某滑坡支护方案的比选及优化

秦凤艳,戈海玉

(皖西学院建筑与土木工程学院,安徽 六安 237012)

山体由于受到重力、地震力、人类工程活动的影响易产生变形,严重时会形成滑坡。近年来我国地质灾害频发,其中滑坡时有发生,其带来的危害尤为严重,不仅表现在对生命财产的直接毁坏,而且滑坡易导致道路堵塞瘫痪,会增加救援的难度或延误救援时间,因此对滑坡的治理及支护结构的研究极为重要。在边坡支护结构设计中,目前常用的支护结构有抗滑桩、预应力锚索、预应力锚索框架梁、挡土墙等。

徐青等[1-4]介绍了预应力锚索在边坡支护中的应用,并对相应的施工技术及优化设计思路进行了研究,主要考虑了锚索的锚固角及锚固长度。赵涛等[5-7]分析了地震作用力对边坡的影响,针对锚索的长度及间距进行了优化设计。邵广彪等[8-9]介绍了抗滑桩在边坡支护中的应用,对抗滑桩的受力特点及变形规律进行了分析。何忠明等[10]运用模糊数学理论对边坡支护设计方案进行了优选。已有研究成果对滑坡的治理提供了重要的参考依据,但在复合支护中不同结构体系的相互影响仍值得探讨,如抗滑桩与预应力锚索结合支护滑坡时,抗滑桩与锚索的间距问题等;另外,不同的工程地质条件往往产生不同的结果,因此在滑坡治理中应根据具体情况具体分析。

本文针对某实际滑坡治理工程,对其支护方案进行比选,并通过分析抗滑桩与预应力锚索框架梁这两种支护结构的相互影响,对支护体系进行优化设计。

1 工程概况

1.1 地质条件

某边坡由于连日降雨,已经产生滑动,滑坡后缘张裂缝清晰可见,宽度为10～40 cm,如图1所示。滑体位于山体斜坡地中下部,平均厚度12.5 m,滑动面如图2所示。滑坡所处地形坡度20°～40°,滑坡高度约为60.5 m。该滑坡地层总体走向为NW,倾向为NE50°～60°。滑坡主要为上部松散堆积体产生滑动,边坡原有的挡土墙支护结构已不能满足工程需要,而且在滑坡下方有厂房和居民区,所以该滑坡必须重新支护。

图1 滑坡后缘张裂缝

图2 滑坡剖面示意图

根据钻探和现场地质调查,滑坡体地层由耕植土、黏土夹碎块石组成,下伏基岩为灰岩夹泥质灰岩,自上而下依次为:①耕植土,褐黄色,由黏土夹碎石组成,厚度一般为0.5 m,分布在自然坡面表层,植物根系发育,结构疏松;②黏土,黄色,土体结构较松散,含大量泥岩风化残块,工程性质一般;③强风化石灰岩,灰色,薄至中厚层状夹泥岩,细晶结构,整体性较差,岩体基本质量等级为Ⅲ、Ⅳ类;④中风化白云岩,灰白色,薄至中厚层状,隐晶-细晶结构,岩体基本质量等级为Ⅱ、Ⅲ类;⑤弱风化砂岩,灰黄色,薄至中厚层状,中粒砂状结构,岩芯成柱状,强度较好。

滑坡区内地下水类型主要为碳酸岩岩溶水,赋存于石灰岩及白云岩的岩体溶蚀裂隙中,水量受地形、岩性等因素的控制,区内地下水总体上由北向南径流,在地势低洼部位以泉的形式出露地表。通过钻孔进行水位观测,在钻探深度范围内未揭穿地下水,说明地下水位埋藏很深,在支护设计中可以不考虑地下水的影响,该边坡安全等级为二级。

1.2 滑坡的成因及支护方案

根据现场勘察,产生滑坡的原因主要有两个:一是滑坡由耕植土、黏土、强风化岩体组成,这部分岩土体强度低,稳定性差;二是滑坡产生前该地区连续降雨多日,加之耕植土透水性较好,大量降水经地表渗入滑体中且未能及时排出,岩土体容重及下滑力显著增加,导致产生滑动。滑坡先由上部岩土体松动下滑,然后带动下部岩土体滑动,该滑坡类型为推移式滑坡,按滑坡体物质组成和滑坡与地质构造的关系又可称为覆盖层滑坡。

根据该滑坡的工程地质条件,拟采用预应力锚索框架梁及抗滑桩来支护,这两种支护形式施工技术都比较成熟,在边坡支护工程中得到了广泛的应用[11]。采用3套支护方案:方案1采用预应力锚索框架梁支护；方案2采用抗滑桩与预应力锚索框架梁联合支护；方案3采用双排抗滑桩支护。

图3为支护方案示意图,方案1为预应力锚索框架梁结构,将边坡分为二级结构,中间设置4 m宽平台,其中预应力锚索锚固段为6 m,锚固于弱风化砂岩中,锚固吨位为30 t,锚索为4束直径为15.24 mm的钢绞线,间距取4 m,框架梁采用0.5 m×0.5 m矩形截面,弹性模量取19 GPa。方案2为抗滑桩与预应力锚索框架梁联合支护方案,其中抗滑桩嵌入弱风化砂岩中7 m,抗滑桩直径为1.2 m,弹性模量取31 GPa,抗滑桩与最下排预应力锚索锚头距离为19.7 m,锚索参数与方案1中相同。方案3为双排抗滑桩支护方案,抗滑桩相隔10.2 m,嵌岩深度仍为7 m,抗滑桩直径也仍为1.2 m。

图3 支护方案示意图

2 支护方案比较分析

边坡设计常采用极限平衡法,但是该方法不能得到边坡的变形、稳定性系数、塑性区分布情况等结果,无法综合判断支护方案的优劣,且对该滑坡而言,滑坡下方有厂房及民居,因此边坡的稳定性及位移均应满足设计要求。目前数值模拟手段在边坡稳定性评价中得到了广泛应用[12],为了对比分析上述3种支护方案的支护效果,采用数值分析软件FLAC3D计算出边坡的位移、应力分布、剪应变增量等指标,来综合分析各方案的优劣。该滑坡原始地形数值模型网格见图4,滑坡岩土体物理力学参数见表1。

图4 原始地形数值模型网格

表1 滑坡岩土体物理力学参数

图5为未支护时的边坡位移计算结果,最大水平位移为873.970 mm,最大沉降为614.940 mm,说明边坡位移较大,稳定性系数计算结果为1.012,边坡为临界状态,急需支护。计算结果与实际情况较吻合,这也说明了岩土体物理力学参数的取值是合理的。

图5 未支护时边坡位移计算结果(单位:mm)

3种支护方案中,抗滑桩较容易施工,对环境的影响较小,但造价略高;预应力锚索框架梁施工时不易操作,且对环境影响大,需要坡面清理等工序,会破坏原有的绿化,但和抗滑桩相比,其工期略短,造价略低。因此方案1的特点是造价低,难施工,工期长,对环境影响大;方案3的特点是造价高,易施工,工期短,对环境影响小;方案2位于两者之间。经过概算,方案1、2、3的造价分别为228万元、235万元和265万元,从造价的角度来说方案1最佳,方案3最差。

图6为3种支护方案水平位移计算结果,其中方案1最大水平位移为18.046 mm,发生较大位移部位主要位于滑体上部;方案2最大水平位移为23.242 mm,发生较大位移部位主要位于滑体的中上部;方案3最大水平位移为37.667 mm,发生较大位移部位主要位于滑体下部。从最大水平位移情况来看,方案1最小,方案3最大,说明采用预应力锚索框架梁支护结构要优于其他两种形式,其中方案2比方案1最大水平位移增大了28.79%,方案3比方案1最大水平位移增大了108.73%。

图6 支护方案水平位移计算结果(单位:mm)

为了更好地对比这3种方案的计算结果,将边坡稳定性系数、最大沉降、最大剪应变增量也列入比较,结果见表2。

从表2可以看出,各项指标均显示方案3支护效果最差。方案2与方案1相比,稳定性系数减小了3.80%,最大沉降减小了1.13%,最大剪应变增量增大了2.82%,可见方案1和方案2相差不大,

表2 支护方案计算结果

图7 优化方案水平位移计算结果(单位:mm)

因此这两种支护方案均可采用。由于抗滑桩的结构稳定性要强于预应力锚索框架梁,即锚索随着时间的推移会出现预应力损失和失效的现象,而且滑坡下方为一条公路和一家木材厂,更需注重支护结构的耐久性;而从造价来看,方案2只是略大于方案1,所以综合比较宜采用方案2进行支护加固。

3 支护方案优化设计

根据比选结果,对方案2采用的联合支护形式进行优化设计。优化设计主要考虑抗滑桩的位置,设计了4种方案,见图3(d),其中方案b与方案2相同。方案a、c、d中抗滑桩与最下排预应力锚索锚头距离分别为30.9 m、9.6 m和1.0 m。通过计算分析这4种方案以确定抗滑桩的最佳位置。

图7为方案a、c、d水平位移计算结果,由图6(b)和图7可以看出,方案a、b、c、d最大水平位移分别为32.676 mm、23.242 mm、14.012 mm、11.991 mm。从最大水平位移来看,方案d最优,但是从最大水平位移发生部位来看,方案a、b、c均位于滑坡中上部,而方案d则位于滑坡的下部,这是由于滑体下部无任何支护结构所致。虽然方案d最大水平位移值最小,但是这种支护方案存在安全隐患,抗滑桩距锚索太近,滑体下部容易再次滑动。为了详细比较这4种方案,对边坡稳定性系数、最大沉降、最大剪应变增量计算结果(表3)做进一步的分析,从表3可以看出,方案c稳定性系数最大,且剪应变增量最小,虽然方案d的最大水平位移及沉降均最小,但其稳定性系数为1.353,比方案c要小12.03%,综合考虑,认为方案c为最佳方案,其稳定性系数比方案1还提高了4.41%。因此最终确定抗滑桩与最下排锚索锚头距离在10 m左右为最佳。

表3 优化方案计算结果

4 方案实施效果

经过方案的比选及优化,该滑坡选择方案c进行了支护,图8为边坡支护完成后的水平位移的部分监测记录,监测仪器为XB338型滑动式测斜仪,根据支护后边坡的变形特征,将监测点的位置设于滑体中部即变形较大部位(参见图7(b)方案c的计算结果)。1 a后边坡最大水平位移为10.285 mm,说明支护效果良好,优化设计是成功的。与数值模拟结果相比,目前监测结果略小于模拟结果,因为数值模拟结果为变形的最终结果,而监测结果为中间状态,可以看出数值模拟结果与实测结果比较吻合。

图8 边坡支护完成后位移

5 结 论

a. 通过比选,抗滑桩结合预应力锚索框架梁支护方案为最佳方案,能够提供较大的安全系数,有效地控制滑坡位移。

b. 抗滑桩与预应力锚索框架梁间距越近,滑坡的最大水平位移越小,但从边坡的稳定性系数来看,存在一个最佳间距,大于或小于最佳间距稳定性系数均呈减小趋势,该滑坡最佳间距为10 m左右。

c. 在比选支护结构时,不能单纯地分析滑坡的位移,位移小并不代表支护效果佳,应当综合分析滑坡的稳定性系数、剪应变增量等因素。

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