雙滑面滑坡雙排抗滑樁設計

2018-07-03 06:59:56李士超

鐵道勘察 2018年3期

李士超

(中國鐵路設計集團有限公司，天津 300251)

抗滑樁作為重要的支擋措施，在滑坡治理中應用廣泛。對于大型滑坡，因其下滑推力極大，許多工程采用雙排抗滑樁，一些學者對此進行了一系列研究。熊志文、吳紅剛等分別進行了雙排樁的室內模型試驗，分析雙排樁的滑坡推力分配特點[1-2]。呂美君、祈斌、申永江、梅敏、張程峰等研究了雙排樁的推力分配，以及樁排距對前后排樁推力分配的影響[3-7]。孫勇等利用鋼架法計算頂部設連梁的雙排抗滑樁，通過實例得出雙排樁較單排樁節省費用的結論[8-9]。唐芬等研究了不同排距雙排樁承擔滑坡推力的特征，指出當前后兩排樁達到一定距離后，雙排樁完全獨立工作，兩排樁均可達到最佳抗滑效果[10]。以下所討論的雙排樁即為排距足夠大且各自獨立工作的兩排抗滑樁。埋入式抗滑樁可有效降低滑面以上懸臂高度，進而減小樁長，降低投資，在滑坡治理中得到廣泛應用。當滑坡有兩個滑面時，樁頂高程受上層滑面的控制，懸臂高度難以有效降低，但通過設置多排抗滑樁，可對滑體分段進行支擋加固，當上排抗滑樁對上層滑體已進行有效加固時，下排抗滑樁可不受上層滑面控制，從而可以降低懸臂高度，減小樁長。以某雙層滑面滑坡的治理方案設計過程為例，探討雙排抗滑樁的特點及設計方法。

1 工程概況

某滑坡為牽引式滑坡，雨季發生滑動，滑坡區域面積約為33 800 m2，滑坡體厚7～18 m，分布有上下兩層滑面，上層滑面(ABC)為土石界面，下層滑面(DBC)位于巖層內，上下滑面之間最大距離近10 m，地震動峰值加速度為0.10g(地震基本烈度Ⅶ度)。因臨近村莊，不具備清方卸載條件(見圖1、圖2)。

圖1 滑坡平面

圖2 滑坡剖面

2 抗滑樁設計

2.1 滑坡推力計算方法

我國鐵路與工民建行業常采用傳遞系數法，該方法對于傾角較緩、相互間變化不大的折線段組成的滑面較為適用。該方法有如下假定[2]：

①滑坡體不可壓縮，不考慮條塊間的擠壓變形。

②條塊之間只傳遞推力，不傳遞拉力。

③條塊間的剩余下滑力平行于前一塊的滑面方向且作用在分界面中點。

④取單位長度寬的巖土體作為計算的基本斷面，不考慮兩側的摩擦力。

實際計算中，應考慮一定的安全儲備(選用合理的安全系數)，計算式為

Ei=KsWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

式中Ei——第i滑塊剩余下滑力/(kN/m)；

Ei-1——第i-1滑塊剩余下滑力/(kN/m)

Wi——第i滑塊重力/(kN/m)；

Ri——第i滑塊滑床反力/(kN/m)；

ψi——i-1滑塊對i滑塊的剩余下滑力傳遞系數，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；

φi——第i滑塊滑面上巖土體的內摩擦角/(°)；

ci——第i滑塊滑面上巖土體的黏聚力/kPa；

li——第i滑塊滑動面長度/m；

αi——第i滑塊滑面的傾角/(°)；

αi-1——第i-1滑塊滑面的傾角/(°)；

在計算過程中，當滑面有逆坡段時，其傾角為負值，Wisinαi也為負值(實際為抗滑力)，此時不應再乘安全系數。

計算時，應從上往下逐塊進行，剩余下滑力可用以判斷滑坡體的穩定性。如最后一塊的En>0，說明滑坡體在要求的安全系數下不穩定，反之則穩定。如果某一滑塊的Ei為負值或零，則說明本塊以上巖土體穩定，下一條塊計算時無需考慮上一滑塊的推力。

當安全系數Ks一定的條件下，給定c值，令En=0，則可通過試算法求出φ值，反之，給定φ值亦可反算出c值。

本文案例的滑坡傾角較緩，可采用折線滑面傳遞系數法進行計算。

2.2 滑面參數反算

滑面土體力學參數采用反算法確定，滑坡發生條件下穩定安全系數為0.95，根據折線形滑面邊坡傳遞系數法，給定c=5 kPa，反算φ值。

由剖面可知，上下兩層滑面在后部(BC段)重合，需首先反算上層滑面(滑面ABC)的φ值。再將反算出的φ值賦予滑面BC段，反算下層滑面DBC中DB段的φ值。

經計算，上層滑面c=5 kPa，φ=8.2°，下層滑面c=5 kPa，φ=9.73°。

根據地質報告，土石分界線粉質黏土飽和殘余剪切強度為：黏聚力c=7 kPa，內摩擦角φ=21.9°。

巖石滑界黑色軟泥巖飽和殘余剪切強度為：黏聚力c=11 kPa，內摩擦角φ=10.6°。

與上述反算值對照后，取反算值計算剩余下滑力。

2.3 剩余下滑力計算

結合抗滑樁布置位置對滑體進行條塊劃分，以便求出樁背處剩余下滑力。

本次下滑力計算，一般工況條件下安全系數為1.2，地震工況條件下安全系數為1.15，取不利的大值進行抗滑樁檢算。

圖3 下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖4 上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

如圖3、圖4所示，剩余下滑力逐漸增大的段落為下滑段，剩余下滑力逐漸減小的段落為阻滑段，對滑坡進行加固時，抗滑樁應設置于阻滑段，按單排抗滑樁和雙排抗滑樁兩個方案分別進行設計。

(1)單排抗滑樁方案

如圖3、圖4所示，對于下層滑面，滑塊16～18剩余下滑力逐漸減小，為阻滑段，樁應設置于滑塊15之下，剩余下滑力為4 557.53 kN。由于需要同時抵抗上層滑面、下層滑面剩余下滑力的作用，上層滑面以上需保證足夠的樁長。

(2)雙排抗滑樁方案

楊波、鄭穎人等提出應使兩排樁受力較為接近的優化準則[3]，雙排抗滑樁方案可以此作為優化目標。對于下層滑面，由圖3可知，滑塊7剩余下滑力約為滑塊15剩余下滑力的一半。初步選定滑塊7與滑塊8之間為上排樁位置。

對于上層滑面(如圖5所示)，滑塊1～7為下滑段，滑塊8～17為阻滑段。采用上排樁對滑坡中后部進行加固后，滑塊8及其以下部分能夠實現自穩。

為驗證這一點，將滑塊1～7對應滑面φ值賦予一個足夠大的值，使滑塊1～7剩余下滑力均為負值，等效于滑塊1～7已被完全控制，不會發生滑動。計算上排樁以下各滑塊剩余下滑力。

圖5 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

上層滑面計算結果如圖6所示，滑塊15、滑塊16、滑塊17剩余下滑力均為負值，表明上排樁實施后，滑塊8～滑塊17整體穩定。

圖6 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對于下層滑面，將下排樁布置于滑塊15與滑塊16之間，由于上排樁已對滑塊1～滑塊7進行擋護加固，下排樁僅需抵抗滑塊8～滑塊15產生的剩余下滑力。將滑塊1～滑塊7對應滑面φ值賦予一個足夠大的值，使滑塊1～滑塊7剩余下滑力均為負值。計算滑塊8～滑塊18的剩余下滑力，計算結果如圖7所示。

圖7 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖8 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對照圖7、圖8可知，在上排樁施工后，滑塊8～滑塊18剩余下滑力明顯減小。其中，滑塊15剩余下滑力由4 557.53 kN減小為2 262.94 kN，降幅達50%，可見上排樁可有效減小下排樁樁背所受剩余下滑力。

上排樁、下排樁所受剩余下滑力分別為2 380.09 kN和2 262.94 kN，二者較為接近，較均衡地抵抗了剩余下滑力的作用。

2.4 抗滑樁檢算

在2.2中已經確定了抗滑樁樁位，另外一個影響抗滑樁彎矩大小的因素為滑面以上的懸臂高度。

(1)擬定樁頂高程，進行越頂檢算。檢算時可采用兩種方法：①對于土質地層內的剪出破壞，采用圓弧滑動法，給定圓弧出入口范圍，通過搜索最危險滑動面進而求出安全系數，若安全系數大于目標值(一般工況下不小于1.25，地震條件下不小于1.15)，則不存在越頂破壞。②假定剪出口位置及部分滑面，采用此前反算的滑面參數計算剩余下滑力，若最下側滑塊剩余下滑力大于零，則存在越頂破壞的情況，反之則安全。在確保不出現越頂破壞的前提下，應盡量加大樁頂埋深。

(2)擬定樁長、樁徑、樁間距。檢算樁身受力情況需滿足以下條件：①樁身作用于圍巖的側向壓應力不大于地基的橫向容許承載力。②樁截面在滿足規范規定配筋構造要求的前提下，可提供足夠的正截面承載力及斜截面承載力。③當滑坡范圍有民宅等建筑物時，還應將樁頂位移限定在一定范圍內。

(3)在滿足以上條件的前提下，分析下層滑面以下是否會產生新的深層滑動：①對于土質地層滑坡，可采用圓弧滑動法搜索最危險圓弧，從而判斷是否存在深層滑動的可能性。②對于本文案例中的巖層滑面滑坡，下層滑面以下以泥巖為主，不存在軟弱面、破碎帶等發生深層滑動的基礎條件，且工程措施除設置抗滑樁外，還采用二八灰土對滑坡裂縫進行夯填封堵，對滑坡區域進行整順夯實，通過后緣截水溝及滑坡中部的截水溝，將匯水引排至滑坡范圍外，減少了表水下滲，消除了滲水軟化地層這一滑坡產生的重要誘因，從而可以避免深部滑動情況的發生。

單排樁、雙排樁方案設計參數如表1。