡滑帶土力學(xué)參數(shù)

表2 滑帶土抗剪強(qiáng)度參數(shù)綜合取值

滑體物理參數(shù)通過室內(nèi)試驗(yàn)修正后的重度為：天然重度平均值為19 kN/m3，飽和重度平均值為19.5 kN/m3。

2.2 穩(wěn)定性計算工況

本次計算的目的是為滑坡的穩(wěn)定性評價及治理設(shè)計提供依據(jù)，根據(jù)該滑坡形成機(jī)制，在進(jìn)行穩(wěn)定性分析計算時，主要考慮地震對滑坡體的影響，考慮的荷載主要有：滑坡體自重?；聟^(qū)地震基本烈度為Ⅶ度，計算時須考慮地震力的影響。

綜合考慮上述幾種荷載對滑坡的作用，將滑坡穩(wěn)定性計算劃分為3種工況：

工況Ⅰ：天然情況；

工況Ⅱ：暴雨工況；

工況Ⅲ：地震工況，烈度為Ⅶ度。

計算斷面在各種工況下的推力和穩(wěn)定性條分圖如圖4所示。

2.3 計算結(jié)果

按照上述工況進(jìn)行計算，結(jié)果見表3。根據(jù)計算結(jié)果，對滑坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析評價，將穩(wěn)定性劃分為4級：穩(wěn)定系數(shù)Fs>1.20為穩(wěn)定，1.05

表3計算結(jié)果表明，填方路基在天然狀態(tài)下穩(wěn)定性系數(shù)大于1.20，處于穩(wěn)定狀態(tài)；在暴雨工況下，坡腳及地基受雨水長期浸泡后，填方路基發(fā)生沉降和開裂，大量地表水滲入路基填土內(nèi)，導(dǎo)致填土物理力學(xué)強(qiáng)度(c、φ值)降低，穩(wěn)定系數(shù)小于1.0，發(fā)生滑動變形；在地震工況下，由于地震烈度不高，填方路基雖處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，但未發(fā)生滑動變形。

(a) 工況Ⅰ、工況Ⅲ

(b) 工況Ⅱ

表3 滑坡穩(wěn)定性計算結(jié)果

2.4 滑坡推力計算

采用剩余下滑力傳遞法計算滑坡推力?；峦屏τ嬎阒性O(shè)計安全系數(shù)K，考慮該滑坡的重要性及危害性，選取工況Ⅰ：K=1.20；工況Ⅱ：K=1.15；工況Ⅲ：K=1.10進(jìn)行計算。推力計算模型如圖5所示。

圖5 推力計算模型

在圖5中，擬設(shè)支擋結(jié)構(gòu)物所受第⑤條塊剩余下滑推力計算結(jié)果見表4。

表4 第⑤條塊滑坡剩余下滑推力計算結(jié)果 kN/m

滑坡體穩(wěn)定性計算結(jié)果表明，該段填方路基在天然狀態(tài)下處于穩(wěn)定狀態(tài)，在地震工況下處于基本穩(wěn)定狀態(tài)。

該路基滑坡演化過程大致可分為2階段：一是初期變形階段，在長時間高強(qiáng)度降雨過程中，路基坡腳在雨水浸泡下，巖土體軟化，力學(xué)強(qiáng)度降低，導(dǎo)致路基邊坡發(fā)生不明顯的沉降開裂；二是加速變形階段，連續(xù)強(qiáng)降雨形成的地表水灌入裂縫，導(dǎo)致路基填土飽水，物理力學(xué)強(qiáng)度表征參數(shù)c、φ值降低，最終發(fā)生滑動變形[8-9]。在暴雨工況下，計算斷面擬設(shè)支擋結(jié)構(gòu)物所受剩余下滑力為415.471 kN/m。

3 處治措施

該高速公路是區(qū)域內(nèi)重要的環(huán)線公路，車流量大，斷道造成的經(jīng)濟(jì)損失和社會影響較大，需要盡快恢復(fù)通行。

3.1 方案比選

根據(jù)前述分析結(jié)果，擬定2個設(shè)計方案。

1) 方案1：挖除原路基+重新填筑合格填料+坡腳擋墻+灌溉渠剛性支撐

該方案施工工序：(1) 挖除原路基填料后，采用合格填料重新填筑路基；(2) 在路基坡腳設(shè)置擋土墻；(3) 在灌溉渠底部采用鋼管樁進(jìn)行剛性支撐，如圖6所示。

該方案優(yōu)點(diǎn)：施工工序相對簡單，造價相對較低。缺點(diǎn)：(1) 雨季施工，填料含水率難以控制，如要等雨季結(jié)束，恢復(fù)通車所需時間較長；(2) 項(xiàng)目已建成，重新征地拆遷難度大；(3) 借方量較大，取土困難；(4) 鋼管樁屬柔性樁，雖可對土體進(jìn)行注漿加固，但該填方土為粘性土，降雨和地表水下滲可能導(dǎo)致含水率較高，漿液難以進(jìn)入土體，加固效果差[10-13]。

2) 方案2：病害路基部分換填+抗滑樁+路基夯實(shí)

該方案施工工序：(1) 順路線方向每隔15 m設(shè)置一道橫向卵礫石排水溝；(2) 對灌溉渠以下路基填土進(jìn)行夯實(shí)；(3) 在原灌溉渠處設(shè)置抗滑樁，采用圓形截面，開挖方式可采用旋挖，恢復(fù)的灌溉渠置于樁頂；(4) 對灌溉渠內(nèi)側(cè)破壞路基采用砂礫石換填，同時施工灌溉渠，如圖7所示。

圖6 方案1示意

圖7 方案2示意

該方案優(yōu)點(diǎn)：(1) 土石方規(guī)模小，基本無借方，施工工期受天氣影響較?。?2) 相比傳統(tǒng)的矩形截面抗滑樁，圓形截面抗滑樁不必采用人工挖孔，可采用機(jī)械旋挖成孔，施工快捷[14-15]。缺點(diǎn)：工程造價相對較高，工序相對較多。

經(jīng)方案比選，結(jié)合社會經(jīng)濟(jì)效益綜合考量，選擇方案2作為最終處治方案。

3.2 處治設(shè)計

1) 抗滑樁設(shè)計

根據(jù)工程地質(zhì)條件及前述分析，抗滑樁采用圓形截面，樁長h=16 m，其中受荷段h1=8 m，錨固段h2=8 m；樁心間距L=3.5 m；圓樁直徑d=1.5 m；抗滑樁按彈性樁進(jìn)行設(shè)計，樁底邊界條件按自由端考慮；樁身內(nèi)力按懸臂樁“K”法[16]計算。

當(dāng)考慮庫侖主動土壓力時，計算高度為8 m，第1破裂角為32.760°，土壓力為254.589 kN，作用點(diǎn)高度為2.965 m，抗滑樁樁身內(nèi)力計算結(jié)果如圖8所示。

(a) 抗滑樁樁身彎矩分布

(b) 抗滑樁樁身剪力分布

其中最大彎矩Mmax=5 047.998 kN·m，最大剪力Vmax=1 079.883 kN。樁頂最大位移42.87 mm<0.01×h1=80 mm。

當(dāng)考慮滑坡推力時，樁身受荷段的外力分布采用矩形分布，抗滑樁樁身內(nèi)力計算結(jié)果如圖9所示。

(a) 抗滑樁樁身彎矩

(b) 抗滑樁樁身剪力

其中最大彎矩Mmax=7 709.014 kN·m，最大剪力Vmax=1 744.978 kN。樁頂最大位移62 mm<0.01×h1=80 mm。

經(jīng)比較，滑坡推力在抗滑樁樁身產(chǎn)生更大的最大彎矩和最大剪力，為此，采用滑坡推力進(jìn)行抗滑樁設(shè)計。根據(jù)樁身彎矩及剪力計算，得到樁身主筋選用3根鋼筋為一束，在靠路側(cè)半圓環(huán)形布置14束，間距約161 mm，每束鋼筋由3根Φ32HRB400鋼筋組成；臨空側(cè)樁身主要受壓，樁身每束鋼筋由2根Φ32HRB400鋼筋組成，間距約193 mm；箍筋采用雙肢箍筋，選用Φ16HRB400鋼筋，間距取160 mm。配筋后的截面設(shè)計如圖10所示。

圖10 抗滑樁配筋橫斷面

2) 處治措施及施工順序

本段路基水毀采用病害路基部分換填+抗滑樁進(jìn)行處治，如圖11所示。施工順序?yàn)椋?1) 以臺階開挖方式，挖除灌溉渠渠底以上變形的路基填土，挖除范圍為路基后緣拉裂縫外側(cè)4.0 m，開挖后先夯實(shí)路基填土，再施作抗滑樁；(2) 抗滑樁采用鋼筋混凝土圓樁，旋挖成孔，樁徑1.5 m，樁心間距3.5 m，樁長16.0 m；(3) 樁頂以上路基采用砂礫石填筑；(4) 灌溉渠采用C30鋼筋混凝土澆筑，渠底置于抗滑樁頂；(5) 對路面、邊溝、標(biāo)線、護(hù)欄等進(jìn)行恢復(fù)；(6) 恢復(fù)通車后，對路基外側(cè)邊坡進(jìn)行修整，復(fù)建坡腳排水溝。

圖11 抗滑樁平面布置

4 結(jié)論

1) 在詳細(xì)調(diào)研該路基滑坡變形破壞特征、物質(zhì)結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，分析了誘發(fā)滑坡的成因機(jī)制，并采用極限平衡法對其穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。在天然、暴雨、地震3種工況下計算滑坡推力，得出暴雨工況的滑坡推力最大。

2) 采用庫倫土壓力和滑坡推力分別對抗滑樁樁身內(nèi)力進(jìn)行驗(yàn)算，經(jīng)比較，采用滑坡推力進(jìn)行抗滑樁設(shè)計。經(jīng)分析比選，采用病害路基部分換填+抗滑樁+路基夯實(shí)的設(shè)計方案，抗滑樁樁身內(nèi)力按懸臂樁“K”法計算，根據(jù)計算結(jié)果進(jìn)行抗滑樁配筋設(shè)計。

3) 圓形截面鋼筋混凝土抗滑樁可采用旋挖成孔，施工快捷，處治效果較好。該工程于當(dāng)年8月初開工，12月底完工，目前已運(yùn)營3年有余，未出現(xiàn)變形，處治效果良好。