某高速公路边坡的滑坡分析与抗滑桩防护设计

黄小满，张红星

(广西交通科学研究院，广西　南宁　530007)



某高速公路边坡的滑坡分析与抗滑桩防护设计

黄小满，张红星

(广西交通科学研究院，广西南宁530007)

黄小满(1981—)，男，工程师，主要从事公路工程勘察设计工作。

摘要：文章以广西某高速公路滑坡治理为例，基于该滑坡区环境地质特征，采用剩余下滑力法对该滑坡的稳定性进行了计算分析，提出利用抗滑桩方案对其进行加固整治，并根据刚性桩法计算桩身内力，验算了桩身稳定性，为类似滑坡治理工程提供参考。

关键词：高速公路；边坡；滑坡；剩余下滑力；稳定性；抗滑桩；防护设计

0引言

公路边坡稳定对于公路安全运行至关重要，由于人工开挖边坡对原本稳定的自然坡体造成了扰动，如果其再受到地震、强降雨等因素影响，极有可能造成边坡失稳产生滑坡。公路边坡滑坡在我国是一种常见的自然灾害，严重威胁公路安全。对于公路边坡的稳定性分析及治理一直是工程师们关注的热点之一，某些道路边坡治理费用高昂，如京珠高速公路广东北段高于30 m的边坡85处，治理滑坡和高边坡加固费用将近8亿元[1，2]；云南省元江至磨黑高速公路高于30 m的边坡为432处，出现灾害177处，治理和加固费用高达5亿元[3]；重庆万州至梁平高速公路在砂泥岩顺层地段的加固费用将近2亿元[4]。在公路边坡整治中，抗滑桩是一种加固效果良好的方法，抗滑桩的合理设计，不仅关系到边坡的稳定与否，还能够降低成本造价。因此，本文以广西某条高速公路上一处滑坡治理为例，分析论证路基边坡的稳定性，判断边坡的滑坡规模，并提出利用抗滑桩进行治理的措施，为类似工程治理提供参考。

1滑坡区环境地质特征

1.1　气象水文特征

某高速公路位于桂北山区，该道路穿越地区气候垂直分带明显，干湿季分明。根据气象资料统计，该地区年平均降雨量较为丰富，年平均降雨量1 470 mm；历年平均气温10.8 ℃~28 ℃，年平均日照时数1 025~1 771 h。其雨季集中在5~9月，占全年降水量80%以上，同时也是地下水补给的集中时期。夏季受台风影响大，台风侵袭时大量降雨，常造成山体滑坡及洪涝灾害。

1.2　地形地貌和区域构造

本项目区域地形复杂，属构造侵蚀-剥蚀低山地貌形态，起伏较大，切割较深，沟谷多呈“Ⅴ”型，原始地形大体上呈西北高、东南低，地形坡度较大，一般自然山坡坡度为20°~38°，本路段山脉走向呈北东-南西向。本区域内构造复杂，新构造运动活跃。构造带东西长达10 km，构造两侧地层褶皱强烈，岩体破碎，分布杂乱。受其影响，沿线岩石节理裂隙发育，破碎强烈。

1.3　水文地质

该高速公路滑坡区域的地表水体主要是路基左侧的小河流，雨季洪流槽道摆动不定，洪水或稀性泥石流对坡脚有侧蚀作用，对坡体的稳定不利。工作区坡面较陡，降雨形成的坡面径流对坡面有侵蚀作用。地下水类型为孔隙水与岩溶水，均属潜水性质。

1.4　滑坡规模及地层状况

在公路工程前期实地勘察阶段发现该高速公路挖方路基处于一个古滑坡地形上。根据地质勘查报告结果，该滑坡长450 m，宽110 m，平面形态呈“弓”形，面积为6.2×104m2，体积约为70×104m3，为牵引式滑坡，滑坡方向为350°。滑坡前缘高程为157~159 m，后缘高程为206~207 m，相对高差约为46 m，属于坡积层转化形成的老滑坡。在地质勘查期间又发现了老滑坡剪出口以外的堆积物复活，由于滑坡前缘土体受到河水的冲刷作用，土体下滑形成了新的滑坡，其中，新滑坡长度为200 m，宽度为110 m，滑坡体厚2.7~17.5 m，主要由坡积粉质黏土夹碎石组成，表层存在人工填土，近河边存在冲洪积的粉土或粉砂土，现已成为滑坡体的一部分。人工填土以弃土层为主，偶夹有工业弃渣及生活、建筑垃圾。该层结构疏松，厚度变化较大，一般为0~1 m，局部可达6.5 m。滑坡体坡积层以粉质黏土为主，含有碎石、块石，粒径为3~50 cm，最大可达135 cm。前缘近河床一带，受河水冲刷侵蚀，土体中的细小颗粒被水带走，多见直径1~3 m泥岩、砂岩块石，该层厚度为1.6~10 m。

2边坡稳定性分析

2.1　计算模型

选取滑坡后缘具有代表性的张拉裂缝所在的剖面，对该路段边坡的稳定性进行分析计算。根据勘察报告，该滑坡的主要破坏形式是上部的粉质黏土夹碎石土沿下部的砂质泥岩层顶面出现滑动，根据坡面和滑动面的形状，将滑动体划分成四块，分别命名为块Ⅰ、块Ⅱ、块Ⅲ和块Ⅳ，如图1所示，在块Ⅰ后方出现了明显的张拉裂缝，最大宽度为24.3 cm，深度约为0.7~2.8 m。

图1　边坡稳定性计算简图

2.2　计算参数

滑动面土质力学的参数关系到稳定性的计算结果，根据勘察报告，滑动体的几何参数、土质参数如表1所示。

表1　边坡稳定分析的计算参数表

2.3　计算公式

本滑坡的滑动面出现在上部的粉质黏土夹碎石层和下部的砂质泥岩界面处，考虑到该滑坡需要一定的安全储备，采用剩余下滑力法计算该滑坡的稳定性：

Ei=KWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi

(2)

式中，Ei——第块的剩余下滑力(kN)；

K——边坡稳定安全系数，本工程取1.25；

Wi——第i块滑块的重量(kN)；

αi——第i块的滑面倾角(m)；

ci和φi——第i块滑体滑面上岩土体的粘聚力

(kPa)和内摩擦角(°)；

li——第i块滑体的滑面长度(m)；

ψi——传递系数。

依次计算Ⅰ~Ⅳ滑块的剩余下滑力，如果上方滑块有剩余下滑力，则此下滑力传递到下方滑块上，如果滑块Ⅳ的剩余下滑力为正值，表明滑坡体是不稳定的；反之，如果是负值，表明是稳定的。以滑块Ⅰ为例，分别计算其下滑力和抗滑力，其下滑力为：

KWisinαi=1.25×21 132.9×sin37°=15 897.2 kN

其抗滑力为：

Wicosαitanφi+cili=21 132.9×cos37°tan13°+10×95.3=4 849.4 kN

则滑块Ⅰ的剩余下滑力为11 047.8 kN，依此方法，分别计算其它滑块的剩余下滑力，边坡稳定的计算结果汇总于表2中，滑块Ⅳ的剩余下滑力为300.9 kN，表明此边坡的安全储备不足。

表2　边坡稳定分析的计算结果表

3抗滑桩方案论证

该滑坡相对高差较大，为46 m，且下滑力较大，下方临近河流，且上方为老滑坡，仍有活动的条件，需要进行加固整治。滑坡加固的方法有多种，常用的有锚索法、挡土墙法和抗滑桩法等，锚索法常用于坡度较大的岩体边坡加固，本工程滑动体主要是粉质黏土夹碎石，且坡度较小，锚索用量较大，不够经济；挡土墙法需要对边坡进行开挖，对滑动体产生扰动，适用于滑动面较浅的滑坡，该滑坡的滑动力较大，滑动面又较深，而且挡土墙的抗滑能力弱于抗滑桩；抗滑桩具有抗滑能力强，适用于滑坡推力大、滑动带深的滑坡，并且人工开挖面小，不易恶化当前的滑坡状态。经综合比较最终确定此处滑坡采用抗滑桩进行加固。

抗滑桩设在下方临近河流处，既考虑到在滑坡体的下部滑坡推力较小，可以减小抗滑桩的规模，同时在临河处增加适当的防水措施，可以有效防止河水的侵蚀冲刷，对上部的岩土体起到较好的保护作用。

3.1　桩身内力计算

根据滑坡体计算的下滑力及抗滑桩需要设置的长度，按设计经验值可以初步拟定抗滑桩截面为b×a=2 m×3 m，下伏锚固端地基的抗力系数A=A′=72 100 kN/m2，混凝土采用C30，混凝土弹性模量E=3.0×104kN/m2，抗滑桩滑面以上土层厚度h1=10 m。抗滑桩的下部锚固岩层为中风化砂质泥岩，质地均匀，透水性差，孔隙率为3.7%，单轴抗压强度为18.0 MPa。抗滑桩的锚固深度应能保证提供足够的抵抗力，通常要求抗滑桩传递到下部砂质泥岩的侧壁压力不大于地层的侧向容许抗压强度，桩长不宜过大，否则锚固作用不再显著，造成浪费。根据工程经验，若地层为土层或软岩，锚固长度一般取1/3~1/2桩长，本工程取滑面以下长度h2=8 m。抗滑桩的间距设置应保证土体不会从桩间挤出，当滑体完整、密实和下滑力较小时，桩间距可适当大些，反之则小些。此处抗滑桩间距L取桩长的1/3~2/5=6.0~7.2 m，取L=6.0 m。

3.1.1荷载计算

根据《建筑桩基技术规范》(JGJ94-2008)对地基土水平抗力系数的比例系数m的取值方法，此滑坡滑床的m值m1取30 000 kN/m4，m2取41 000 kN/m4，然后计算m值：

=38 000 kN/m4

由上述2.3部分计算知该滑坡的剩余下滑力，即水平推力EH=300.9 kN。

桩前的被动土压力为：

即桩前被动土压力>剩余下滑力，可取桩前土的抗力为0 kN/m。

3.1.2计算变形系数α

对于矩形截面的抗滑桩，计算宽度Bp=b+1=2+1=3 m

其计算深度αh2=0.25×8=2<2.5，故可按刚性桩计算。

3.1.3弯矩和剪力计算

设作用在桩上的水平推力及剩余下滑力按矩形分布，则有：qH=EHL/h1=180.5 kN/m。由于桩前的剩余下滑力为0，则最终作用在单桩上的分布荷载为180.5 kN/m。滑面以上桩体视为悬臂构件，用结构力学原理计算桩身的最大剪力和最大弯矩分别为：Qmax=7 541.0 kN，Mmax=30 342.4 kN/m，地层对桩身的最大抗力为1 301.7 kPa。

3.2　抗滑桩的稳定性验算

抗滑桩稳定性与其嵌固段长度、桩间距、桩截面宽度和滑床岩土体强度等有关，可用围岩容许侧压力公式判定：

对于较完整岩体、硬质粘土岩体：σmax≤p1R

(3)

对于一般土体或严重风化破碎岩层：σmax≤p2(σp-σa)

(4)

其中，σmax为嵌固段围岩最大侧向压力，本工程中σmax=1 301.7kPa；p1和p2为折减系数，均取0.5；R为岩石单轴抗压强度，本工程取18 MPa；σp和σa分别为桩前和桩后岩土体作用在桩身上的被动土压力和主动土压力。由于该工程桩身嵌固段为砂质泥岩，按硬质黏土岩体考虑，故按公式(3)进行稳定性验算。即1 301.7 kPa<0.5×18×103=9 000 kPa，故桩身的稳定性满足设计要求。

3.3　抗滑桩的配筋计算

抗滑桩按受弯构件来考虑，矩形抗滑桩纵向受拉钢筋配置数量根据弯矩图分段确定，主筋采用HRB400级螺纹钢筋，箍筋采用HRB335级钢筋，钢筋保护层厚度取50 mm，按照《混凝土结构设计规范》(GB50010-2002)进行配筋计算。限于篇幅，抗滑桩受弯和受剪配筋计算方法详见上述规范，抗滑桩受弯强度设计安全系数取1.2，抗滑桩斜截面受剪强度设计安全系数取1.3，经计算，纵向受拉钢筋As=37 806.3 mm2；抗滑桩斜截面受剪强度设计安全系数取1.3，箍筋最终选用φ12@200，两者均满足最小配筋率要求。配筋图如图2所示。

图2　抗滑桩配筋图

3.4　抗滑桩布置及监测设计

抗滑桩布置在滑坡的下部，临近河流边缘，根据设计布置一排抗滑桩，其具体位置见图3所示。另外，该滑坡还进行了监测设计，在坡顶张拉裂缝位置处布置3个裂缝宽度监测点，在老滑坡区布置2个深层水平位移观测点，在新滑坡区布置1个深层水平位移观测点，同时布置了2个地下水位观测点和2个地表位移观测点。

图例：▶为滑动方向，●为深层水平位移观测点，■为地下水位观测点，+地表位移观测点，为抗滑桩，为滑坡裂缝宽度观测点

图3K48+000~K48+256段抗滑桩布置及监测示意图

4结语

采用剩余下滑力法对某高速公路边坡的稳定性进行了计算，发现此边坡属于不稳定坡体。对多种处理方案进行比较，确定采用抗滑桩方案对此边坡进行加固整治。根据刚性桩法计算了抗滑桩桩身的内力，并进行了桩身稳定性验算和桩身配筋计算。此边坡另外还进行了监测设计和排水防护设计，限于篇幅，这些内容不再介绍。此边坡施工后，经监测位移符合标准，处于稳定状态，表明此设计合理。

参考文献

[1]陈修和，张华.梅河高速公路高边坡设计与加固问题探讨[J].土工基础，2006，20(1)：24-27.

[2]李丹枫，王连俊，葛宝金，等.缓倾顺层高边坡锚框桩组合结构抗滑分析[J].北方交通大学学报，2014，38(4)：137-142.

[3]顾丽雅，高速公路高边坡设计与加固要领[J].交通标准化，2007.6：126-129.

[4]金培杰.重庆市万梁高速公路顺层岩石高边坡失稳破坏机制与稳定性评价[J].岩石力学与工程学报，2003.22：2748-2750.

Landslide Analysis and Anti-slide Pile Protection Design of An Expressway Slope

HUANG Xiao-man，ZHANG Hong-xing

(Guangxi Transportation Research Institute，Nanning，Guangxi，530007)

Abstract：With the landslide treatment of an expressway in Guangxi as the example，based on the environ-mental geological characteristics of this landslide area，this article calculated and analyzed the stability of this landslide by using the sliding force surplus method，proposed using the anti-slide pile program for its rein-forcement and remediation，calculated the internal pile force based on rigid pile method，and checked the pile stability，thereby providing the reference for similar landslide treatment projects.

Keywords：Expressway； Slope； Landslide； Sliding force surplus； Stability； Anti-slide pile； Protective design

收稿日期：2015-04-02

文章编号：1673-4874(2015)05-0023-04

中图分类号：U418.5+2

文献标识码：A

DOI：10.13282/j.cnki.wccst.2015.05.007

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