高速公路项目中滑坡的分析与治理

2015-01-12李凤岭

山西交通科技 2015年5期

关键词：坡脚抗滑桩滑坡体

李凤岭

（山西省交通科学研究院，山西太原 030006）

1 项目背景

霍州至永和关高速公路位于山西省临汾市，是山西省高速公路网规划“三纵十二横十二环”第八横的重要组成部分。霍州南互通位于霍永高速K12+320—K13+760处。

本处滑坡发生在霍州南互通AK2+100—AK2+470段（含有霍州南互通收费站、收费站管理区及回转区），为挖方路堑，最大边坡高度约33 m（路基右侧）。

2 滑坡的形态及发生、发展过程

滑坡后缘高程为624.5 m，前缘高程为572.4 m，高差 52.1 m，坡度为 45°。滑坡前缘宽度为360.0 m，顺主滑方向长度257.0 m，滑体最大厚度为45.0 m。

图1 滑坡现场情况

该处滑坡的发展大致经历了3个阶段：

a）第一阶段 A匝道AK2+100—AK2+230回转车道路堑边坡坡面及坡顶处出现宽窄不一多条拉张裂缝，坡顶出现1～2 m高差的错台，局部边坡塌落。

b）第二阶段边坡塌落范围增大，AK2+290—AK2+420段右侧边坡产生滑塌，坡体上的剪切裂缝继续延伸扩展，错台高差增大，最大高差达到6 m，路基坡脚处出现隆起。

c）第三阶段边坡滑塌范围继续扩大，并且逐步连通，整个坡面有整体下移趋势，下方施工便道挤裂，山体坡脚隆起加大，并出现多条鼓张裂缝。

3 滑坡的地质勘查情况

3.1 地形地貌及地质构造

滑坡为西北向东南倾斜的单边坡，所处地貌单元属褶皱断块溶蚀剥蚀中山区，滑坡自然坡度在30°～45°之间。

3.2 地层岩性

滑坡区上层为第四系上更新统（Q3）粉土，主要分布于滑坡坡面，厚度约为3.0～9.6 m。下卧石炭系中统太原组（C3t）强风化泥岩、砂岩、炭质泥岩及中等风化炭质泥岩、石灰岩。

3.3 水文地质

坡体内主要为松散层孔隙水，含水性弱，主要接受大气降水补给。滑坡区基岩裂隙水基本上以点滴状下渗，下渗面不连续。

3.4 勘查结论

该滑坡为多滑面的推移式顺层岩滑坡。滑面为石炭系太原组炭质泥岩，滑坡受泥化软弱夹层和顺倾节理控制。

4 滑坡的治理过程及最终治理方案的确定

当滑坡处在第一、二阶段时，结合现场情况及地质调查，确定滑坡性质为推移式滑坡。初步方案为在滑坡的主滑段上部进行刷方减载，反压坡脚，在坡脚处设置浆砌片石抗滑挡墙。

经过初步治理后，滑坡基本稳定，但由于春融来临、降水沿边坡下渗及房建场地土方开挖卸载后，滑坡发展进入第三阶段。本阶段滑坡治理方案的确定主要考虑了以下两方面因素：

a）坡顶红线外20～30 m处有3座220 kV高压电塔，如果拆迁，社会影响及经济损失均较大。

b）铁塔距离坡顶很近，卸载空间小，卸载效果不佳，卸载后须对铁塔基础进行加固处理，安全风险较大。结合现场情况、地质调查资料及滑坡的发展趋势，综合考虑，边坡卸载方案不可行，宜采用抗滑桩对滑坡进行治理。

5 抗滑桩设计

5.1 抗滑桩截面型式及尺寸的选择

为避免边坡继续变形影响电塔运营安全、导致路基整体失稳等危险情况的发生，应及时有效对滑坡体进行加固。滑坡体较为松散，采用人工挖孔的矩形桩，施工速度慢，且存在较大的安全隐患，故本方案采用能够利用大型机械施工的圆形桩。

结合已竣工项目的成功经验，当前的施工情况及现有工程设配，以便于快速开展施工，尽早稳定滑坡体，减小安全隐患为原则，采用工程类比法，确定抗滑桩直径为1.6 m。

5.2 抗滑桩位置的确定

以确保高压铁塔绝对安全、路基整体稳定、房建区域无任何变形为基本原则，结合现场实际情况，边坡性质及发展形态与地质情况等多方因素，分别在路基右侧碎落台位置、高压铁塔下侧及房建北侧设置3排抗滑桩。

图2 典型断面抗滑桩位置示意图

5.3 不平衡推力的计算

在滑坡体区域内，选择两个最不利断面，以滑坡不平衡推力计算公式为依据，结合理正岩土计算软件分别针对两个最不利断面1-1和2-2上的两排抗滑桩进行计算。抗滑桩布置情况如表1。

表1 抗滑桩布置表

滑坡不平衡推力计算公式[1]：

式中：En、En-1为第n块、第n-1块滑体的剩余下滑力；φn为传递系数；Kt为滑体推力安全系数；Gn为第n块滑体的重力；βn为第n块滑动面的倾角；αn为第n块滑动面的内摩擦角标准值；Cn为第n块滑动面的黏聚力标准值；Ln为第n块滑体沿滑动面的长度。

图3 典型断面示意图

计算安全系数按1.25考虑，根据相关地质资料，计算参数选取如表2。

表2 典型断面计算参数表

计算结果为：

1-1断面第1排桩桩后剩余下滑力为290.1 kN，下滑角度为4.59°。

1-1断面第2排桩桩后剩余下滑力为110.8 kN，下滑角度为4.24°。

2-2断面第1排桩桩后剩余下滑力为170.1 kN，下滑角度为15.25°。

2-2断面第2排桩桩后剩余下滑力为130.1 kN，下滑角度为8.35°。

5.4 桩间距的确定

桩间距与许多因素有关，比如滑坡体的物理力学性质、抗滑桩桩径尺寸、滑坡推力大小与分布形式、桩体与土体之间的摩阻力、黏聚力等，所以在进行抗滑桩间距计算时存在很多不确定因素。目前为止针对该内容的计算各方意见尚未统一，仍没有形成一个权威的计算理论与方法。

本工程实例，抗滑桩的桩间距确定主要是根据地质资料及现场情况，结合以往工程经验，主要通过工程类比法确定相应桩间距，并以理论计算作为辅助依据，进行相关内容的复核验证。

本项目中以“桩间土拱效应”为计算模型：在滑坡推力作用下，桩间土体由于自身抗剪强度的存在，自然形成土拱，且以土拱不沿桩侧挤出破坏为前提，针对土拱的拱顶、拱脚等截面强度进行验算，具体公式如式（3）、式（4）[2]：

土拱拱顶处强度验算，计算所得桩间距Sb：

土拱拱脚处强度验算，计算所得桩间距Sc：

式中：δ为抗滑桩桩侧与滑坡土体间的摩擦角，（°）；cw为抗滑桩桩侧表面与滑坡土体之间的单位黏聚力，kPa；d为抗滑桩桩径，m；q为作用于土拱上的滑坡推力，kN/m；φ为滑坡体内摩擦角，（°）。

Sb与Sc（本项目计算结果Sb=7.5 m，Sc=9.3 m）中的较小者为计算所得的桩间距。由于土拱效应在计算过程中有诸多假定条件，与实际情况存在一定的误差，计算所得的桩间距往往偏大，故在应用过程中需考虑一定的安全系数（本项目为1.5）。

综上所述，本项目桩间距最终采用3倍的桩径即4.8 m。

5.5 抗滑桩的计算

桩后下滑力按矩形分布，以铰接为桩底支撑条件，利用“M”法对抗滑桩本身弯矩、剪力和桩顶位移等相关内容进行了验算[3]。结果如表3所示。

表3 典型断面上抗滑桩计算表

5.6 抗滑桩的最终设计方案

抗滑桩具体布设方案如下：AK2+300—AK2+420段右侧边坡坡脚处为1～27号桩，桩长为L=35 m；ZK0+000—ZK0+100段左侧边坡坡脚处为28～46号桩，桩长为L=40 m；AK2+120—AK2+242段左侧边坡坡脚处为47～73号桩，除49号桩桩长L=38 m、53～58号桩桩长L=45 m外其余桩桩长L=40 m（53～58号桩，相对周边变形较大，经地质勘察后，发现此处存在软弱夹层，下卧岩层位置较低，需增加桩长，确保路基及房建区域的整体稳定）；回转区域边坡坡脚处为74～88号桩，桩长为L=20 m，电塔下侧边坡坡脚处为89～111号桩，除100～105号桩桩长L=10 m外，其余桩桩长L=35 m，具体位置详见图4。