圓形大截面抗滑樁在高速公路丘陵斜坡地帶滑坡工程中的應用

曾玲升,肖 強,郭凱斌

(江西省交通設計研究院有限責任公司,江西 南昌 330100)

1 工程概況

1.1 滑坡地貌特征

宜春至遂川高速公路從山體斜坡經過,山體傾向北西側,山體自然坡度15°～25°。該斜坡坡腳數(shù)年前發(fā)生滑坡,滑坡方量約10 000 m2,屬牽引式小型土質滑坡。該處受人工開墾影響,地形多呈臺階狀,高度一般1.5～3 m,種植橘樹林。滑坡體山腰及坡腳坡度約為15°～25°,頂部較為平緩,高程處于180～230 m,坡腳到坡頂高差達50 m。

該斜坡在施工開挖過程中,發(fā)生明顯變形跡象,已呈現(xiàn)多道橫向裂縫,坡面已垮塌。在坡腳開挖后,使臨空面更陡,產生多處裂縫及局部滑塌,局部滑塌體位于坡面,走向50°,坡向320°。滑坡平面形態(tài)為橢圓形,滑坡面積達7 500 m2,滑坡體縱長約90 m,前緣寬約110 m,坡腳高程184 m,滑坡后緣高程226 m,坡頂已形成圓弧狀裂縫,主滑方向320°裂縫達10～30 cm,局部伴有下錯。綜合分析鉆探、物探成果,滑動面主要位于全風化頁巖中,平均埋深12 m,滑床為全風化頁巖,滑體為殘坡積含碎石粉質黏土及全風化頁巖,滑體土方量約9.4×104m3。

1.2 滑坡物質結構

路線沿山麓展布,向右深切山體,滑坡體巖性多為黃色含碎礫石黏性土或黏土質碎礫石,表覆第四系中更新統(tǒng)殘坡積層(Q2el+dl)含礫低液限黏土,含水率較高,棕黃色,硬塑狀,土層中夾雜有較多碎礫石,厚度3～8 m不等,局部土層厚度大于10 m,且含較多碎礫石,下伏基巖為石炭系下統(tǒng)大塘階測水段(C1D2)頁巖、炭質頁巖及石灰?guī)r。

2 滑坡變形形態(tài)特征及發(fā)生機理

2.1 滑坡變形特征

(1)邊坡坡面首先出現(xiàn)橫向拉張裂縫L1,目前裂縫張開寬度約40～60 cm,下錯20～40 cm,其走向與滑動方向大致垂直,延伸長度約65 m,深度2 m以上。

(2)平臺排水溝發(fā)生滑動,局部扭轉、溝壁發(fā)生開裂變形。

(3)二級坡坡腳產生數(shù)條剪出口,貫通性較好,剪出10～20 cm,滑動面上可見一層白色黏土礦物,擦痕明顯。

(4)坡頂高程約226 m處出現(xiàn)拉張裂縫,寬約10～20 cm,下錯約10 cm,裂縫處即為滑坡的后緣邊界,呈圓弧狀完全貫通。

(5)潛在滑動面處于飽水狀態(tài),使得前緣土體推出,土體較為松散,下雨天出現(xiàn)出水點,流量約為1 L/min,逐漸形成小匯流通道,沿坡面滑動面發(fā)生匯流,在坡腳呈泉水流出,使得滑坡體土體軟化,降低內摩擦角和黏聚力,坡體整體穩(wěn)定性下降[1]。

該山體為一處古滑坡,屬“欠穩(wěn)定”的幾何模型,根據(jù)邊坡變形特征分析,滑坡的成因與其地形地貌、地層結構、巖土性質、水(降雨和地下水)、人類活動[2-3]等因素密切相關,導致該邊坡形成滑坡。

2.2 滑坡發(fā)生機理分析

滑塌區(qū)處亞熱帶季風氣候區(qū),屬亞熱帶濕潤季風氣候類型,雨量充沛,該斜坡體上覆殘坡積含碎石粉質黏土,滲透性相對于下伏全風化頁巖較好,以致降水易于在全風化頁巖頂面匯集,頂面厚2～3 m土體相對較潮濕,在雨季時進一步軟化為軟塑狀態(tài),形成“潮濕帶”。根據(jù)鉆孔揭露滑坡區(qū)覆蓋殘坡積含碎石粉質黏土厚度約3～12 m,下伏全風化頁巖,頁巖趨勢產狀為320°∠30°(坡1面傾向320°),為順向坡,全風化頁巖層面中夾有一層灰白色黏土礦物,厚度一般為3～10 m,在暴雨時期形成“軟弱帶”,使得坡體穩(wěn)定性下降[4-6]。

另一方面由于斜坡體均已種植柑橘,長期灌溉使得該山體處于潮濕狀態(tài),高速公路對此山體進行開挖,使得斜坡體形成較陡臨空面,導致邊坡穩(wěn)定性惡化。當邊坡開挖加之遇上雨期,滑坡形成過程如下:首先在靠近坡面處,由于全風化頁巖覆蓋的粉質黏土加上自身重力作用下,使坡體發(fā)生推移式變形,在五級坡坡面形成拉張裂縫,其次進一步在第四級、第三級坡面產生裂縫,并伴有反向錯動,在二級坡坡腳產生剪出口,剪出10～20 cm。隨著持續(xù)的滑移,五級坡坡面裂縫寬度逐漸擴大,在坡頂創(chuàng)造良好臨空面,殘坡積粉質黏土產生牽引式變形,加上雨季使得土的力學性質變差,形成的“潮濕帶”+“軟弱帶”,裂縫沿著“潮濕帶”+“軟弱帶”發(fā)生滑動,并不斷向后牽引坡頂土體變形,各個部分之間相互影響、相互作用,如瓦片疊加式破壞,導致整個坡面結構滑塌。

3 滑坡穩(wěn)定性驗算

3.1 計算模型

滑坡前部(以五級坡坡面裂縫為界),采用圓弧滑動模型,采用簡化Bishop法和極限平衡理論,反算全風化頁巖天然工況下力學參數(shù),計算并評價其暴雨工況下的穩(wěn)定性[9];滑坡后部(坡頂),采用折線滑動模型,以Bishop法、極限平衡理論反算全風化頁巖頂面在潮濕帶天然工況下力學參數(shù),計算并評價其暴雨工況下的穩(wěn)定性。天然工況選取天然重度,暴雨工況選取飽和重度,分別選取試驗指標平均值。

圓弧滑動面穩(wěn)定性計算公式(簡化Bishop法)為[7]

(1)

(2)

式中:K為整個滑體計算的安全系數(shù);b為土條的寬度,m;W為條塊重力,kN,浸潤線以上取天然重度,以下取飽和重度;θ為第i個土條中點處切線與水平線的夾角,(°);c為土的抗剪強度指標黏聚力,kPa;φ為土的內摩擦角,(°)。

天然工況選取天然重度,暴雨工況選取飽和重度,綜合考慮土工試驗成果,根據(jù)經驗對全風化頁巖強度試驗值進行適當折減,分別選取試驗指標平均值,如表1、表2所示。

表1 天然工況下巖土強度參數(shù)表

表2 暴雨工況下巖土強度參數(shù)表

3.2 計算結果

通過分析該滑坡形成機制,分析滑坡體自重荷載對穩(wěn)定性的影響,該滑坡進行穩(wěn)定性分析計算將滑坡穩(wěn)定性計算劃分為2種工況:工況Ⅰ為天然工況;工況Ⅱ為暴雨工況。

首先假定滑裂面是圓弧面,通過軟件計算其最不利滑面,分析滑面中0.3H折線破裂面和朗肯破裂面,同時考慮土條兩側條間力的作用,整體力矩及每一土條的垂直力的平衡,整體采用簡化畢肖普法分析整體穩(wěn)定性。安全系數(shù)為抗滑力矩與下滑力矩間的比值,表3為計算結果。

(3)

表3 滑坡穩(wěn)定性計算結果

剩余下滑力計算公式采用傳遞系數(shù)法,安全系數(shù)取值1.22,計算上述模型中最不利滑塊受力情況,分析擬設抗滑樁結構物所需要承受的剩余下滑力,計算結果如表4所示。

表4 滑坡剩余下滑力計算結果 單位:kN

依據(jù)表4可以看出,該滑坡的總下滑力為5 189.83 kN,總抗滑力6 324.71 kN,其中支擋結構物和部分土體抗滑力為6 088.51 kN。該山體為一處古滑坡,屬“欠穩(wěn)定”的幾何模型,雨季時期形成的地表水進入坡體,降低坡體的物理力學特征,導致巖土強度參數(shù)c、φ值降低,最終發(fā)生坡體滑塌。在擬設置抗滑樁后,該路塹在天然工況下的穩(wěn)定系數(shù)為1.22,在暴雨工況下穩(wěn)定系數(shù)為1.09。計算結果表明,在安全系數(shù)為1.22時,計算斷面擬設置抗滑樁所承受的剩余下滑力為1 422 kN。

4 處治措施

4.1 抗滑樁的位置布置

根據(jù)前述分析及計算結果,該滑坡抗滑樁設計方案如圖1、圖2所示。

圖1 第一級平臺抗滑樁平面布置圖(單位:cm)

圖2 第二級平臺抗滑樁平面布置(單位:cm)

第一級坡頂平臺設置一排Φ2.5 m鋼筋混凝土抗滑樁,抗滑樁間距6 m,每根樁長23 m,共設置31根,每4根或3根采用2.0 m高冠梁連接成整體。第二級邊坡平臺設置二排Φ2.5 m鋼筋混凝土抗滑樁,抗滑樁間距6 m,每根樁長32 m,山體側一排設置15根,路基側設置14根,梅花型布置,共設置29根,靠山體側每4根或3根采用2.0 m高冠梁連接成整體,前后排采用“V”型系梁進行相互連接。

4.2 抗滑樁設計與計算

根據(jù)工程地質條件及計算結果,抗滑樁采用直徑為2.5 m圓形截面,抗滑樁樁長h=30 m,其中段h1=10 m,錨固段h2=20 m;樁心間距L=6.0 m;抗滑樁按彈性樁進行設計,樁底邊界條件按自由端考慮;采用midas Civil Designer對抗滑樁進行內力分析,按部分預應力(B類)混凝土結構進行驗算,樁身內力按懸臂樁“K”法計算,其中各荷載工況按表5取值。

表5 荷載工況

荷載組合列表根據(jù)如下取值。

基本組合:基本;1.350(D)+1.350(D1)+1.350(D2)。

標準組合:頻遇;1.000(D)+1.000(D1)+1.000(D2)。

計算得出位移內力云圖如圖3所示,其中結構最大位移量為4.17 cm;標準組合下軸力云圖如圖4所示,基本組合下結構剪力云圖如圖5所示,其中標準組合下結構最大軸力為9 644 kN,基本組合下結構最大剪力為7 247 kN;樁和系梁的彎矩云圖如圖6、圖7所示,由圖可知樁最大彎矩為27 530 kN·m,系梁最大彎矩為12 600 kN·m。

圖3 位移內力云圖

圖4 標準組合下軸力云圖

圖5 基本組合下剪力云圖

圖6 樁彎矩云圖

圖7 系梁彎矩云圖

由抗滑樁計算結果可知,滑坡推力產生的最大彎矩和最大剪力在樁身,為此,采用滑坡推力進行抗滑樁設計。根據(jù)樁身彎矩及剪力計算,樁身主筋選用3根主筋為一束,每束鋼筋由3根Φ32HRB400鋼筋組成,至少需要采用116根,箍筋采用雙肢箍筋,選用Φ16HRB400鋼筋,間距取160 mm。

5 結 語

當高速公路穿越斜坡體山坡,常見的滑坡成因與其地形地貌、地層結構、巖土性質、水(降雨和地下水)、人類活動等因素相關[11]。基于宜春至遂川高速公路的路塹滑坡,采用簡化Bishop法和極限平衡理論對該滑坡的穩(wěn)定性進行了分析。在天然和暴雨兩種工況下,計算了安全系數(shù),并得出結論:在暴雨工況下,滑坡的推力會加大。

根據(jù)建立的數(shù)值模型,分析該滑坡在每級平臺所產生的下滑力,并對樁身內力進行驗算。通過合理布置抗滑樁的位置,可以避免造成滑體從樁頂剪出或抗滑樁位移過大。

根據(jù)計算下滑力結果,合理設置抗滑樁的間距,防止滑動土體從樁間滑出。采用懸臂樁“K”法計算抗滑樁所受的最大彎矩和最大剪力,根據(jù)計算結果進行抗滑樁配筋及主筋位置設計,滑體的主滑切向方向主筋應加強設計,充分考慮其配筋率,以防造成抗滑樁自身的破壞。

圓形截面鋼筋混凝土抗滑樁可采用旋挖成孔,較沖擊樁可縮短施工時間,該工程于當年2月處置至今未出現(xiàn)變形。