组合圆形抗滑桩在高速公路滑坡治理工程中的应用

2020-11-04李刚

公路交通技术 2020年5期

关键词：滑面抗滑桩坡体

李刚

(陕西省高速公路建设集团公司，西安 710065)

随着我国高速公路建设的迅猛发展，近年来山区新建高速公路项目日益增多。在山区修筑高速公路，开挖路堑会改变原有地质平衡[1-2]，若防护措施不足，易导致边坡滑塌，无论是对高速公路建设或运营期的行车安全都会造成威胁，本文就滑坡的治理进行探讨。

1 滑坡地质概况和成因分析

1.1 滑坡展布及特征

2019年10月8日，位于秦巴山区某高速公路K40+009～K40+340段发生滑坡，造成区域内房屋、道路破坏，路基边坡防护及排水设施损坏，受灾群众26户，受灾面积1.53×105m2。该处地形南高北低，坡面为耕种台地，发育2条冲沟。原设计路堑最大开挖高度30.5 m，当年5月防护工程完工后没有变形迹象，10月8日该斜坡含路基整体平移48 m，滑面位于路床下11.2 m～13.8 m，未沿路堑坡脚剪出。滑坡长400 m，宽330 m，厚度18 m～20 m，体积137万m3，主滑方向与线路轴线夹角约83°，属中厚层巨型滑坡。滑坡后壁呈圈椅状，中后缘局部陡立，中下部趋缓，整体呈簸箕状，前缘隆起，后缘洼地发育，如图1所示。

图1 滑坡地貌

1.2 滑坡岩性特征

滑坡区属秦岭褶皱系，地质构造复杂，构造变形强烈。滑坡出露地层为白奎系砂泥岩互层及砂砾岩，上覆第四系上更新统残坡积层，地层差异明显，分述如下。

2)滑带：处于全风化泥岩层中，厚度0.3 m～2.6 m，呈层状、饼形土状，潮湿，可塑-硬塑，见明显挤压揉搓迹象；后部滑带为残坡积土层，见挤压揉搓迹象，稍湿，软塑-硬塑。

3)滑床：由泥岩、砾岩和砂岩组成，其中全风化泥岩(K)呈灰褐色，原岩风化剧烈，结构、构造完全破坏，岩芯破碎，呈土状；强-中风化泥岩(K)呈灰褐色，泥质结构，中厚层状构造，岩芯呈碎块状-短柱状；强-中风化砾岩(K)呈深灰色，砾状、层状构造，成分为砂岩等，强度较差；强-中风化砂岩(K)呈深灰色，砂质结构，层状构造，泥质含量较大。

1.3 滑坡成因

通过对勘察资料和滑坡特征分析[3]，该滑坡产生的原因如下。

1)地形地貌。滑坡区属侵蚀堆积中低山斜坡地貌，坡体后缘为较陡的山脊，中部为综合坡度 10°～15°的斜坡。滑坡前缘为常年流水河流，后缘与河床高差72 m，坡脚深4 m的河床为滑坡提供了空间条件。

2)地层岩性与结构。坡体表层为薄层粉质粘土，成分不均匀，结构松散；中层为厚层残坡积亚粘土，结构松散，泥质含量高。这2层土体渗水饱和后难以排水，形成巨大的下滑力，为滑坡提供了必要的动力条件。下层为全风化泥岩，已风化成土状，产状309°∠200°，为倾角略大的顺层。该层透水性很差，长期保持在饱水状态，软化后极易形成软弱结构面。

3)集中降水。该地区当年6月—9月降雨天数多达42 d，月均降雨量达145.9 mm。坡体梯田呈凹形缓坡，排水不畅导致土体浸水饱和后自重增大近20%，聚积了较大的势能；同时，全风化泥岩和土体软化后抗剪强度急剧下降，坡体平衡被打破后产生了滑坡。

4)路堑开挖。路堑开挖后，坡脚土反压阻挡力减小，并形成新的临空面，可能引起坡体失稳。但经计算分析，滑面反翘处的剩余下滑力5 370 kN/m远大于路堑开挖土体的反压阻挡力3 568 kN/m，故路堑开挖不是滑坡产生的主要因素。

综合上述分析可知，地形地貌、地层岩性与结构是滑坡产生的内在因素，持续降雨增加了坡体重量、软化了岩土体，使得抗剪强度降低，是诱发滑坡产生的决定性因素。

根据滑坡发展过程和现场调查资料，滑坡体中后部先发生错动破坏，中前部出现多道鼓胀裂缝，形成的台地有局部反倾迹象，而后中前部发生推移式破坏，前缘隆起现象严重，根据滑坡受力状态综合判断，该滑坡属于推移式滑坡[4]。

2 滑坡稳定性分析与评价

2.1 滑带土参数选择

滑坡稳定性计算参数以原状土样室内试验结果为依据，采用反算法计算饱和状态下强度参数，再结合地区经验对参数进行适当调整，最终确定c、φ及γ值，见表1。

表1 滑带土力学参数

2.2 滑坡稳定性计算及评价

滑坡稳定性计算分析考虑3种工况，即天然状态、饱和状态、地震状态[5]，安全系数分别为1.3、1.2、1.15。根据地质勘察资料，通过潜在边坡区的破坏边界条件和可能失稳方式确定最危险滑动面，选取如图1所示1-1′、2-2′、3-3′三条主滑剖面作为计算断面，采用传递系数法，计算滑动带剪出位置为河道附近(原滑面)及开挖边坡坡脚(潜在滑动面)，对3-3′主滑面建立条分法剖面，如图2所示。

图2 条分法3-3′剖面

滑坡现状及开挖路基后各断面的稳定性计算分析结果见表2。

表2 不同工况下滑坡稳定性计算结果及评价

综上所述，该滑坡整体在天然和饱和状态下处于基本稳定-稳定状态，但在地震状态下处于不稳定状态；当路基再次开挖后，潜在滑面剪出口位于路基坡脚处，该处滑面在天然和饱和状态下处于欠稳定-基本稳定状态，在地震状态下处于不稳定状态。因此，需对该滑坡进行加固治理。

3 滑坡综合治理

结合现场地勘、调研与稳定性分析，按照“综合治理、因地制宜、便于施工、节约投资”的原则，对滑坡进行综合治理。由于滑坡体波及范围外的桥梁涵洞等均已建成，若采用改线方案，需改移路线1 685 m，废弃已建工程，新增总造价高达1.53亿元，因此摒弃改线方案，采用抗滑桩治理方案。

3.1 组合圆形抗滑桩与矩形抗滑桩对比分析

将组合圆形抗滑桩和传统矩形抗滑桩进行方案比选，具体对比分析如下。

1)受力对比

根据刚度相等的原则，将直径1.8 m的组合圆形抗滑桩与1.5 m×2.2 m的矩形截面抗滑桩采用悬臂桩法计算得知，桩顶位移分别为14.2 mm、13.5 mm，桩身最大弯矩值分别为38 435 kN·m、40 176 kN·m。计算结果与文献[6-9]研究结果基本一致，即与等截面抗弯刚度矩形桩相比，圆形桩的桩顶位移约为71%～91%、截面弯矩约为43%～104%、相同高度处滑坡推力约为44%～98%；圆形桩土拱现象相对不明显，但受力过程中传力更均匀，对桩底嵌固端强度要求更低。

2)经济对比

组合圆形抗滑桩在受拉侧配置工字钢以承受大部分滑坡推力[10]，减小抗滑桩截面尺寸，降低滑坡治理工程规模；同时以冠梁连接各抗滑桩形成门架结构，使抗滑桩受力更均匀。组合圆形抗滑桩工程造价为2 868.2万元，较矩形抗滑桩治理方案节约16.9%，具有较好的经济效益。

3)施工对比

传统矩形截面抗滑桩通常采用人工开挖，施工周期长，在雨季施工和爆破施工时作业人员安全无法得到保障[11]；圆形截面抗滑桩采用旋挖钻机施工，成孔效率高，施工工期短，安全风险小，对土层扰动小，孔径选择方便灵活。

综上所述，组合圆形抗滑桩受力更均匀、工程造价更低、施工更安全高效，故本滑坡治理工程采用组合圆形抗滑桩。

3.2 组合圆形抗滑桩综合治理方案

1)清方卸载

由于该滑坡体积巨大，路堑通过滑坡体前缘，最大剩余下滑力较大，为降低滑坡治理成本，采用先在滑坡后缘卸载17.9万m3，再用抗滑桩进行综合治理的方案。

2)剩余下滑力计算

结合滑坡整体稳定系数及下滑推力，增加滑坡中后缘卸载和路基开挖后稳定性验算，各断面的稳定性计算分析结果见表3。

表3 卸载后不同工况下滑坡剩余下滑力计算

综上可知，滑坡在卸载及路基开挖后的稳定性满足要求，滑坡整体稳定；在地震状态下，原滑面最大剩余下滑力为404.1 kN/m，潜在滑动面最大剩余下滑力为1 164.7 kN/m，处于基本稳定状态。

3)抗滑桩设计

作用于抗滑桩处的推力计算采用桩后滑坡推力减去桩前抗力，桩前抗力采用滑体处于极限平衡时的推力和桩前被动土压力的小值。抗滑桩所受推力见表4。

当然，更重要的是，我们要从文化素养和道德建设的层面，深刻反思中华民族优秀文化传统所出现的严重断层，华夏千年礼仪之邦，如今竟至斯文扫地，四处丢丑，乃至遭人蔑视。说到底，如今整个社会道德水准亟待提高，造成这种现状的原因很复杂，全社会都有责任。二十年前，我曾与著名社会学家金耀基教授进行过一次有关中华文化的对话，他的一句名言令我至今难忘：“二十世纪初的中国人曾经看不起中华文化，然而一路扫荡下来，到了二十世纪末，中国人已经看不见中华文化了！”这是多么痛彻而严酷的现实啊！

表4 抗滑桩所受推力计算结果

根据作用于抗滑桩处的推力计算结果，考虑到滑坡尚处于压密固结阶段，为防止原滑面蠕滑后造成路基变形破坏，在抗滑段的路基靠山侧一级挖方平台处设置99根直径1.8 m的组合圆形抗滑桩，间距4.5 m～5 m[12]，桩长32 m～34 m；同时抗滑桩用冠梁连接以增强整体支挡能力[13]。经越顶验算，该处抗滑桩不会发生滑坡越顶。抗滑桩布置如图3所示。

(a)平面布置

抗滑桩在靠山受拉侧配置3根20b工字钢，以承担滑坡体的推力，减小抗滑桩截面尺寸，减少钻孔工程量，加快施工进度。抗滑桩横断面配筋如图4 所示。

图4 组合圆形抗滑桩断面

4)排水措施

(1)在滑坡体后缘5 m外设置环形截水沟，引排山坡地表水；(2)在后缘滑面处设置1道横向渗沟，截排山体层间水；(3)在滑坡体中间设置1道纵向盲沟，连接横向渗沟和堑顶截水沟；(4)在一级边坡设置Φ11.6 cm仰斜式排水管，引排坡体中的地下水；(5)在路基靠山侧2 m外设置纵向渗沟；在路床底每间隔20 m设置1道横向渗沟，将地下水汇入路基纵向渗沟排出；(6)将滑坡范围的低洼区域整平、地表裂缝封填夯实，防止地表水下渗。

5)施工安全监测