某高速公路邊坡的滑坡分析與抗滑樁防護設計

黃小滿，張紅星

(廣西交通科學研究院，廣西　南寧　530007)

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某高速公路邊坡的滑坡分析與抗滑樁防護設計

黃小滿，張紅星

(廣西交通科學研究院，廣西南寧530007)

黃小滿(1981—)，男，工程師，主要從事公路工程勘察設計工作。

摘要：文章以廣西某高速公路滑坡治理為例，基于該滑坡區環境地質特征，采用剩余下滑力法對該滑坡的穩定性進行了計算分析，提出利用抗滑樁方案對其進行加固整治，并根據剛性樁法計算樁身內力，驗算了樁身穩定性，為類似滑坡治理工程提供參考。

關鍵詞：高速公路；邊坡；滑坡；剩余下滑力；穩定性；抗滑樁；防護設計

0引言

公路邊坡穩定對于公路安全運行至關重要，由于人工開挖邊坡對原本穩定的自然坡體造成了擾動，如果其再受到地震、強降雨等因素影響，極有可能造成邊坡失穩產生滑坡。公路邊坡滑坡在我國是一種常見的自然災害，嚴重威脅公路安全。對于公路邊坡的穩定性分析及治理一直是工程師們關注的熱點之一，某些道路邊坡治理費用高昂，如京珠高速公路廣東北段高于30 m的邊坡85處，治理滑坡和高邊坡加固費用將近8億元[1，2]；云南省元江至磨黑高速公路高于30 m的邊坡為432處，出現災害177處，治理和加固費用高達5億元[3]；重慶萬州至梁平高速公路在砂泥巖順層地段的加固費用將近2億元[4]。在公路邊坡整治中，抗滑樁是一種加固效果良好的方法，抗滑樁的合理設計，不僅關系到邊坡的穩定與否，還能夠降低成本造價。因此，本文以廣西某條高速公路上一處滑坡治理為例，分析論證路基邊坡的穩定性，判斷邊坡的滑坡規模，并提出利用抗滑樁進行治理的措施，為類似工程治理提供參考。

1滑坡區環境地質特征

1.1　氣象水文特征

某高速公路位于桂北山區，該道路穿越地區氣候垂直分帶明顯，干濕季分明。根據氣象資料統計，該地區年平均降雨量較為豐富，年平均降雨量1 470 mm；歷年平均氣溫10.8 ℃~28 ℃，年平均日照時數1 025~1 771 h。其雨季集中在5~9月，占全年降水量80%以上，同時也是地下水補給的集中時期。夏季受臺風影響大，臺風侵襲時大量降雨，常造成山體滑坡及洪澇災害。

1.2　地形地貌和區域構造

本項目區域地形復雜，屬構造侵蝕-剝蝕低山地貌形態，起伏較大，切割較深，溝谷多呈“Ⅴ”型，原始地形大體上呈西北高、東南低，地形坡度較大，一般自然山坡坡度為20°~38°，本路段山脈走向呈北東-南西向。本區域內構造復雜，新構造運動活躍。構造帶東西長達10 km，構造兩側地層褶皺強烈，巖體破碎，分布雜亂。受其影響，沿線巖石節理裂隙發育，破碎強烈。

1.3　水文地質

該高速公路滑坡區域的地表水體主要是路基左側的小河流，雨季洪流槽道擺動不定，洪水或稀性泥石流對坡腳有側蝕作用，對坡體的穩定不利。工作區坡面較陡，降雨形成的坡面徑流對坡面有侵蝕作用。地下水類型為孔隙水與巖溶水，均屬潛水性質。

1.4　滑坡規模及地層狀況

在公路工程前期實地勘察階段發現該高速公路挖方路基處于一個古滑坡地形上。根據地質勘查報告結果，該滑坡長450 m，寬110 m，平面形態呈“弓”形，面積為6.2×104m2，體積約為70×104m3，為牽引式滑坡，滑坡方向為350°。滑坡前緣高程為157~159 m，后緣高程為206~207 m，相對高差約為46 m，屬于坡積層轉化形成的老滑坡。在地質勘查期間又發現了老滑坡剪出口以外的堆積物復活，由于滑坡前緣土體受到河水的沖刷作用，土體下滑形成了新的滑坡，其中，新滑坡長度為200 m，寬度為110 m，滑坡體厚2.7~17.5 m，主要由坡積粉質黏土夾碎石組成，表層存在人工填土，近河邊存在沖洪積的粉土或粉砂土，現已成為滑坡體的一部分。人工填土以棄土層為主，偶夾有工業棄渣及生活、建筑垃圾。該層結構疏松，厚度變化較大，一般為0~1 m，局部可達6.5 m。滑坡體坡積層以粉質黏土為主，含有碎石、塊石，粒徑為3~50 cm，最大可達135 cm。前緣近河床一帶，受河水沖刷侵蝕，土體中的細小顆粒被水帶走，多見直徑1~3 m泥巖、砂巖塊石，該層厚度為1.6~10 m。

2邊坡穩定性分析

2.1　計算模型

選取滑坡后緣具有代表性的張拉裂縫所在的剖面，對該路段邊坡的穩定性進行分析計算。根據勘察報告，該滑坡的主要破壞形式是上部的粉質黏土夾碎石土沿下部的砂質泥巖層頂面出現滑動，根據坡面和滑動面的形狀，將滑動體劃分成四塊，分別命名為塊Ⅰ、塊Ⅱ、塊Ⅲ和塊Ⅳ，如圖1所示，在塊Ⅰ后方出現了明顯的張拉裂縫，最大寬度為24.3 cm，深度約為0.7~2.8 m。

圖1　邊坡穩定性計算簡圖

2.2　計算參數

滑動面土質力學的參數關系到穩定性的計算結果，根據勘察報告，滑動體的幾何參數、土質參數如表1所示。

表1　邊坡穩定分析的計算參數表

2.3　計算公式

本滑坡的滑動面出現在上部的粉質黏土夾碎石層和下部的砂質泥巖界面處，考慮到該滑坡需要一定的安全儲備，采用剩余下滑力法計算該滑坡的穩定性：

Ei=KWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中，Ei——第塊的剩余下滑力(kN)；

K——邊坡穩定安全系數，本工程取1.25；

Wi——第i塊滑塊的重量(kN)；

αi——第i塊的滑面傾角(m)；

ci和φi——第i塊滑體滑面上巖土體的粘聚力

(kPa)和內摩擦角(°)；

li——第i塊滑體的滑面長度(m)；

ψi——傳遞系數。

依次計算Ⅰ~Ⅳ滑塊的剩余下滑力，如果上方滑塊有剩余下滑力，則此下滑力傳遞到下方滑塊上，如果滑塊Ⅳ的剩余下滑力為正值，表明滑坡體是不穩定的；反之，如果是負值，表明是穩定的。以滑塊Ⅰ為例，分別計算其下滑力和抗滑力，其下滑力為：

KWisinαi=1.25×21 132.9×sin37°=15 897.2 kN

其抗滑力為：

Wicosαitanφi+cili=21 132.9×cos37°tan13°+10×95.3=4 849.4 kN

則滑塊Ⅰ的剩余下滑力為11 047.8 kN，依此方法，分別計算其它滑塊的剩余下滑力，邊坡穩定的計算結果匯總于表2中，滑塊Ⅳ的剩余下滑力為300.9 kN，表明此邊坡的安全儲備不足。

表2　邊坡穩定分析的計算結果表

3抗滑樁方案論證

該滑坡相對高差較大，為46 m，且下滑力較大，下方臨近河流，且上方為老滑坡，仍有活動的條件，需要進行加固整治。滑坡加固的方法有多種，常用的有錨索法、擋土墻法和抗滑樁法等，錨索法常用于坡度較大的巖體邊坡加固，本工程滑動體主要是粉質黏土夾碎石，且坡度較小，錨索用量較大，不夠經濟；擋土墻法需要對邊坡進行開挖，對滑動體產生擾動，適用于滑動面較淺的滑坡，該滑坡的滑動力較大，滑動面又較深，而且擋土墻的抗滑能力弱于抗滑樁；抗滑樁具有抗滑能力強，適用于滑坡推力大、滑動帶深的滑坡，并且人工開挖面小，不易惡化當前的滑坡狀態。經綜合比較最終確定此處滑坡采用抗滑樁進行加固。

抗滑樁設在下方臨近河流處，既考慮到在滑坡體的下部滑坡推力較小，可以減小抗滑樁的規模，同時在臨河處增加適當的防水措施，可以有效防止河水的侵蝕沖刷，對上部的巖土體起到較好的保護作用。

3.1　樁身內力計算

根據滑坡體計算的下滑力及抗滑樁需要設置的長度，按設計經驗值可以初步擬定抗滑樁截面為b×a=2 m×3 m，下伏錨固端地基的抗力系數A=A′=72 100 kN/m2，混凝土采用C30，混凝土彈性模量E=3.0×104kN/m2，抗滑樁滑面以上土層厚度h1=10 m。抗滑樁的下部錨固巖層為中風化砂質泥巖，質地均勻，透水性差，孔隙率為3.7%，單軸抗壓強度為18.0 MPa。抗滑樁的錨固深度應能保證提供足夠的抵抗力，通常要求抗滑樁傳遞到下部砂質泥巖的側壁壓力不大于地層的側向容許抗壓強度，樁長不宜過大，否則錨固作用不再顯著，造成浪費。根據工程經驗，若地層為土層或軟巖，錨固長度一般取1/3~1/2樁長，本工程取滑面以下長度h2=8 m。抗滑樁的間距設置應保證土體不會從樁間擠出，當滑體完整、密實和下滑力較小時，樁間距可適當大些，反之則小些。此處抗滑樁間距L取樁長的1/3~2/5=6.0~7.2 m，取L=6.0 m。

3.1.1荷載計算

根據《建筑樁基技術規范》(JGJ94-2008)對地基土水平抗力系數的比例系數m的取值方法，此滑坡滑床的m值m1取30 000 kN/m4，m2取41 000 kN/m4，然后計算m值：

=38 000 kN/m4

由上述2.3部分計算知該滑坡的剩余下滑力，即水平推力EH=300.9 kN。

樁前的被動土壓力為：

即樁前被動土壓力>剩余下滑力，可取樁前土的抗力為0 kN/m。

3.1.2計算變形系數α

對于矩形截面的抗滑樁，計算寬度Bp=b+1=2+1=3 m

其計算深度αh2=0.25×8=2<2.5，故可按剛性樁計算。

3.1.3彎矩和剪力計算

設作用在樁上的水平推力及剩余下滑力按矩形分布，則有：qH=EHL/h1=180.5 kN/m。由于樁前的剩余下滑力為0，則最終作用在單樁上的分布荷載為180.5 kN/m。滑面以上樁體視為懸臂構件，用結構力學原理計算樁身的最大剪力和最大彎矩分別為：Qmax=7 541.0 kN，Mmax=30 342.4 kN/m，地層對樁身的最大抗力為1 301.7 kPa。

3.2　抗滑樁的穩定性驗算

抗滑樁穩定性與其嵌固段長度、樁間距、樁截面寬度和滑床巖土體強度等有關，可用圍巖容許側壓力公式判定：

對于較完整巖體、硬質粘土巖體：σmax≤p1R

(3)

對于一般土體或嚴重風化破碎巖層：σmax≤p2(σp-σa)

(4)

其中，σmax為嵌固段圍巖最大側向壓力，本工程中σmax=1 301.7kPa；p1和p2為折減系數，均取0.5；R為巖石單軸抗壓強度，本工程取18 MPa；σp和σa分別為樁前和樁后巖土體作用在樁身上的被動土壓力和主動土壓力。由于該工程樁身嵌固段為砂質泥巖，按硬質黏土巖體考慮，故按公式(3)進行穩定性驗算。即1 301.7 kPa<0.5×18×103=9 000 kPa，故樁身的穩定性滿足設計要求。

3.3　抗滑樁的配筋計算

抗滑樁按受彎構件來考慮，矩形抗滑樁縱向受拉鋼筋配置數量根據彎矩圖分段確定，主筋采用HRB400級螺紋鋼筋，箍筋采用HRB335級鋼筋，鋼筋保護層厚度取50 mm，按照《混凝土結構設計規范》(GB50010-2002)進行配筋計算。限于篇幅，抗滑樁受彎和受剪配筋計算方法詳見上述規范，抗滑樁受彎強度設計安全系數取1.2，抗滑樁斜截面受剪強度設計安全系數取1.3，經計算，縱向受拉鋼筋As=37 806.3 mm2；抗滑樁斜截面受剪強度設計安全系數取1.3，箍筋最終選用φ12@200，兩者均滿足最小配筋率要求。配筋圖如圖2所示。

圖2　抗滑樁配筋圖

3.4　抗滑樁布置及監測設計

抗滑樁布置在滑坡的下部，臨近河流邊緣，根據設計布置一排抗滑樁，其具體位置見圖3所示。另外，該滑坡還進行了監測設計，在坡頂張拉裂縫位置處布置3個裂縫寬度監測點，在老滑坡區布置2個深層水平位移觀測點，在新滑坡區布置1個深層水平位移觀測點，同時布置了2個地下水位觀測點和2個地表位移觀測點。

圖例：?為滑動方向，●為深層水平位移觀測點，■為地下水位觀測點，+地表位移觀測點，為抗滑樁，為滑坡裂縫寬度觀測點

圖3K48+000~K48+256段抗滑樁布置及監測示意圖

4結語

采用剩余下滑力法對某高速公路邊坡的穩定性進行了計算，發現此邊坡屬于不穩定坡體。對多種處理方案進行比較，確定采用抗滑樁方案對此邊坡進行加固整治。根據剛性樁法計算了抗滑樁樁身的內力，并進行了樁身穩定性驗算和樁身配筋計算。此邊坡另外還進行了監測設計和排水防護設計，限于篇幅，這些內容不再介紹。此邊坡施工后，經監測位移符合標準，處于穩定狀態，表明此設計合理。

參考文獻

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[3]顧麗雅，高速公路高邊坡設計與加固要領[J].交通標準化，2007.6：126-129.

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Landslide Analysis and Anti-slide Pile Protection Design of An Expressway Slope

HUANG Xiao-man，ZHANG Hong-xing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：With the landslide treatment of an expressway in Guangxi as the example，based on the environ-mental geological characteristics of this landslide area，this article calculated and analyzed the stability of this landslide by using the sliding force surplus method，proposed using the anti-slide pile program for its rein-forcement and remediation，calculated the internal pile force based on rigid pile method，and checked the pile stability，thereby providing the reference for similar landslide treatment projects.

Keywords：Expressway； Slope； Landslide； Sliding force surplus； Stability； Anti-slide pile； Protective design

收稿日期：2015-04-02

文章編號：1673-4874(2015)05-0023-04

中圖分類號：U418.5+2

文獻標識碼：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.007

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