復(fù)雜情況下公路邊坡的穩(wěn)定性及抗滑樁加固分析

宋思捷

(博羅縣公路事務(wù)中心，廣東 博羅 516100)

1 項(xiàng)目概況

本項(xiàng)目主要針對(duì)某國(guó)省道的邊坡隱患進(jìn)行調(diào)查，并根據(jù)實(shí)際邊坡條件制定加固方案。經(jīng)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查確認(rèn)，G220線道路邊坡涉及的安全隱患主要有7處，G205線道路邊坡隱患4處，主要隱患為G220線K2506+100～K2506+200、K2474+180～K2474+240等處邊坡的坡面滑坡。G220線、G205線按二級(jí)公路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，設(shè)計(jì)時(shí)速60 km/h。所涉隱患路段的坡面相對(duì)陡峭，邊坡表層的構(gòu)成主要為土層、全風(fēng)化殘積層，質(zhì)地相對(duì)松軟，下部主要為較堅(jiān)硬的巖石?；麦w的厚度在1.5～3 m不等，滑塌高度在2～25 m不等，坡面整體的穩(wěn)定性較差。

2 滑坡成因與邊坡穩(wěn)定性分析

從邊坡隱患相關(guān)路段的坡面特點(diǎn)來(lái)看，坡面的坡度較大，邊坡主要有風(fēng)化巖以及質(zhì)地松軟的土層構(gòu)成，部分路段有結(jié)構(gòu)破碎情況，雖然建設(shè)時(shí)期根據(jù)圍巖應(yīng)力、邊坡結(jié)構(gòu)等情況對(duì)邊坡支護(hù)進(jìn)行了合理設(shè)計(jì)，但復(fù)雜邊坡條件帶來(lái)的安全隱患，以及降雨等因素的作用，仍然對(duì)邊坡的穩(wěn)定性帶來(lái)了較大的影響。G205線K2857+324、K2857+825等路段的滑塌長(zhǎng)度在20～30 m不等。

公路滑坡有內(nèi)部因素、外部因素。內(nèi)部因素是誘發(fā)滑坡問(wèn)題的主因，常見(jiàn)的因素主要為地形地貌、地質(zhì)構(gòu)造、巖土土質(zhì)。地形地貌方面，斜坡是引起滑坡的必要條件，地形高低的落差與滑坡事件的發(fā)生概率之間有明顯的相關(guān)性[1]。本項(xiàng)目中，有多處地段存在地形高低落差較大、坡面相對(duì)陡峭的情況，故存在較大的滑坡風(fēng)險(xiǎn)。地質(zhì)構(gòu)造方面，在各構(gòu)造面被分割以后，邊坡的圍巖結(jié)構(gòu)發(fā)生變化，不同巖土層之間相互交叉，形成不連續(xù)狀態(tài)，此時(shí)邊坡具備滑動(dòng)的條件。而不同巖土層之間形成的縫隙，為水流的浸入提供了有利條件，故地質(zhì)構(gòu)造與公路滑坡之間有著復(fù)雜的關(guān)聯(lián)。相關(guān)資料顯示，各類巖土體都有構(gòu)成滑坡體、引起滑坡事件的可能性，不同巖土體的結(jié)構(gòu)、抗風(fēng)化能力、風(fēng)化程度等可直接影響到其滑坡風(fēng)險(xiǎn)，而結(jié)構(gòu)松散、質(zhì)地柔軟的巖土體發(fā)生位移的概率更高，更容易出現(xiàn)滑坡現(xiàn)象[2，3]。分析本項(xiàng)目中公路滑坡的成因，不穩(wěn)定邊坡存在軟弱土層或者風(fēng)化巖結(jié)構(gòu)破碎等情況，在節(jié)理層有剪切力的存在。受剪切力等內(nèi)部因素的影響，公路邊坡本身具有產(chǎn)生邊坡滑動(dòng)的風(fēng)險(xiǎn)。而在外部因素方面，雨水作用以及路面荷載情況等進(jìn)一步加劇了邊坡的滑動(dòng)問(wèn)題。根據(jù)本項(xiàng)目的調(diào)查結(jié)果，相關(guān)路段出現(xiàn)的滑坡事故均與雨水作用有關(guān)，地面積水經(jīng)巖土體的縫隙進(jìn)入地下，受水流的作用，不同巖土體之間的平衡被打破，繼而在推力的作用下發(fā)生位移，導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)。因此，公路邊坡問(wèn)題的出現(xiàn)與內(nèi)部因素、外部因素的綜合作用有關(guān)。

在設(shè)計(jì)之初，根據(jù)圍巖結(jié)構(gòu)進(jìn)行支護(hù)設(shè)計(jì)，保障公路邊坡的穩(wěn)定性，是邊坡管理的重要內(nèi)容。但由于設(shè)計(jì)理念以及后期道路養(yǎng)護(hù)等方面存在的若干問(wèn)題，以及公路自身邊坡條件埋下的隱患，使得道路邊坡的穩(wěn)定性管理面臨新的困境[4]。在發(fā)現(xiàn)邊坡有滑坡風(fēng)險(xiǎn)或者以及出現(xiàn)滑坡事故以后，公路養(yǎng)護(hù)單位需及時(shí)采取科學(xué)的方法進(jìn)行加固處理，降低損失。針對(duì)本項(xiàng)目發(fā)現(xiàn)的邊坡滑坡問(wèn)題，技術(shù)人員設(shè)計(jì)了如下處置措施：(1)根據(jù)坡面的滑坡情況，對(duì)碎落臺(tái)進(jìn)行調(diào)整，調(diào)整參數(shù)在2～4 m不等；(2)分級(jí)卸載，坡率以及分級(jí)高度根據(jù)實(shí)際滑坡情況進(jìn)行設(shè)計(jì)；(3)每級(jí)平臺(tái)寬2 m(必要時(shí)設(shè)置寬平臺(tái))，平臺(tái)設(shè)置C20混凝土截水溝，部分平臺(tái)根據(jù)實(shí)際情況設(shè)置抗滑樁進(jìn)行加固；(4)坡面采用三維網(wǎng)植草防護(hù)。其中，抗滑樁加固是邊坡治理的重點(diǎn)，對(duì)改善邊坡穩(wěn)定性條件以及防治邊坡滑坡問(wèn)題有重要的價(jià)值。為保證抗滑樁加固的效果，本項(xiàng)目對(duì)抗滑樁的加固施工進(jìn)行了相對(duì)全面的分析，并驗(yàn)證了其對(duì)邊坡穩(wěn)定性的積極作用。

3 抗滑樁加固分析

3.1 抗滑樁的受力分析

抗滑樁(如圖1)加固是邊坡加固的常用技術(shù)，對(duì)地質(zhì)條件差的邊坡有良好的適應(yīng)性。在工程施工領(lǐng)域，抗滑樁作為一種常用的抗滑處理技術(shù)，對(duì)維持結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性、減少土體滑動(dòng)風(fēng)險(xiǎn)等有著良好的作用[5]。抗滑樁加固的核心是借助周圍巖土結(jié)構(gòu)對(duì)抗滑樁的作用，在二者之間建立起穩(wěn)定關(guān)系，平衡滑坡體的推力。要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的加固效果，抗滑樁加固施工有明確的要求，即抗滑樁必須鑲嵌到穩(wěn)定土層中，不同于其他錨桿加固方式，在加固結(jié)構(gòu)中，抗滑樁主要承受橫向荷載，不穩(wěn)定土體的推力是其主要承受的外力[6]。在抗滑樁的設(shè)計(jì)、施工中，受力分析是一大難點(diǎn)，雖然抗滑樁在建筑項(xiàng)目、河道工程以及公路工程等領(lǐng)域已經(jīng)有了比較廣泛的應(yīng)用經(jīng)驗(yàn)，但抗滑阻力等重要參數(shù)的計(jì)算仍然缺乏規(guī)范的計(jì)算方法，通過(guò)試樁試驗(yàn)總結(jié)規(guī)律，依靠經(jīng)驗(yàn)公式、半經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行受力狀況的分析，是目前主流的計(jì)算方法。本項(xiàng)目部分路段存在比較嚴(yán)重的坡面滑坡，考慮到邊坡穩(wěn)定性的條件復(fù)雜，設(shè)計(jì)加固方案前對(duì)抗滑樁的受力情況進(jìn)行了分析。

圖1 抗滑樁結(jié)構(gòu)示意圖

本路段的邊坡表層組成主要為土層、風(fēng)化巖，抗滑樁的分析大致分為兩個(gè)部分：(1)滑動(dòng)面以上部分，參考現(xiàn)有的懸臂梁分析方法進(jìn)行計(jì)算；(2)滑動(dòng)面以下部分，參考地基梁(線彈性)分析方法進(jìn)行計(jì)算。在明確分析方法的基礎(chǔ)上，參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(2013版)，結(jié)合路段的地基情況，設(shè)計(jì)滑動(dòng)樁的嵌入深度。巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。

表1 項(xiàng)目涉及巖土體的力學(xué)參數(shù)

3.2 抗滑樁材料的選取

材料選取是抗滑樁加固施工的重難點(diǎn)。依材料進(jìn)行劃分，目前道路工程可用的抗滑樁大致可以分為木樁、鋼纖維混凝土樁、鋼筋混凝土樁。從材料的性能來(lái)看，木樁在施工前均通過(guò)化學(xué)處理方法增強(qiáng)了其腐蝕性，材料自身的特性使得整個(gè)加固施工流程更加簡(jiǎn)單、方便，通過(guò)鉆孔嵌入穩(wěn)定土體后，即可開始進(jìn)行混凝土填充，上部通過(guò)覆蓋處理、防水處理，完成加固施工；鋼纖維混凝土樁是以新型復(fù)合材料制成的抗滑樁，在施工流程上與木樁的加固施工并無(wú)明顯差異，但運(yùn)輸過(guò)程中需要注意做好防護(hù)，避免顛簸等因素影響到材料自身的強(qiáng)度；鋼筋混凝土樁在施工期間需要使用現(xiàn)澆工藝，在對(duì)有不穩(wěn)定土質(zhì)的邊坡進(jìn)行加固處理時(shí)，鉆孔方式不當(dāng)可能引起震動(dòng)問(wèn)題，導(dǎo)致滑動(dòng)體下移，影響加固施工效果。三種材料的加固效果不一，為選擇最佳方案，項(xiàng)目加固施工前進(jìn)行了加固施工的試驗(yàn)，即在同等路基條件下，同一路段有序設(shè)置三種材料的抗滑樁，抗滑樁外部安裝精密的感應(yīng)器，完成加固施工后，對(duì)不同材料制成的抗滑樁的沉降情況、位移情況進(jìn)行監(jiān)測(cè)，連續(xù)監(jiān)測(cè)一周。監(jiān)測(cè)結(jié)果如表2所示。

根據(jù)圖2所示結(jié)果，在質(zhì)地柔軟、邊坡條件復(fù)雜的項(xiàng)目中，公路邊坡的穩(wěn)定性相對(duì)較差，使用木樁抗滑樁的效果并不理想，7 d內(nèi)樁體的沉降量、位移量偏大，容易對(duì)抗滑樁加固的效果以及邊坡整體的穩(wěn)定性產(chǎn)生負(fù)面影響；相較于木樁抗滑樁，鋼纖維混凝土樁體的沉降量、位移量得到明顯控制，但在復(fù)雜邊坡中的應(yīng)用效果仍然不及鋼筋混凝土。綜合考慮施工條件、沉降與位移情況的測(cè)定結(jié)果，本項(xiàng)目采用鋼筋混凝土抗滑樁。

表2 不同材料抗滑樁的測(cè)試結(jié)果

3.3 抗滑樁加固的穩(wěn)定性分析

為進(jìn)一步了解抗滑樁的加固效果，結(jié)合道路邊坡的皮面圖，利用有限元軟件進(jìn)行建模分析。從邊坡的模型結(jié)構(gòu)來(lái)看，本項(xiàng)目所涉的邊坡加固工程是簡(jiǎn)單的二元結(jié)構(gòu)，上部為松軟土體，主要為土層、風(fēng)化嚴(yán)重的巖體；下部為堅(jiān)硬的巖體，整體結(jié)構(gòu)相對(duì)穩(wěn)定。為方便后續(xù)的穩(wěn)定性分析，根據(jù)某路段的邊坡情況，對(duì)邊坡模型進(jìn)行了適當(dāng)簡(jiǎn)化處理，簡(jiǎn)化后模型的物理參數(shù)見(jiàn)表3?？够瑯兜慕孛娉叽鐬?.5 m×2 m，間距為6 m，樁體材料為鋼筋混凝土，樁板墻采用同規(guī)格材料，厚度0.2 m。巖土體選擇M-C模型，支護(hù)結(jié)構(gòu)選擇M-C彈塑性模型，摩擦系數(shù)取0.51。考慮到上部區(qū)域巖土結(jié)構(gòu)的特殊性，對(duì)有滑坡情況的區(qū)域進(jìn)行強(qiáng)度折減。

表3 簡(jiǎn)化模型的物理參數(shù)

圖2 抗滑樁沿深度方向的位移情況

根據(jù)模擬計(jì)算的結(jié)果，在工況1狀態(tài)下，樁體的位移量相對(duì)較少，符合邊坡加固的安全系數(shù)要求；在工況2狀態(tài)下，通過(guò)強(qiáng)度折減計(jì)算，邊坡的安全系數(shù)維持在1.1～1.2之間，符合現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)。分析樁身及連墻沿深度方向的位移量，結(jié)果顯示，在加固過(guò)程中，抗滑樁本身不會(huì)出現(xiàn)明顯的位移現(xiàn)象，符合實(shí)際加固需求。本次模擬計(jì)算的結(jié)果基本驗(yàn)證了抗滑樁加固在改善邊坡穩(wěn)定性方面的積極作用，加固材料、加工方案的合理選擇，能夠有效保障抗滑樁加固的效果。但在實(shí)際施工中，仍然需要結(jié)合公路的實(shí)際工況以及邊坡穩(wěn)定性的客觀要求，對(duì)抗滑樁的樁體材料、錨固長(zhǎng)度等進(jìn)行控制。以邊坡材料的應(yīng)用為例，本項(xiàng)目有公路邊坡結(jié)構(gòu)的特殊性，鋼纖維混凝土材料的表現(xiàn)不及傳統(tǒng)的鋼筋混凝土材料，但其性能以及加固施工方面的優(yōu)勢(shì)仍然不容忽視，在條件適宜的情況下，探索新型材料的應(yīng)用路徑，將新材料納入公路邊坡加固處理的考慮范疇，將為邊坡加固帶來(lái)更加多元化的選擇。

4 結(jié) 語(yǔ)

復(fù)雜條件下的公路邊坡管理有較高的技術(shù)要求，以某路段的公路滑坡問(wèn)題為例，結(jié)合既往筆者參與道路管理工作的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，對(duì)公路邊坡的相關(guān)影響因素進(jìn)行了分析，討論了公路滑坡的主要原因以及該路段公路滑坡問(wèn)題的特殊性；從公路邊坡穩(wěn)定性管理的視角出發(fā)，結(jié)合路段邊坡結(jié)構(gòu)、邊坡條件，分析了公路滑坡問(wèn)題的處置方法；針對(duì)公路邊坡的抗滑樁加固，分析了抗滑樁受力分析的方法以及本項(xiàng)目中抗滑樁加固的實(shí)際條件與必要性，以簡(jiǎn)單的實(shí)驗(yàn)對(duì)比了不同材料抗滑樁在相同地基條件下的加固表現(xiàn)，并確定了加固方案。研究結(jié)果表明，在邊坡條件相對(duì)復(fù)雜的道路加固施工中，抗滑樁(鋼筋混凝土)加固有良好的效果，能夠基本滿足土質(zhì)柔軟結(jié)構(gòu)的加固需求，重新支護(hù)后邊坡的安全系數(shù)可達(dá)到現(xiàn)行技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)的要求。