考慮地震作用的邊坡抗滑樁滑坡推力分布研究

李曉猛，肖西，蔡一超 （云南省公路科學技術研究院，云南 昆明 650051）

0 引言

隨著我國邊坡工程的發(fā)展與完善，邊坡抗滑問題引發(fā)不斷關注。為提升滑坡穩(wěn)定性，使得巖體中結構面軟弱區(qū)域邊坡巖體變形和邊坡穩(wěn)定性差的區(qū)域在破壞時能有一定的控制作用[1]，運用相應的方法使得邊坡潛在不穩(wěn)定的部分進行滑動或移動，并根據實地滑坡條件確定邊坡抗滑樁的標準值，分析滑坡抗滑抗震的穩(wěn)定性。由于我國山區(qū)占比較大，山體滑坡等多種山體災害頻發(fā)，使得山區(qū)經濟和居民財產安全等受到極大程度的損失[2]。在滑坡問題方面，可根據調節(jié)滑坡推力大小進行治理。而現階段，由于土質的復雜性，滑動過程變化大，再加上外界環(huán)境產生一定的影響，無法準確估計滑坡的實際推力大小，無法準確得知滑坡推力的分布狀態(tài)，使得滑坡推力計算問題陷入困境。如何加固支擋中的滑坡推力使設計科學合理，成為研究的重點。滑坡推力分布不同，結構設計就會相應發(fā)生改變，增加預期造價，造成資金浪費。邊坡抗滑樁的設計不能滿足抗滑和抗震，就無法獲得穩(wěn)定性保障，經濟效益等也大幅度下降。因此，根據邊坡失穩(wěn)破壞程度多樣化、分布復雜化，需要以邊坡抗滑樁滑坡推力分布為研究對象，考慮地震作用，結合實際情況進行實驗與分析。

1 邊坡抗滑樁滑坡推力分布

1.1 沿線地震滑坡空間分布

地震后沿線邊坡工點共有50 處[3]。高原凍土區(qū)路基滑動開裂情況較多?；路植加蓭r體土質和地中海-喜馬拉雅-南亞地震帶因素形成。邊坡以半挖半填方式形成，挖方側高度為30m，填方側高度為8m。邊坡分布在S258 線段，主要分布在K950+130～+231 段，邊坡破壞程度不同。邊坡變形工點多位于堆積層，由于填方側不高，土壤質地為砂質粘土，土質結構疏松，含水量高，一般地質為軟塑情況。路堤變形是地震作用下粘土發(fā)生物理變化形成的。K950+130～+231 段路堤由于最高蓄水位接近于填方路基邊坡坡腳，使得填方路基邊坡坡腳失穩(wěn)，填方體沿老地面出現坍塌變形。地下流動水壓力強，滲透過程中對土產生拉力，使坡體松弛，在地震作用下發(fā)生塌陷。

1.2 地質力模型概化

選取某地滑坡群中的某段滑坡，邊坡高程3500～3800m ，其縱向長度約60m，滑體厚度約15m，滑體體積約50×120m3。剖面為某段滑坡，沖積地貌，地形平緩，自然斜坡度12°。土質為砂石土，Ⅱ-Ⅱ剖面分布在滑坡前部，引水渠邊為橫斷面，長為420m，滑坡處于穩(wěn)定性差階段，穩(wěn)定程度低。設計模型時，由于模型箱的長度為350m，選擇相對常數為1:10，內部摩擦力為1:1，粘聚力為1:100。基巖部分選用材料為沙土，石膏與滑石粉[4]，其中甘油：水=12:5，以砂石作為滑體基礎材料，模型試驗期間的單滑面參照地震后沿線邊坡工點現場的真實情況，并由此概化出地震后的地質力學模型，預先設置以相同的比例進行模型填筑。

1.3 傳感器布設

加速度傳感器和土壓力傳感器是試驗中主要使用的傳感器，滑坡體按照部位可分為滑體、滑床和基巖[5]。因此，傳感器的布設需要及時捕捉到震動過程中該區(qū)域的加速度及土壓力響應情況。在模型坡面上從坡腳至坡頂之間每隔30m 布設一個傳感器，并將其布設在6個斷面中。由傳感器的布設位置以及傳感器的加速度數據，生成三種輸入波形的時程曲線。加速度傳感器以字母“M”作為標識，每個加速度傳感器測點位置布設有水平向（X）、豎直向（Y）兩個采集方向的加速度傳感器。其中地震波的加載工況如表1所示。

表1 試驗地震波加載工況

在輸入地震動強度較小時，會產生重力失真。為降低重力失真問題對試驗結果造成的影響，在試驗期間將輸入的地震動強度最大加載到1.8g，完成對試驗模型的加載破壞，記錄堆積層滑坡的破壞過程，降低失真效果。

1.4 滑坡推力計算

由于邊坡失穩(wěn)破壞的條件多樣，對于邊坡穩(wěn)定性的研究也需要根據具體情況進行分析。根據滑帶土的強度特性可知，當滑動的數值發(fā)生改變時，需要改變極限平衡狀態(tài)。設定邊坡穩(wěn)定安全指數為K= 1，通過計算滑坡推力，在無地下水的影響中，計算公式為：

式中，ψ為最后一塊滑坡中的傳遞系數；E為傳遞的下滑力；W為最后一塊滑體的重量；α為滑坡的傾斜角度；φ為滑面與實體的夾角；c為產生的滑動摩擦力；K為穩(wěn)定性系數。對已經產生的滑坡，在暫時穩(wěn)定狀態(tài)下或滑動后靜止階段，滑體處于極限平衡狀態(tài)，獲得截取的斷面，使得其穩(wěn)定在極限平衡狀態(tài)，即K始終維持1。使斷面中的剩余下滑力等于0，即：

通常情況下，c的值由滑帶土的物質組成和含水量相互制約形成[6]，根據滑體的大小和變化程度決定。在實際工程中，滑動面能夠穿透不同土質層，部分滑動面受到地下水的影響，形成的不同段的抗剪強度標準值也有所不同。通過建立多個極限平衡方程，根據最二乘法得到滑動摩擦力，設定在滑動邊坡中有沿著滑動方向截取的斷面，獲得斷面的極限平衡方程為：

為了計算其中的代表性誤差，使得Wcosα= 0。在恢復極限平衡斷面求摩擦力時，均質土產生旋轉式滑坡，在極限平衡時，存在裂縫后滑動的滑動長度不計入其中。第一次滑動的邊坡在滑動時，極限平衡斷面要處于剛開始滑動的狀態(tài)。當擋土墻產生滑動破壞時，方程式中需要提供抗力，根據實際情況考慮計入抗震作用。由于滑坡的變形和破壞發(fā)生在坡體的摩擦力薄弱點，構造應力需要在模型中加入抗震考慮。

2 實驗測試與分析

2.1 抗滑樁背地層推力分布特征測試

抗滑樁背地層抗力能夠側面展示出滑坡推力的作用效果。其分布特征與滑層的地層巖性、抗滑樁剛度、錨固段長度、滑坡推力的大小存在對應關系。根據試驗監(jiān)測及各測點的土壓力，繪制分布曲線，如圖1所示。

圖1 5#抗滑樁推力分布曲線

圖2 15#抗滑樁推力分布曲線

由測試結果可知，15#樁在潛在滑面以下距樁頂10m 之間，測點TK15、TK20的土壓力趨近為0。若滑坡推力繼續(xù)增大，樁身會出現較大的撓曲變形，旋轉點擠壓作用加強，抗力增大。5#樁的樁背地層均有抗力分布，且在距離頂端23m 處產生峰值點。15#樁的樁背地層抗力分布范圍相比較小，大致呈三角形分布，土壓力最大值為78MPa，位于樁頂以下23m 處。受測樁錨固段長度與總樁長的關系見表2。

表2 錨段與總長關系

由監(jiān)測結果可知，樁背地層抗力的分布特征與抗滑樁的錨固段長度有關。由于所處位置處滑體厚度的差異，5#抗滑樁錨固段長度長，15#抗滑樁錨固段長度短。當抗滑樁剛度存在差異時，其變形特征也不相同。樁背抗力的顯著增加主要是滑坡推力逐漸作用于抗滑樁上的結果，隨著滑坡推力完全作用于抗滑樁上，地層抗力也逐漸趨于穩(wěn)定。樁背抗力的第二次顯著增長主要發(fā)生于預應力錨索施工完成后，說明樁背地層抗力的變化與預應力錨索的作用存在一定的相關性。15#抗滑樁具有較大的樁背抗力，且其分布形式長期保持不變。

2.2 樁位變化對抗滑樁加固下滑推力分布的影響

對抗滑樁樁位和下滑段橋墩水平距離的長度進行監(jiān)測，水平位移距離為4m、5m、6m。峰值加速度為0.3g，反應譜特征周期為0.5s。分別加載不同加速度值的5Hz 正弦波進行三維仿真分析。得到的工況結果如圖3所示。

圖3 不同加速度值的正弦波工況

由結果可知，隨著正弦波的加速度峰值增加，樁身水平位移逐漸增大。在正弦波工況中，抗滑樁樁位對基樁抗震加固的影響不大，隨著前排抗滑樁和樁基之間的距離增大，前期基樁的水平位移先減小后增大。由于抗滑樁受到的水平荷載的作用，使得樁后粘土的動土壓力增大，基樁傳遞的下滑推力增加。粘土的變形模量降低，振動過程中土體慣性力和基樁向四周土體的擠壓，使得土體產生變形和水平位移，從而導致塑性屈服。當抗滑樁和樁基之間的距離為5m時，變形模量較小的粘土出現一定的彈性、塑性變形，并將所承受的部分荷載傳遞給抗滑樁，在水平荷載作用下會產生較大的變形和水平位移。

3 結語

通過對邊坡抗滑樁抗滑技術的改進和創(chuàng)新，增加了材料的重復使用次數，提升了抗滑樁的抗滑、抗震質量，加快了施工總體進度，實現了考慮地震作用的邊坡抗滑樁滑坡推力分布研究。但該設計還存在不足之處，如工期的不合理分配問題、工程中材料浪費的問題、成本結算不足的問題等。今后在研究中，要保證邊坡抗滑樁項目中的推力分布問題，實現邊坡抗滑樁的有效施工，提高對提高結構穩(wěn)定性與安全性的要求，優(yōu)化結構設計模型，消除施工中有可能產生的誤差，加快施工速率，完成更安全更快速且考慮地震作用的邊坡抗滑樁滑坡推力分布研究實驗。