抗滑樁加固邊坡影響因素分析

韓雷

(廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司，廣東 廣州 510080)

抗滑樁具有抗滑效果好、樁位設(shè)置靈活、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)，在滑坡防治中應(yīng)用廣泛。高波等通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，研究了不同自由段長(zhǎng)度抗滑樁在順層巖質(zhì)滑坡下滑推力作用下的受力和變形特性；馬顯春等通過(guò)物理模型試驗(yàn)，研究了不同錨固深度抗滑樁錨固段的受力狀態(tài)和樁前滑床破壞特征；單恒年等通過(guò)數(shù)值模擬，提出了考慮抗滑樁樁身內(nèi)力、整體穩(wěn)定系數(shù)及工程費(fèi)用的最優(yōu)抗滑樁布置方案；黃俊等將一階可靠度與響應(yīng)面法相結(jié)合，計(jì)算了邊坡的失效概率；何文野等采用強(qiáng)度折減法，分析了不同抗滑樁長(zhǎng)度、間距和截面尺寸等參數(shù)對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響；趙軍等結(jié)合南京某滑坡治理工程，探討多排抗滑樁在大型滑坡治理工程中的應(yīng)用，認(rèn)為對(duì)于滑面較長(zhǎng)、下滑力較大的滑坡，采取多排抗滑樁加固能有效減少抗滑樁所受滑坡推力。上述研究主要通過(guò)理論和試驗(yàn)分析抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)和設(shè)樁形式等對(duì)邊坡整體穩(wěn)定性的影響，而對(duì)抗滑樁越頂、繞底失效研究較少。本文以廣東省云浮市某邊坡防護(hù)工程為原型開(kāi)展抗滑樁加固前后邊坡穩(wěn)定性研究，分析抗滑樁長(zhǎng)度、樁間距及截面尺寸等參數(shù)對(duì)邊坡安全系數(shù)的影響，進(jìn)而對(duì)抗滑樁越頂、繞底失效情況進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，為采用抗滑樁加固邊坡提供參考。

1 工程概況

廣東省云浮市處于亞熱帶季風(fēng)氣候區(qū)，暴雨、洪澇及強(qiáng)對(duì)流天氣頻發(fā)，特殊的地理環(huán)境和極端的天氣極易導(dǎo)致邊坡滑塌等地質(zhì)災(zāi)害。某邊坡所在場(chǎng)地為丘陵地貌，地勢(shì)起伏較大，地形為月弧形，坡度為30°～50°，坡頂為特殊教育學(xué)校。根據(jù)GB 50330—2013《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》，該永久性邊坡工程的安全等級(jí)為一級(jí)。根據(jù)勘查資料，場(chǎng)地抗震基本設(shè)防烈度為6度，無(wú)需進(jìn)行地震工況下邊坡穩(wěn)定性校核，可不考慮斷裂構(gòu)造對(duì)場(chǎng)地穩(wěn)定性的影響。場(chǎng)地內(nèi)主要覆蓋4種地層，分別為人工填土層、沖洪積層、殘積層和泥盤(pán)系基巖層。基坑開(kāi)挖深度范圍內(nèi)各土層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 巖土層分布及材料參數(shù)

2 邊坡穩(wěn)定性分析

常用邊坡穩(wěn)定性定量分析方法有極限平衡法和數(shù)值分析法兩類(lèi)。不平衡推力法作為極限平衡法的一種，它假定邊坡處于極限平衡狀態(tài)時(shí)存在滑移面，并沿滑移面將邊坡劃分成若干條塊，只考慮各條塊的靜力平衡，不考慮其力矩平衡，建立條塊之間的極限平衡方程，通過(guò)迭代求解方程得到邊坡的安全系數(shù)。該邊坡存在多個(gè)滑面，采用不平衡推力法進(jìn)行計(jì)算，安全系數(shù)小于1.35，且最小僅為0.98(見(jiàn)圖1)，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，需進(jìn)行支擋設(shè)計(jì)。

圖1 邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)

3 抗滑樁加固邊坡影響因素分析

3.1 抗滑樁加固原理

抗滑樁對(duì)于淺層和深層滑坡均有較好的加固效果，其加固原理主要是抗滑樁穿過(guò)坡體滑動(dòng)面處于穩(wěn)定持力層中，利用穩(wěn)定地層的錨固作用平衡滑坡體推力，增強(qiáng)坡體的穩(wěn)定性。處于滑動(dòng)面以上的抗滑樁主要受樁后滑坡推力和樁前滑體抗力(見(jiàn)圖2)，而滑坡推力和滑坡抗力之差產(chǎn)生的剩余下滑力則作用在抗滑樁樁體，并沿樁身傳遞至穩(wěn)定地層中，通過(guò)抗滑樁抵消剩余下滑力，進(jìn)而提高不穩(wěn)定滑面的安全系數(shù)(見(jiàn)圖3、圖4)。

圖2 抗滑樁受力示意圖

圖3 抗滑樁支護(hù)邊坡剖面圖

圖4 抗滑樁支護(hù)邊坡立面圖

該邊坡的安全系數(shù)<1.35，處于不穩(wěn)定狀態(tài)，設(shè)計(jì)采用矩形抗滑樁進(jìn)行支護(hù)，提高邊坡的安全系數(shù)。為得到抗滑樁支護(hù)邊坡最優(yōu)方案，采用單因素分析法，以抗滑樁長(zhǎng)度、樁間距及截面尺寸作為研究參數(shù)，通過(guò)計(jì)算獲得抗滑樁不同設(shè)計(jì)參數(shù)與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系。

3.2 抗滑樁長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

根據(jù)抗滑樁加固原理，抗滑樁必須穿過(guò)滑面一定深度，保證嵌固段穩(wěn)定地層能提供足夠的錨固力。樁長(zhǎng)決定抗滑樁的嵌固深度，影響邊坡的加固效果。為分析抗滑樁長(zhǎng)度對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，在確定抗滑樁設(shè)置位置后，在抗滑樁間距d=4 m、截面尺寸2 m×2 m不變的情況下，分別設(shè)置樁長(zhǎng)為6.0 m、7.0 m、7.5 m、8.0 m、8.5 m、9.0 m、10.0 m，計(jì)算在不同樁長(zhǎng)抗滑樁支護(hù)下邊坡的安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖5。

圖5 抗滑樁長(zhǎng)度與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

由圖5可知：隨著抗滑樁長(zhǎng)度的增大，邊坡安全系數(shù)呈非線性增大，邊坡安全系數(shù)Fs大于穩(wěn)定安全系數(shù)Fst=1.35后，隨樁長(zhǎng)增加邊坡安全系數(shù)增大速率減緩。抗滑樁長(zhǎng)度L=6 m時(shí)，F(xiàn)s=0.99<1.35，邊坡處于不穩(wěn)定狀態(tài)，原因是抗滑樁長(zhǎng)度未超出邊坡的潛在滑裂面，不能提供滑坡抗力；L=8.5 m時(shí)，F(xiàn)s=1.39>1.35，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，原因是抗滑樁嵌固長(zhǎng)度增大，能提供阻滑抗力，使邊坡安全系數(shù)逐漸增大且滿足規(guī)范要求。增大抗滑樁長(zhǎng)度能有效提高邊坡的穩(wěn)定性，但抗滑樁嵌固長(zhǎng)度超過(guò)有效錨固長(zhǎng)度時(shí)，繼續(xù)增大樁長(zhǎng)對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高不明顯。

3.3 樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

合理的抗滑樁間距決定樁間土拱效應(yīng)的發(fā)揮，有利于提高邊坡穩(wěn)定性。為分析樁間距對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，保持抗滑樁設(shè)置位置和截面尺寸2 m×2 m不變，分別設(shè)置樁間距為4 m、5 m、6 m、7 m、8 m、9 m、10 m，計(jì)算抗滑樁不同樁間距下邊坡安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖6。

圖6 抗滑樁間距與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

由圖6可知：隨著抗滑樁間距的增大，邊坡安全系數(shù)呈非線性減小。抗滑樁間距d=4 m時(shí)，F(xiàn)s=1.38>1.35，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)，這是由于抗滑樁間距較小，有利于形成樁后土拱，土拱強(qiáng)度將承擔(dān)一部分滑坡推力，限制樁間土體位移，使其不會(huì)沿樁間滑出；d=8 m時(shí)，F(xiàn)s=1.21<1.35，不滿足規(guī)范要求，其原因是隨樁間距增大，樁間土體自身強(qiáng)度無(wú)法承擔(dān)由上部坡體傳遞的滑坡推力，在推力作用下樁間土體將沿兩抗滑樁間滑出或產(chǎn)生繞樁滑動(dòng)，導(dǎo)致樁間土拱失效，進(jìn)而使抗滑樁不能發(fā)揮支擋作用，降低邊坡安全系數(shù)。可見(jiàn)，樁間距和樁間土體強(qiáng)度對(duì)土拱效應(yīng)的發(fā)揮影響較大，應(yīng)結(jié)合土性和邊坡情況設(shè)置合理的樁間距，以更好地發(fā)揮土拱效應(yīng)，提高邊坡安全系數(shù)。

3.4 截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

工程中常采用矩形截面的抗滑樁支護(hù)邊坡，而抗滑樁的截面尺寸會(huì)影響樁的抗滑能力。為分析截面尺寸對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響，保持抗滑樁設(shè)置位置、樁長(zhǎng)和截面寬度lx=2 m不變，分別設(shè)置截面長(zhǎng)度ly=2.2 m、2.4 m、2.6 m、2.8 m、3.0 m、3.2 m、3.4 m，計(jì)算抗滑樁不同截面尺寸下邊坡安全系數(shù)，結(jié)果見(jiàn)圖7。

圖7 抗滑樁截面長(zhǎng)度ly與邊坡安全系數(shù)的關(guān)系

由圖7可知：隨著抗滑樁截面長(zhǎng)度ly的增大，邊坡安全系數(shù)呈非線性增加，但增加幅度較小。ly由2.4 m增大至3.4 m時(shí)，F(xiàn)s從1.31增加至1.38，截面尺寸增加能有效提高邊坡安全系數(shù)，但增大速率較小。增加抗滑樁截面尺寸有利于邊坡穩(wěn)定，但其對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高存在限值，不能盲目通過(guò)增大樁身尺寸來(lái)增強(qiáng)邊坡的穩(wěn)定性。

3.5 抗滑樁越頂或繞底破壞對(duì)邊坡穩(wěn)定性的影響

由于滑坡體主滑面或次級(jí)滑面以上的抗滑樁高度較低，滑坡樁頂以上坡體極易產(chǎn)生次級(jí)滑面，導(dǎo)致抗滑樁出現(xiàn)越頂破壞(見(jiàn)圖8)。若抗滑樁長(zhǎng)度較小導(dǎo)致嵌巖深度不夠，滑動(dòng)面繞過(guò)抗滑樁底部發(fā)生破壞，此即繞底破壞。

圖8 滑坡越頂破壞示意圖

根據(jù)上述分析，樁長(zhǎng)超過(guò)8.5 m時(shí)，邊坡安全系數(shù)大于1.35，故選取樁長(zhǎng)9 m、樁間距5 m及截面尺寸2 m×3 m進(jìn)行抗滑樁越頂或繞底破壞分析，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖9、圖10。

由圖9和圖10可知：抗滑樁長(zhǎng)度為9 m、樁間距為5 m、截面尺寸為2 m×3 m時(shí)，滑動(dòng)面經(jīng)過(guò)抗滑樁時(shí)，邊坡安全系數(shù)大于1.35，滿足規(guī)范要求，抗滑樁不會(huì)發(fā)生繞底破壞；抗滑樁樁頂滑坡安全系數(shù)為1.08～1.20，不滿足規(guī)范要求，可能發(fā)生越頂破壞，需進(jìn)行抗滑樁越頂破壞驗(yàn)算。

圖9 滑坡繞底破壞穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

圖10 滑坡越頂破壞穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

設(shè)置抗滑樁后，滑坡體應(yīng)力產(chǎn)生重分布，抗滑樁加固部分穩(wěn)定性得到提高，而樁頂坡體未得到增強(qiáng)，可能產(chǎn)生新的次級(jí)滑動(dòng)面，次級(jí)滑動(dòng)面的穩(wěn)定性大小決定滑坡是否會(huì)發(fā)生越頂破壞。抗滑樁設(shè)置位置對(duì)越頂破壞影響較大。將抗滑樁設(shè)置于阻滑段的后半部時(shí)，邊坡安全系數(shù)見(jiàn)圖11。

圖11 調(diào)整設(shè)樁位置后邊坡穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果

由圖11可知：設(shè)樁位置為阻滑段的后半部時(shí)，樁頂滑坡安全系數(shù)為1.35～2.0，采用不平衡推力法計(jì)算的安全系數(shù)為1.51，滿足規(guī)范要求，邊坡穩(wěn)定。可見(jiàn)，合理的設(shè)樁位置可有效降低抗滑樁發(fā)生越頂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。

4 結(jié)論

(1)邊坡安全系數(shù)隨抗滑樁長(zhǎng)度和截面尺寸的增大呈非線性關(guān)系增大，隨抗滑樁間距的增大呈非線性關(guān)系減小。

(2)在樁長(zhǎng)和截面尺寸的有效加固范圍內(nèi)，增大樁長(zhǎng)和截面尺寸能提高邊坡安全系數(shù)。但超過(guò)其有效加固范圍時(shí)，繼續(xù)增大樁長(zhǎng)和截面尺寸對(duì)邊坡安全系數(shù)的提高不明顯。

(3)設(shè)樁位置對(duì)邊坡的越頂破壞有較大影響，將抗滑樁設(shè)置于阻滑段的后半部，可有效降低抗滑樁發(fā)生越頂破壞的風(fēng)險(xiǎn)。