抗滑桩在水库滑坡体中的设计与应用

赖旺林（龙岩漳永高速公路有限责任公司，龙岩364000）

抗滑桩在水库滑坡体中的设计与应用

赖旺林
（龙岩漳永高速公路有限责任公司，龙岩364000）

本文以何家坡水库现场滑坡治理为工程背景，结合滑坡工程实际情况，对水库滑坡体进行了稳定性计算分析，采用了抗滑桩治理方案，并阐述了抗滑桩的设计及计算原理，对山区高速公路工程中出现的滑坡治理具有重要参考价值。

滑坡治理方案抗滑桩稳定计算

0 引言

滑坡是指构成斜坡的岩土体在重力及其他外应力作用下失稳，沿坡体内部软弱滑动面发生的整体性向下滑动的现象。我国崩塌、滑坡和泥石流等不良地质灾害的分布范围约占国土面积的45%，其中滑坡占不良地质灾害的比例达58%以上，是世界上地质灾害最为严重的国家之一。随着山区高速公路建设的发展，遇到的地形和地质条件也更加复杂，滑坡等边坡问题治理日益众多。

抗滑桩作为现代滑坡治理的主要手段，一般布置在浅层和中厚层滑坡前缘，借助桩体与周围岩土共同作用，把滑坡水平推力传递到稳定地层的一种抗滑结构。它具有抗滑动能力强、工作面多、施工方便快捷、设备简单等特点，目前已广泛应用在高速公路的路堤支挡、路堑边坡加固、隧道和桥桥基加固等工程中。

何家陂水库滑坡体位于在建中何家坡大桥的11#桥墩及其上部，并向上延伸至县道边坡附近。据调查，滑坡发生于2014年5月22日，当时本地连续下雨后，引起县道X601的路基坍塌，桥墩附近土体滑落到水库中。危及在建中的何家陂大桥的安全。因此，对该滑坡进行综合治理具有十分重要的现实意义。

图1 何家陂水库滑坡平面位置图

1 工程概况

1.1 工程简介

福建省厦蓉漳州天宝至龙岩蛟洋高速改扩建工程（龙岩市境）龙岩段何家坡大桥滑坡位于龙岩市新罗区小池镇南侧约2.5km处，为现有X601道路两侧及其下部，何家坡水库岸坡上。

新建高速公路何家陂大桥横跨水库边缘，桥长448m，桥型布置为[（4×40）+（4×40）+（4×40）]mPC连续-刚构T梁，平面位于半径R=650m的圆曲线和缓和曲线内，墩台径向布置。其中11#墩位于何家陂水库滑坡体上，平面位置图如图1所示。

1.2 地质条件

场地位于一呈东西向展布的黄连盂山脉的南侧坡脚，为低山-丘陵地貌，坡面植被较发育。其中县道601横穿滑坡后缘，滑坡处地面标高介于589.50~550.00m间，山坡自然坡度在15~30°之间。场地东南侧约140m见有断层（F304），其产状为129°∠80°，宽约10~20m，带内岩石破碎，产状杂乱，影响宽度较大。

2 滑坡体特征及稳定性计算

2.1 滑坡体特征

据现场调查及钻探资料，滑坡体走向为南东向，最大长度约100m，宽约65m，高度约为46m（标高：589.00~ 542.38），滑距0~2.5m不等，面积约为5405m2；钻孔中的滑坡体厚度为8.8~23.00m，体积约为31216m3；滑坡体成分主要为坡积粉质粘土、碎石、（碎块状强风化岩）块石等，滑坡体树林歪斜，裂缝多。为小型土质推移式深层滑坡。

据现场调查，滑坡呈叠瓦状多级滑动，最大错距达2.00m，并形成了多条较长横向裂缝，可见裂缝，长3~23m不等，宽0.1~0.5m，可见深度0.1~1.5m不等。

2.2 滑坡体稳定性计算

（1）据勘察成果，选取滑坡轴线“I-I”至“III-III”为计算断面，剖面地形线为施工单位实测，采用饱和剪切强度，根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）规定，对于现有边坡稳定系进行计算结果如下表1所示。

表1 滑坡体计算简表

（2）根据《公路路基设计规范》（JTG D30-2015）规定，根据安全系数取值各断面深部滑块（A、B、C滑块）计算本滑坡体剩余下滑力。

在饱和状态下，从计算结果知，安全系数取1时，现有状态下滑坡体剩余下滑力分别为59.29kN、332.45kN、483.11kN，滑坡体不稳定，目前仍在活动中；安全系数取1.3时，现有状态下滑坡体剩余下滑力分别为227.26kN、807.99kN、850.16kN，滑坡体不稳定。

3 治理方案

滑坡治理工程应根据该滑坡的工程地质条件、规模和性质，采取标本兼治的综合防治手段进行治理，达到彻底根治，不留后患的目的。

当采用抗滑桩治理滑坡时，首先需要解决桩的平面布置与桩的埋入深度问题。这是抗滑桩设计的主要参数，它的合理与否，直接关系到抗滑桩效用的成败。

3.1 桩的平面位置及间距

抗滑桩的平面位置和间距，一般应根据滑坡的地层性质、推力大小、滑动面坡度、滑坡厚度、施工条件、桩截面大小以及锚固深度等因素综合确定。

抗滑桩的间距受许多因素的影响，目前尚无较成熟的计算方法。合适的桩距应该使桩间滑体具有足够的稳定性，在下滑力作用下不致从桩间挤出。换而言之，可按桩间土体与两侧被桩所阻止的土体的摩擦力大于桩所承受的滑坡推力来估算。有条件时可通过模拟试验，取得土体能形成土拱效应的桩间距值，并结合实践经验来考虑桩的间距。一般情况下，当滑体完整、密实或滑坡推力较小时，桩距可取大些；反之，应取小些。此外，滑坡主轴附近桩距应小，两侧边部桩距宜大。目前一般采用6~10m的桩距。

3.2 桩的锚固深度

桩埋入滑面以下稳定地层内的适宜锚固深度，与该地层的强度、桩所承受的滑坡推力、桩的相对刚度以及滑面以上滑体对桩的反力有关。

原则上由桩的锚固深度传递到滑面以下地层的侧向压应力不得大于该地层的容许侧向抗压强度，桩基底的最大压应力不得大于地基的容许承载力。

锚固深度不足，易引起桩效用的失败；但锚固过深则导致工程量的增加和施工的困难。有时可适当缩小桩间距以减小每根桩所承常受的滑坡推力，有时可调整桩的截面以增大桩的相对刚度，从而达到减小锚固深度的目的。

（1）土层及严重风化破碎岩层支承条件桩身对地层的侧压应力应符合公式（1）。

公式中，γ为地层岩（土）的容重，（kN/m3）；φ为地层岩（土）的内摩擦角，（°）；c为地层岩（土）的粘聚力（kPa）；h为地面至计算点的深度，（m）。

一般检算至桩身侧应力最大处，若不符合上式要求，则调整桩的锚固深度或桩的截面尺寸、间距，直至满足为止。

（2）较完整岩质、半岩质地层支承条件

桩身对围岩的侧向压应力σmax应符合公式（2）。

公式中，k1/为折减系数，根据岩层产状的倾角大小，取0.5~1.0；k2/为折减系数，根据岩层的破碎和软化程度，取0.3~0.5；R0为岩石单轴极限抗压强度，（kPa）。

计算结果若不符合上式，则调整桩的锚固深度或截面尺寸、间距，直至满足为止。

上述公式，只能作为确定桩的锚固深度及校核地基强度时的参考用。常用的锚固深度，从以往的实践经验来看，对于土层或软质岩层约为1/3~1/2桩长比较合适；但对于完整、较坚硬的岩层可以采用1/4桩长。

3.3 方案选择

根据地质勘察结果滑坡体对何家坡11#桥墩的稳定性影响很大，需要对滑坡进行治理。因需要确保滑坡体上方县道正常通行，且需要保证位于滑坡体上的11#桥墩安全，综合分析后采用抗滑桩加固滑坡体的治理方案。

图2 抗滑桩平面位置图

图3 A-A主滑动面断面图（单位：m）

在桥梁右侧设置19根预应力锚索抗滑桩，桩顶标高按根据地面线确定，桩底以碎块状强风化为持力层，桩长预计35m；同时，为了避免滑坡体前缘受水库蓄放水影响产生滑塌，导致桩基外露，影响桥梁安全，在桥梁左侧10#墩旁设置了4根普通埋入式抗滑桩、在桥梁左侧11#墩旁设置了2根普通埋入式抗滑桩，平面布置图详见图2，A-A主滑动断面图详见图3。

4 锚索抗滑桩的设计计算原理

4.1 锚索设计拉力计算

锚索设计拉力值按锚索抗滑桩横向变形约束地基系数法设计计算：根据位移变形协调原理，桩上每根锚索仲长量Δi与该锚索所在点桩的位移fi相等，建立位移平衡方程，如公式（3）所示。

公式中，X0、φ0分别为桩锚同段顶端0点处的位移、转角；Δiq、Δi分别为滑坡推力、其他层锚索拉力Ri作用于i点桩的位移；Ri0为第i根锚索的初始预应力；δi为第i根锚索的柔度系数，即单位力作用下锚索的弹性伸长量。

由地基系数法计算桩锚固段顶端0点的位移X0和转角φ0，最后解线性方程组，如公式（4）所示。

可得各排锚索拉力，如公式5所示。

4.2 桩的内力计算

桩的内力计算常做如下假定，采用悬臂桩简化计算抗滑桩的内力：（1）假定桩为刚性桩；（2）不考虑桩与周同岩土间的摩擦力；（3）滑坡推力为矩形分布。计算如公式（6）所示。

公式中，ET′为桩承受荷载，即滑坡推力与受荷段地层抗力之差，kN；h1为桩的受荷载段长度，m；ym为锚同段地层达到δ区的厚度，m；h3为锚同段地层弹性区厚度，m；δ为地层侧壁容许应力。

当ET′，h1，Bp均已知，便可由上计箅式联立解出δ，ym，h3值，从而得到桩的地层应力和桩的内力。

4.3 桩的配筋计算

在完成桩的内力计算后，普通抗滑桩在配筋时可按常规方法进行配筋计算。在锚索抗滑桩纵筋配筋计算时，应考虑预应力锚索竖直向下的分力Fy，原计算公式可变为公式（7）和公式（8）。

公式中，γ0为抗滑桩安全系数，Md为弯矩组合设计值；fc为混凝土轴心抗压强度设计值；b为矩形截面宽度；h0为截面有效高度，h0=h-as，h为截面高，as为从截面受拉边缘至纵向受力钢筋重心的距离；x为截面受压区高度；As为受拉区纵向钢筋的截面面积。

公式中，ft为混凝土抗拉强度设计值；fyv为箍筋抗拉强度设计值；V为斜截面抗剪承载力；Asv为配筋在同一截面内箍筋各肢的全部截面面积.等于nAsv1，其中，n为在同一截面内箍筋的肢数，Asv1为单肢箍筋的截面面积；s为沿构件长度方向箍筋的间距。

5 抗滑桩计算结果

根据工程边坡地质剖面图和相关设计参数，也可采用软件计算，在ANSYS中建立模型边界条件为：抗滑桩底面固结，左右两侧在x方向限制位移，顶面、坡面是自由端，计算采用Mohr-Coulomb模型。从图4可以看出，在稳定性计算数值模型中加入抗滑桩梁单元后边坡状态稳定，内部没有形成贯通的塑性区域。

图4 水平方向位移及剪应变增量云图

6 结束语

本文结合何家陂水库滑坡治理对抗滑桩的设计步骤、平面布置、锚固深度及内力计算作了简略的介绍，相信其对抗滑桩设计有一定的帮助。实践中，在地质条件允许的滑坡治理工程中，还可根据文中锚索拉力计算，恰当选择锚拉力，改善抗滑桩治理工程的受力特点，提高抗滑桩的效率，进一步降低工程造价。