抗滑樁在水庫滑坡體中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賴旺林（龍巖漳永高速公路有限責(zé)任公司，龍巖364000）

抗滑樁在水庫滑坡體中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

賴旺林
（龍巖漳永高速公路有限責(zé)任公司，龍巖364000）

本文以何家坡水庫現(xiàn)場滑坡治理為工程背景，結(jié)合滑坡工程實(shí)際情況，對(duì)水庫滑坡體進(jìn)行了穩(wěn)定性計(jì)算分析，采用了抗滑樁治理方案，并闡述了抗滑樁的設(shè)計(jì)及計(jì)算原理，對(duì)山區(qū)高速公路工程中出現(xiàn)的滑坡治理具有重要參考價(jià)值。

滑坡治理方案抗滑樁穩(wěn)定計(jì)算

0 引言

滑坡是指構(gòu)成斜坡的巖土體在重力及其他外應(yīng)力作用下失穩(wěn)，沿坡體內(nèi)部軟弱滑動(dòng)面發(fā)生的整體性向下滑動(dòng)的現(xiàn)象。我國崩塌、滑坡和泥石流等不良地質(zhì)災(zāi)害的分布范圍約占國土面積的45%，其中滑坡占不良地質(zhì)災(zāi)害的比例達(dá)58%以上，是世界上地質(zhì)災(zāi)害最為嚴(yán)重的國家之一。隨著山區(qū)高速公路建設(shè)的發(fā)展，遇到的地形和地質(zhì)條件也更加復(fù)雜，滑坡等邊坡問題治理日益眾多。

抗滑樁作為現(xiàn)代滑坡治理的主要手段，一般布置在淺層和中厚層滑坡前緣，借助樁體與周圍巖土共同作用，把滑坡水平推力傳遞到穩(wěn)定地層的一種抗滑結(jié)構(gòu)。它具有抗滑動(dòng)能力強(qiáng)、工作面多、施工方便快捷、設(shè)備簡單等特點(diǎn)，目前已廣泛應(yīng)用在高速公路的路堤支擋、路塹邊坡加固、隧道和橋橋基加固等工程中。

何家陂水庫滑坡體位于在建中何家坡大橋的11#橋墩及其上部，并向上延伸至縣道邊坡附近。據(jù)調(diào)查，滑坡發(fā)生于2014年5月22日，當(dāng)時(shí)本地連續(xù)下雨后，引起縣道X601的路基坍塌，橋墩附近土體滑落到水庫中。危及在建中的何家陂大橋的安全。因此，對(duì)該滑坡進(jìn)行綜合治理具有十分重要的現(xiàn)實(shí)意義。

圖1 何家陂水庫滑坡平面位置圖

1 工程概況

1.1 工程簡介

福建省廈蓉漳州天寶至龍巖蛟洋高速改擴(kuò)建工程（龍巖市境）龍巖段何家坡大橋滑坡位于龍巖市新羅區(qū)小池鎮(zhèn)南側(cè)約2.5km處，為現(xiàn)有X601道路兩側(cè)及其下部，何家坡水庫岸坡上。

新建高速公路何家陂大橋橫跨水庫邊緣，橋長448m，橋型布置為[（4×40）+（4×40）+（4×40）]mPC連續(xù)-剛構(gòu)T梁，平面位于半徑R=650m的圓曲線和緩和曲線內(nèi)，墩臺(tái)徑向布置。其中11#墩位于何家陂水庫滑坡體上，平面位置圖如圖1所示。

1.2 地質(zhì)條件

場地位于一呈東西向展布的黃連盂山脈的南側(cè)坡腳，為低山-丘陵地貌，坡面植被較發(fā)育。其中縣道601橫穿滑坡后緣，滑坡處地面標(biāo)高介于589.50~550.00m間，山坡自然坡度在15~30°之間。場地東南側(cè)約140m見有斷層（F304），其產(chǎn)狀為129°∠80°，寬約10~20m，帶內(nèi)巖石破碎，產(chǎn)狀雜亂，影響寬度較大。

2 滑坡體特征及穩(wěn)定性計(jì)算

2.1 滑坡體特征

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查及鉆探資料，滑坡體走向?yàn)槟蠔|向，最大長度約100m，寬約65m，高度約為46m（標(biāo)高：589.00~ 542.38），滑距0~2.5m不等，面積約為5405m2；鉆孔中的滑坡體厚度為8.8~23.00m，體積約為31216m3；滑坡體成分主要為坡積粉質(zhì)粘土、碎石、（碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化巖）塊石等，滑坡體樹林歪斜，裂縫多。為小型土質(zhì)推移式深層滑坡。

據(jù)現(xiàn)場調(diào)查，滑坡呈疊瓦狀多級(jí)滑動(dòng)，最大錯(cuò)距達(dá)2.00m，并形成了多條較長橫向裂縫，可見裂縫，長3~23m不等，寬0.1~0.5m，可見深度0.1~1.5m不等。

2.2 滑坡體穩(wěn)定性計(jì)算

（1）據(jù)勘察成果，選取滑坡軸線“I-I”至“III-III”為計(jì)算斷面，剖面地形線為施工單位實(shí)測，采用飽和剪切強(qiáng)度，根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）規(guī)定，對(duì)于現(xiàn)有邊坡穩(wěn)定系進(jìn)行計(jì)算結(jié)果如下表1所示。

表1 滑坡體計(jì)算簡表

（2）根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2015）規(guī)定，根據(jù)安全系數(shù)取值各斷面深部滑塊（A、B、C滑塊）計(jì)算本滑坡體剩余下滑力。

在飽和狀態(tài)下，從計(jì)算結(jié)果知，安全系數(shù)取1時(shí)，現(xiàn)有狀態(tài)下滑坡體剩余下滑力分別為59.29kN、332.45kN、483.11kN，滑坡體不穩(wěn)定，目前仍在活動(dòng)中；安全系數(shù)取1.3時(shí)，現(xiàn)有狀態(tài)下滑坡體剩余下滑力分別為227.26kN、807.99kN、850.16kN，滑坡體不穩(wěn)定。

3 治理方案

滑坡治理工程應(yīng)根據(jù)該滑坡的工程地質(zhì)條件、規(guī)模和性質(zhì)，采取標(biāo)本兼治的綜合防治手段進(jìn)行治理，達(dá)到徹底根治，不留后患的目的。

當(dāng)采用抗滑樁治理滑坡時(shí)，首先需要解決樁的平面布置與樁的埋入深度問題。這是抗滑樁設(shè)計(jì)的主要參數(shù)，它的合理與否，直接關(guān)系到抗滑樁效用的成敗。

3.1 樁的平面位置及間距

抗滑樁的平面位置和間距，一般應(yīng)根據(jù)滑坡的地層性質(zhì)、推力大小、滑動(dòng)面坡度、滑坡厚度、施工條件、樁截面大小以及錨固深度等因素綜合確定。

抗滑樁的間距受許多因素的影響，目前尚無較成熟的計(jì)算方法。合適的樁距應(yīng)該使樁間滑體具有足夠的穩(wěn)定性，在下滑力作用下不致從樁間擠出。換而言之，可按樁間土體與兩側(cè)被樁所阻止的土體的摩擦力大于樁所承受的滑坡推力來估算。有條件時(shí)可通過模擬試驗(yàn)，取得土體能形成土拱效應(yīng)的樁間距值，并結(jié)合實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來考慮樁的間距。一般情況下，當(dāng)滑體完整、密實(shí)或滑坡推力較小時(shí)，樁距可取大些；反之，應(yīng)取小些。此外，滑坡主軸附近樁距應(yīng)小，兩側(cè)邊部樁距宜大。目前一般采用6~10m的樁距。

3.2 樁的錨固深度

樁埋入滑面以下穩(wěn)定地層內(nèi)的適宜錨固深度，與該地層的強(qiáng)度、樁所承受的滑坡推力、樁的相對(duì)剛度以及滑面以上滑體對(duì)樁的反力有關(guān)。

原則上由樁的錨固深度傳遞到滑面以下地層的側(cè)向壓應(yīng)力不得大于該地層的容許側(cè)向抗壓強(qiáng)度，樁基底的最大壓應(yīng)力不得大于地基的容許承載力。

錨固深度不足，易引起樁效用的失敗；但錨固過深則導(dǎo)致工程量的增加和施工的困難。有時(shí)可適當(dāng)縮小樁間距以減小每根樁所承常受的滑坡推力，有時(shí)可調(diào)整樁的截面以增大樁的相對(duì)剛度，從而達(dá)到減小錨固深度的目的。

（1）土層及嚴(yán)重風(fēng)化破碎巖層支承條件樁身對(duì)地層的側(cè)壓應(yīng)力應(yīng)符合公式（1）。

公式中，γ為地層巖（土）的容重，（kN/m3）；φ為地層巖（土）的內(nèi)摩擦角，（°）；c為地層巖（土）的粘聚力（kPa）；h為地面至計(jì)算點(diǎn)的深度，（m）。

一般檢算至樁身側(cè)應(yīng)力最大處，若不符合上式要求，則調(diào)整樁的錨固深度或樁的截面尺寸、間距，直至滿足為止。

（2）較完整巖質(zhì)、半巖質(zhì)地層支承條件

樁身對(duì)圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力σmax應(yīng)符合公式（2）。

公式中，k1/為折減系數(shù)，根據(jù)巖層產(chǎn)狀的傾角大小，取0.5~1.0；k2/為折減系數(shù)，根據(jù)巖層的破碎和軟化程度，取0.3~0.5；R0為巖石單軸極限抗壓強(qiáng)度，（kPa）。

計(jì)算結(jié)果若不符合上式，則調(diào)整樁的錨固深度或截面尺寸、間距，直至滿足為止。

上述公式，只能作為確定樁的錨固深度及校核地基強(qiáng)度時(shí)的參考用。常用的錨固深度，從以往的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)來看，對(duì)于土層或軟質(zhì)巖層約為1/3~1/2樁長比較合適；但對(duì)于完整、較堅(jiān)硬的巖層可以采用1/4樁長。

3.3 方案選擇

根據(jù)地質(zhì)勘察結(jié)果滑坡體對(duì)何家坡11#橋墩的穩(wěn)定性影響很大，需要對(duì)滑坡進(jìn)行治理。因需要確保滑坡體上方縣道正常通行，且需要保證位于滑坡體上的11#橋墩安全，綜合分析后采用抗滑樁加固滑坡體的治理方案。

圖2 抗滑樁平面位置圖

圖3 A-A主滑動(dòng)面斷面圖（單位：m）

在橋梁右側(cè)設(shè)置19根預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁，樁頂標(biāo)高按根據(jù)地面線確定，樁底以碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化為持力層，樁長預(yù)計(jì)35m；同時(shí)，為了避免滑坡體前緣受水庫蓄放水影響產(chǎn)生滑塌，導(dǎo)致樁基外露，影響橋梁安全，在橋梁左側(cè)10#墩旁設(shè)置了4根普通埋入式抗滑樁、在橋梁左側(cè)11#墩旁設(shè)置了2根普通埋入式抗滑樁，平面布置圖詳見圖2，A-A主滑動(dòng)斷面圖詳見圖3。

4 錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)計(jì)算原理

4.1 錨索設(shè)計(jì)拉力計(jì)算

錨索設(shè)計(jì)拉力值按錨索抗滑樁橫向變形約束地基系數(shù)法設(shè)計(jì)計(jì)算：根據(jù)位移變形協(xié)調(diào)原理，樁上每根錨索仲長量Δi與該錨索所在點(diǎn)樁的位移fi相等，建立位移平衡方程，如公式（3）所示。

公式中，X0、φ0分別為樁錨同段頂端0點(diǎn)處的位移、轉(zhuǎn)角；Δiq、Δi分別為滑坡推力、其他層錨索拉力Ri作用于i點(diǎn)樁的位移；Ri0為第i根錨索的初始預(yù)應(yīng)力；δi為第i根錨索的柔度系數(shù)，即單位力作用下錨索的彈性伸長量。

由地基系數(shù)法計(jì)算樁錨固段頂端0點(diǎn)的位移X0和轉(zhuǎn)角φ0，最后解線性方程組，如公式（4）所示。

可得各排錨索拉力，如公式5所示。

4.2 樁的內(nèi)力計(jì)算

樁的內(nèi)力計(jì)算常做如下假定，采用懸臂樁簡化計(jì)算抗滑樁的內(nèi)力：（1）假定樁為剛性樁；（2）不考慮樁與周同巖土間的摩擦力；（3）滑坡推力為矩形分布。計(jì)算如公式（6）所示。

公式中，ET′為樁承受荷載，即滑坡推力與受荷段地層抗力之差，kN；h1為樁的受荷載段長度，m；ym為錨同段地層達(dá)到δ區(qū)的厚度，m；h3為錨同段地層彈性區(qū)厚度，m；δ為地層側(cè)壁容許應(yīng)力。

當(dāng)ET′，h1，Bp均已知，便可由上計(jì)箅式聯(lián)立解出δ，ym，h3值，從而得到樁的地層應(yīng)力和樁的內(nèi)力。

4.3 樁的配筋計(jì)算

在完成樁的內(nèi)力計(jì)算后，普通抗滑樁在配筋時(shí)可按常規(guī)方法進(jìn)行配筋計(jì)算。在錨索抗滑樁縱筋配筋計(jì)算時(shí)，應(yīng)考慮預(yù)應(yīng)力錨索豎直向下的分力Fy，原計(jì)算公式可變?yōu)楣剑?）和公式（8）。

公式中，γ0為抗滑樁安全系數(shù)，Md為彎矩組合設(shè)計(jì)值；fc為混凝土軸心抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b為矩形截面寬度；h0為截面有效高度，h0=h-as，h為截面高，as為從截面受拉邊緣至縱向受力鋼筋重心的距離；x為截面受壓區(qū)高度；As為受拉區(qū)縱向鋼筋的截面面積。

公式中，ft為混凝土抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；fyv為箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；V為斜截面抗剪承載力；Asv為配筋在同一截面內(nèi)箍筋各肢的全部截面面積.等于nAsv1，其中，n為在同一截面內(nèi)箍筋的肢數(shù)，Asv1為單肢箍筋的截面面積；s為沿構(gòu)件長度方向箍筋的間距。

5 抗滑樁計(jì)算結(jié)果

根據(jù)工程邊坡地質(zhì)剖面圖和相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)，也可采用軟件計(jì)算，在ANSYS中建立模型邊界條件為：抗滑樁底面固結(jié)，左右兩側(cè)在x方向限制位移，頂面、坡面是自由端，計(jì)算采用Mohr-Coulomb模型。從圖4可以看出，在穩(wěn)定性計(jì)算數(shù)值模型中加入抗滑樁梁單元后邊坡狀態(tài)穩(wěn)定，內(nèi)部沒有形成貫通的塑性區(qū)域。

圖4 水平方向位移及剪應(yīng)變?cè)隽吭茍D

6 結(jié)束語

本文結(jié)合何家陂水庫滑坡治理對(duì)抗滑樁的設(shè)計(jì)步驟、平面布置、錨固深度及內(nèi)力計(jì)算作了簡略的介紹，相信其對(duì)抗滑樁設(shè)計(jì)有一定的幫助。實(shí)踐中，在地質(zhì)條件允許的滑坡治理工程中，還可根據(jù)文中錨索拉力計(jì)算，恰當(dāng)選擇錨拉力，改善抗滑樁治理工程的受力特點(diǎn)，提高抗滑樁的效率，進(jìn)一步降低工程造價(jià)。