梅花形布置雙排抗滑樁在滑坡處治中的應用

王紹平

(福建省地質測繪院 福州 350004)

矩形截面抗滑樁慣性矩大、抗彎能力強,因此成為抗滑樁最為常用的截面形式,然而,隨著人工挖孔樁施工工藝逐漸受到限制,矩形截面抗滑樁的使用范圍逐漸減小,采用機械化施工的雙排圓形抗滑樁的應用逐漸增加[1]。國內外對雙排抗滑樁的研究及應用多集中在平行布置,對梅花形布置研究較少。崔偉帥[2]采用模型試驗和數值模擬的方法對梅花形布設有連梁雙排抗滑樁受力特性進行試驗研究,研究表明,梅花形布設能夠更好地發揮樁-土之間的聯動性,進而能承受更大的滑坡推力。趙曉坷等[3]采用數值模擬的方法對梅花形布設雙排抗滑樁的土拱效應進行研究,發現存在合理樁位使相鄰前后排抗滑樁之間形成直接土拱,進而能夠充分發揮抗滑樁的阻滑性能。

以上研究成果對了解梅花形布置抗滑樁的受力機理和抗滑作用起到了很好的作用,但是以理論和試驗為主,對工程應用的研究較少。本文依托某滑坡的治理設計,從滑坡推力的計算及簡化開始,為梅花形布置抗滑樁的工程應用提供了一種計算方法,與此同時,通過與以往較為常用的平行布置門架式抗滑樁進行對比,得出采用本文介紹的簡化計算方法下的不同布置方式對樁身位移及內力的影響,以期能夠為雙排抗滑樁的應用提供借鑒和參考作用。

1 工程概況

1.1 變形破壞特征

福建省某位于閩江岸坡沖積階地的縣道下邊坡發生大中型滑坡,該段處于感潮段的閩江凹岸。東西走向的縣道位于滑坡后緣,公路邊溝5～6 m處為鐵路路基?；潞缶夐L約50 m,下錯坎高約7～8 m。主滑段最長約63 m,滑坡體上可見多處貫通的拉張裂縫,裂縫寬1～2 cm、長3～8 m,局部下錯1～2 cm。

1.2 工程地質及推測滑動面

根據鉆孔及工程地質調繪成果,上覆第四系人工填土(Qme)和坡積層(Qdl)。下伏花崗巖風化層。地層參數采用試驗值,其中花崗巖風化層采用經驗值,地層參數見表1。

表1 地層參數

通過現場調查,該滑坡有明顯的后緣、前緣剪出口等特征,通過以滑坡后緣下錯坎和剪出口為滑坡體的控制點[4],綜合考慮鉆孔揭示的地層情況,推測出位于上覆土層的滑動面,推測滑動面見圖1。

圖1 典型地質和推測滑動面

1.3 滑坡成因分析

根據鉆探和滑坡區內變形破壞特征,經分析滑坡成因主要有以下幾點。

1) 滑坡場地為閩江凹岸,屬沖刷岸,該處水流湍急、存在水下漩渦,加上該處為感潮段,江水升降頻繁,對岸坡及河床產生長期的潛蝕、沖刷作用,形成的臨空面使斜坡失去支撐,是引發滑坡的因素之一。

2) 閩江水位受上游降雨的影響,更受上游水口水電站泄洪流量的影響,使得閩江水位升降頻繁,甚至淹沒至斜坡后緣,據閩江竹岐水文站觀察資料,歷史水位最大高差達到12 m。當水位快速下降時,坡體產生向閩江的滲透水壓力。由于上覆土層受河水長期浸泡,導致抗剪強度降低,增加土體重度的同時增大了下滑力,加劇斜坡失穩[5]。

3) 滑坡體前緣為閩江,由于閩江水流的沖刷、潮差影響等各種原因,閩江水動力條件改變,導致河床下切,根據勘測,近3年該處河床下切1～2 m,局部達到3 m。坡腳常年受閩江水流的沖刷、侵蝕掏空,加劇了江水對岸坡的沖刷掏蝕作用,形成岸邊掏空,加劇邊坡失穩。

根據現場調查及地質勘察資料,該滑坡類型屬淺層牽引式土質滑坡。其滑動面在上覆土層呈圓弧形,坡體總體處于欠穩定狀態。

2 滑坡防治工程設計安全等級

該滑坡體積4萬m3～30萬m3,根據JTG/T 3334-2018 《公路滑坡防治設計規范》[6]第3.1.5條規定,該滑坡可判定為中型滑坡,滑坡上方存在鐵路,根據第3.2.2條規定,滑坡危害程度分級為嚴重。

公路等級為三級,根據第3.2.3條規定,該滑坡防治安全等級判定為II級。根據第5.2.3條規定,該滑坡防治工程設計穩定安全系數在正常工況下取1.15～1.20,非正常工況下取1.10～1.15。

3 下滑力計算

該滑坡為牽引式滑坡,考慮目前河床下切作用仍可能發生,樁前滑坡體可能滑動,因此不考慮樁前滑體抗力[7-8],地層參數見表1,根據簡化后的模型和計算參數采用geoslope內置的bishop法計算,滑坡推力為860 kN/m,滑坡推力計算結果見圖2。

圖2 滑坡推力計算結果

4 數值分析

4.1 有限元模型建立

本文計算所得滑坡推力為860 kN/m,擬采用梅花形布置雙排抗滑樁加固,為了研究梅花形布置的受力特點,選取運用較廣泛的門架式布置抗滑樁進行對比,樁徑1.6 m,樁長18 m(其中懸臂段8 m),縱、橫向間距均為5 m,冠梁截面尺寸為2 m×2 m。

在工程應用中,通常將滑坡推力簡化為滑動面以上的荷載計算樁身的內力及變形。本文選取midas GTS軟件進行簡化計算,有限元模型圖見圖3,不考慮樁前滑體的有利作用,樁后滑體的作用簡化為作用在后排樁的荷載,模型由滑床、抗滑樁、冠梁組成,模型長、寬、高分別為50,50,20 m?？够瑯都肮诹翰捎?D梁單元,其余均為3D單元,地層參數見表2。門架式抗滑樁取1個單元,梅花形抗滑樁取2個單元。

圖3 有限元模型布置圖

表2 計算參數表

荷載僅作用在后排樁,由于滑體為黏性土,采用矩形分布,后排樁分布力:N=860×5/8=537.5 kN。

4.2 位移分析

梅花形和門架式布置的抗滑樁后排樁的位移對比見圖4。由圖4可見,梅花形與門架式布置雙排抗滑樁的樁身位移分布形式相近,由于剩余下滑力簡化為作用在懸臂段的均布荷載,懸臂段位移快速地增長。嵌固段荷載可簡化為地面處的荷載,因此隨著深度的增加,樁身位移較為均勻地減小,直至嵌巖段樁身位移基本接近0。通過對比,梅花形布置樁頂約束較門架樁更強,樁頂位移減小約5.43%。

圖4 后排樁的位移對比

梅花形和門架式布置的抗滑樁前排樁的位移對比見圖5。如圖5所示,前排樁通過連系梁與后排樁相連,前后排樁樁頂變形協調,樁頂位移與前排樁基本一致。由于后排樁主要荷載為前排樁通過連系梁傳遞至前排樁的樁頂,因此,排樁樁身位移分布從樁頂向下較為均勻的減小,直至中風化巖頂面附近減小至接近于0,且嵌固段范圍內的位移基本不變。但是,由于梅花形布置受前排樁的冠梁影響,前排樁整體抗變形能力更強,樁頂位移較門架式布置減小約4.87%。

圖5 前排樁的位移對比

4.3 彎矩分析

梅花形和門架式布置的抗滑樁后排樁的彎矩對比見圖6。如圖所示,梅花形與門架式布置雙排抗滑樁的樁身彎矩分布形式相近,懸臂段彎矩從樁頂至下先減小后增大,嵌固段彎矩先增大后減小,彎矩反彎點基本位于滑動面附近。由于懸臂段直接承受下滑力且受到連系梁的約束,懸臂段最大彎矩位于樁頂下3 m,最大值約-6 916.16 kN·m,梅花形布置樁頂約束較門架式更強,樁身彎矩減小約5.49%。

梅花形和門架式布置的抗滑樁前排樁的彎矩對比見圖7。由圖7可見,受力模式均類似于水平受荷樁,但由于梅花形布置樁頂約束較門架樁更強,梅花形布置較門架式的樁頂彎矩小,樁身彎矩減小約19.37%。樁身以下彎矩分布形式及彎矩值基本接近,但梅花形布置的樁身彎矩減小約13.35%。

圖6 后排樁的彎矩對比

圖7 前排樁的彎矩對比

4.4 軸力分析

梅花形和門架式布置的抗滑樁后排樁的軸力對比見圖8。

由圖8可見,梅花形與門架式布置雙排抗滑樁的樁身軸力分布形式相近,后排樁軸力呈現為拉力,樁身軸力均在中風化層以上和以下均勻減小,中風化層附近出現突變,梅花形布置樁身軸力減小約1.11%。

圖8 后排樁的軸力對比

梅花形和門架式布置的抗滑樁前排樁的軸力對比見圖9。如圖9所示,后排樁軸力呈現為壓力,分布特點與后排樁基本一致。但梅花形布置較門架式的樁身軸力更大,樁身軸力增加約11.17%。

圖9 前排樁的軸力對比

5 治理方案

根據場地工程地質條件及周邊環境,參照以上計算結果,采用“梅花形布置雙排抗滑樁+錨索+冠梁+坡面及坡體排水+坡腳拋石”治理措施,滑坡治理典型斷面圖見圖10。

圖10 滑坡治理典型斷面圖

如圖10所示,主滑段采用雙排抗滑樁,梅花形布置,排間距為5 m,縱向間距為5 m,樁徑1.6 m,前排樁樁頂布置冠梁,后排樁與前排樁冠梁采用連系梁連接。后排抗滑樁(靠路基一側)采用錨索進行錨拉,前排抗滑樁(臨河一側)則預留錨索孔位置。

滑坡后緣路基采用石渣進行回填,路基邊坡坡面采用M7.5漿砌片石護坡,坡體采用碎石盲溝排水。為了排除鐵路邊坡體內地下水,在抗滑樁冠梁頂上1 m處設置單排仰斜排水平孔。

對前緣邊坡坡腳進行拋石,拋石頂面高程控制在低水位以上0.5 m,同時在拋石上面填石以對該段滑坡體進行反壓,在拋石頂上分兩階進行填石,每階高度為2 m。

6 結語

本文依托工程實例,采用數值模擬法對梅花形布置和門架式布置抗滑樁進行簡化計算,得到以下結論。

1) 梅花形布置和門架式布置抗滑樁的樁身位移、內力分布形式相近,彎矩反彎點、最大彎矩位置均較為接近。

2) 梅花形布置和門架式布置的后排樁均受拉,前排樁均受壓。梅花形布置的前排樁樁頂位移減小約4.87%,后排樁樁頂位移減小約5.43%;后排樁樁身彎矩減小約5.49%,前排樁樁身彎矩減小約19.37%;梅花形布置前排樁樁身軸力減小約1.11%,后排樁樁身軸力增加約11.17%。

3) 本文為梅花形布置抗滑樁提供了一種簡化計算方法,通過理論計算和工程應用,取得了較好效果,可為大中型滑坡的治理提供借鑒。