库岸边坡抗滑桩上滑坡推力研究现状综述

2010-04-03熊启东孔凡林李成芳

重庆建筑 2010年4期

熊启东，孔凡林，李成芳

（重庆市建筑科学研究院重庆 400015）

1 库水位涨落对斜坡稳定性的影响

斜坡变形破坏的发展及其相应的稳定状态取决于斜坡本身所赋存的地质环境条件。当地质环境发生变化时，斜坡变形破坏发展与稳定状态必然相应地发生变化。

水库库岸滑坡特殊性表现为它的活动与库水位的涨落关系密切。水库蓄水以后，随着库水位上升及周期性涨落，岸坡岩土体在水的作用下软化，波浪对岸坡冲刷搬运、库水位及地下水的孔隙水压力和渗透作用，导致岸坡工程地质条件发生变化，使得塌岸的可能性增大。如果库水位快速降落，坡体内的地下水位回升之后来不及同库水位同步降落，高、低水位之间的水体所产生的向坡体外的渗透压力将成为对滑坡体的稳定性极为不利的因素，往往是导致滑坡的诱因。水库引起的滑坡包括蓄水初期水位上升引起的滑坡和水位骤降引起的滑坡。琼斯 (Jones)等调查了罗斯福 (Roosevelt)湖附近地区1941～1953年发生的一些滑坡，结果发现，49%的滑坡发生在1941～1942年的蓄水初期，30%发生在水位骤降10～20m的情况下；而在日本，大约60%的水库滑坡发生在水位骤降阶段[1]。因此，由库水位涨落导致的滑坡和边坡失稳将成为库岸边坡蓄水后最常见和最严重的地质灾害。

在三峡地区，由于库区蓄水和季节性水位涨落等因素的影响，边坡的原始平衡遭到破坏，进而导致边坡失稳甚至发生滑坡灾害，这在很大程度上直接威胁到库岸人民的生命财产安全，如何及时可靠地对失稳边坡(滑坡)进行有效的加固治理和监测预报，防止滑坡地质灾害的发生，是三峡工程运营期面临的最重要的岩土工程问题之一，在一定程度上也是衡量三峡工程建设成败的一个重要标志。

2 库岸滑坡治理的主要措施

国内外防治滑坡的工程措施虽然很多，归纳起来，主要有三类[2]：一是滑面含水量的增加很容易导致滑坡的失稳，因而需要排除地表水、地下水或减轻库水对坡脚的冲刷等危害；二是改变滑坡体外形、设置抗滑建筑物，即削坡减载和设置支挡工程措施；三是改善滑动带土石性质，如焙烧法、爆破灌浆等。由于滑坡成因复杂、影响因素多，因此常常需要上述几种方法同时使用、综合治理，方能达到目的。相比之下，第三类措施的实施有一定难度，而且效果也不是很理想，因此防治滑坡主要采用前两种方式。但是对于库岸滑坡体来说，由于水位上升，必然结果是滑坡体的含水量随之增大，无法排除地下水及库水对坡脚冲刷等影响，这样，削坡减载和设置支挡工程措施就成为库岸滑坡的主要防治手段。当滑坡问题较为严重，采用排水、削坡等措施不足以完全治理时，主要采取抗滑桩整治边坡，往往具有抗滑能力强、施工安全简便、工期短速度快等突出优点，同时也可以和其它边坡治理措施灵活地配合使用。在库区地质灾害的防治中，抗滑桩具有很强的适应性，适用于滑面较深的大型滑坡，对滑坡稳定性和地质环境干扰小，成为滑坡地质灾害治理中的一种主要的方法。

3 抗滑桩上滑坡推力分布图式研究现状

长期以来，抗滑桩作为一种支挡抗滑结构物而广泛应用于滑坡及边坡的稳定性治理中。在国内外自20世纪60年代中较成功地开始使用抗滑桩以来，至今已有40余年的历史。在60～70年代末近10年的时间里，国内抗滑桩较多地应用于铁路滑坡治理中，并取得了良好的效果。早期的抗滑桩的设计主要参照桩基的设计推导演变而来，70年代末以来国内外许多研究者对抗滑桩的设计理论、方法和参数进行了广泛的研究，并结合实际工程进行了现场测试，使得抗滑桩设计理论自80年代初以来逐步完善[3]。随着对抗滑桩研究的重视，建立在理论分析、试验基础和数值模拟上的计算方法，越来越接近于其实际受力状况，使抗滑桩在地质灾害防治中得到了广泛的应用。

抗滑桩上滑坡推力的分析方法，归纳起来主要有压力法、位移法和有限元单元法[4]。位移法和有限元法可以较为准确地模拟地基和荷载条件，位移法的主要缺点是对土体自由时的位移估算不准，而有限元法是一种很有发展潜力的方法。对于工程应用而言，压力法由于其计算简便而得到广泛的应用，用压力法计算抗滑桩的最大问题就是作用于桩上的荷载如何确定。工程设计计算中一般认为作用于桩上的荷载为相邻两抗滑桩中心距之间的滑体所产生的滑坡推力，滑坡推力的计算根据边坡的极限平衡稳定性分析方法确定。

滑坡推力分布形式的研究试验资料较少，且国内外是有区别的[5]，国外多将滑坡体视为散体，用三角形分布，合力作用点为滑面以上桩长的下三分点，如日本学者认为滑坡滑动时，滑坡推力主要集中在滑动面以上1～2 m处，因而认为用三角形分布较为合适。而国内一些学者分别从滑坡体的岩土体物质(如粘土、砂土、岩石、土夹石等)、地基系数、液性指数等指标来定义推力的分布，采用的方法有滑坡现场试桩实测、抗滑桩室内模型试验、有限元应力法等。

潘家铮[2]建议如果滑体沿断面高度均匀往下变形，地基系数为常数，推力呈均匀分布；如果地基系数沿断面高度呈线性变化，则推力呈三角形分布；如地基系数在顶部呈线性变化，在底部为常数，则推力呈梯形变化。其次，当滑坡体的变位，顶部大、底部小，在上述三种地基系数情况下，荷载将分别呈倒三角形、抛物线形及两者混合形的分布。反之，当滑坡体的变形是顶部小、底部大，则荷载分布又将呈三角形、二次曲线形及其混合形式。

铁道部《抗滑桩设计与计算》中建议[3]，如果滑体的变形是均匀往下蠕动，当滑体是一种粘聚力较大的地层(如粘土、土夹石等)，其推力分布图形可近似按矩形考虑。如果滑体是一种以内摩擦角为主要抗剪特性的堆积体，其推力分布图形可近似按三角形考虑，甚至按二次曲线考虑，介于以上两者间的情况，可假定为梯形。对滑动面以上土体抗力的分布图式，一般均按三角形考虑。

而一些滑坡现场试桩的实测资料表明[6]，当滑坡体为抗剪特征以内摩擦角为主的滑体，如堆积层、破碎岩层时，滑坡推力接近于地表为零、顶点在滑动面略上的抛物线，合力作用点在滑体厚度一半位置处及其以上；当滑坡体为抗剪特征以粘聚力为主的滑体，如粘性土时，当抗滑桩处于弹性阶段时，剩余抗滑力基本上呈倒梯形分布；进入弹塑性阶段后，剩余抗滑力图形逐渐变为地表不为零的抛物线形。

徐良德等[7]对滑体为松散介质时桩前抗力的分布作了实验分析，认为当滑体为松散介质(如砂土)时，下滑力基本上为三角形；当滑体为粘性土时，下滑力接近于顶点位于滑面附近的抛物线分布。

戴自航[8]认为，滑坡推力分布及其合力作用点位置受滑坡的类型、滑动面形状、部位、地层性质、抗滑结构变形情况及地基系数等综合因素的影响，但主要与滑坡体结构和抗滑结构物的受力变形有关。对于以抗滑桩为主的柔性支挡结构，其实际受力状态是，一般情况下，由于桩头附近变位比下部大，因而受力比下部小，又由于滑体与滑动面间存在摩擦，因而滑面附近推力又有所减少；适当降低滑坡推力的合力作用点位置和提高土体抗力合力作用点位置，更符合抗滑桩实际受力状态，依此设计抗滑桩将更为经济合理，可有效地提高滑坡治理设计水平。

李海光[9]提出，滑坡推力的应力分布图形应根据滑体的性质和厚度等因素确定。对于液性指数较小、刚度较大和较密实的滑体，顶层和底层的滑动速度大致是一致的，抗滑桩上的滑坡推力的分布图形为矩形；对于液性指数较大、刚度较小和密实度不均匀的塑性滑体，其靠近滑面的滑动速度较大而滑体表层的滑动速度则较小，滑坡推力的分布图形为三角形；对于介于上述两者之间的情况可假定分布图形为梯形。

郑颖人院士[10]根据强度折减有限元计算结果，得到了抗滑桩上各点的水平应力，又通过图形显示而得到滑面以上桩后、前的水平应力分布，认为滑坡推力分布图形接近弓形分布或者叫做抛物线分布，这与现场实测结果比较一致，与传统方法的假定有一定的出入。

由此可见，国内外学者虽然对抗滑桩受力情况进行了研究，但在滑坡体推力分布特征方面，没有对库岸岩土体在水位涨落等情况下，桩身土压力分布特性进行深入研究。

4 库岸抗滑桩在水位涨落工况下的受力特性分析

在滑坡演化发展的过程中，弄清抗滑桩所受的滑坡推力演化规律是至关重要的，它将作为滑坡失稳与否的判据，为地质灾害的防治提供可靠的理论和实际依据。抗滑桩设计中最基本、最关键的问题就是抗滑桩在滑坡体的推动下，桩身与周围岩土体之间作用力的分布特征，也可以说滑动面以上滑坡体对桩身推力的分布特征，而滑坡体的组成结构影响了滑坡推力的分布规律及桩身的内力分布，将决定抗滑桩的工程造价，并对设计的安全性与合理性产生重大的影响。

岩土工程界，在滑坡推力分布图式的选择上存在较大分歧，而分布图式选择得是否合理，直接影响着滑动面以上抗滑桩桩身内力的计算准确与否。在抗滑桩设计中，滑坡推力的分布图式常用的有三角形和四边形[8]，如果视滑坡体为刚体，则推力为矩形分布，其合力作用点在全高的1/2处；如果视滑坡体为散体，则推力为三角形分布，其合力作用点接近全高的1/3。而二者造成的倾覆力矩相差很大，将影响到抗滑桩的直径大小和埋置深度。事实上，岸坡岩体既不是刚体也不是散体，而是介于两者之间的一种介质状态。三峡库区经过一期、二期和三期蓄水后，大量滑坡的加固治理工程将全部或部分浸没在水中，抗滑桩和地质体的相互作用在很大程度上还受到库区蓄水和长期库水位升降作用的影响，改变了库岸滑坡体内的水文地质条件，水位上升时造成地下水位抬高，潜在滑带面浸水范围扩大，强度降低，减小阻滑力；水位骤降时产生动水压力，增大了下滑力，从而影响库岸边坡上滑坡推力的分布特征。因此，对于库区边坡而言，在进行抗滑桩加固、设计计算方法的理论和试验研究中，需要考虑库区蓄水和水位循环涨落这一重要因素对库岸边坡抗滑桩上滑坡推力的影响，而在动水压力作用下，抗滑桩滑坡推力实际分布图式这一研究方面，是直接采用通用的三角形或梯形分布图形，与实际受力状态存在差别，势必造成潜在的浪费或存在不稳定因素[11]，因此，对库岸边坡抗滑桩上滑坡推力分布特征进行深入研究具有重要意义。

计算库水位作用下的滑坡推力，必然涉及到浸润线的确定。目前，浸润线的确定方法还没有统一的方法，工程上常用的有两种方法:第一种方法为，用水位下降前后的一条直线作为浸润线；第二种方法为，将滑体下三分之一线作为浸润线，这些方法均缺乏理论依据，郑颖人等[12]根据包辛涅斯克(Boussinesq)非稳定渗流微分方程，通过拉普拉斯正变换和逆变换，得到了库水位下降时坡体内浸润线的简化计算公式，为工程应用提供了一种科学的计算手段。