稳定性分析及抗滑桩技术在滑坡治理中的应用

2023-08-03高淑霞

甘肃科技 2023年6期

高淑霞

（天水市公路管理局，甘肃天水 741000）

1 引言

稍子坡至平南通乡公路位于甘肃省天水市秦州区境内K0+563—K0+603段，路段右侧为填土路基边坡，未做任何防护处理。长期降水及地表水下渗，导致该段路基下沉，逐渐沿原始地层接触面变形并产生滑移，最终形成路基滑坡，导致交通中断。滑坡体物质在地表水流的作业下，形成小型泥石流，顺坡流下，威胁坡脚下公路的行车安全，须及时治理。文章将结合实际工程，简单阐述如何采用不完全平衡应力传递系数法对边坡处理完成后留下的路基进行动态稳定性计算分析，并通过地质勘察和现场检测，制定出抗滑桩滑坡治理方案的过程。

2 滑坡灾害成因分析

2.1 地形地貌条件

该段填方路基处于山谷斜坡上，上坡平均坡度为62°～75°,下坡平均坡度为28°～35°。滑坡体中部为厚10 m的长条状山体，宽约25 m，长40 m，滑坡后壁裂缝较大，张开度达1～2 m，坡体物质为碎石土，坡体树木呈现向下倾斜的趋势。滑坡处路基位于坡沟上部，地势高差较大，相对高差约80 m，平均坡度较大，是典型的斜坡路基，集水面积大，而且路基开挖后解除坡体上的压力，因此，为路基的变形和滑移提供了很好的地形条件。

2.2 地质条件

勘探区位分布于断陷盆地区域内，沉积含巨厚棕红层泥岩，局部地区为中薄油页岩层，地表风化带间隙过度发育，导致下部岩体易破碎，遇渗水条件易出现软化解体。土体具有承载力极低、抗扭剪强度低、高压缩性和高敏感度的明显特性。这种软质地层也是最典型的滑性地层，是路基滑移形成的必要地质条件。

2.3 降雨因素

项目所在区域降雨量大且集中，雨水的渗入不仅降低了土壤的抗剪强度，还增加了滑重。特别是夏季连续强降雨，渗入软岩和土壤中，是导致路基滑坡的重要诱因。原地层为泥岩风化层，雨水渗入下部泥页岩风化层形成的软质防水层，上部软质充填土变得不稳定，沿原地层接触面滑移。

2.4 地震因素

陇南地区震中点附近以外的其他区域降水较多而未出现更大规模强烈地震，本路工程项目所在地公路正处于极强的地震作用带位上，尤其当遭受到“5.12”大型破坏性地震的影响，公路地面及路基两侧边坡体因破坏性地震作用，在出现明显方向发生急剧变化的应力作用下，破坏该公路坡体结构应力的分布及其平衡，造成边坡地表结构可能出现较大应力、变形的损失及结构严重断裂，非常有可能产生雨雪及冰融水流层的渗透，降低工程岩土力学强度指标和岩土结构质量指数，进而导致工程地下水径流条件发生改变，导致公路路基损毁。

2.5 其他原因

车辆荷载长期作用、坡体上部居民生活垃圾倾倒堵塞排水系统，以及路基填料压实均匀性差也是诱发路基病害的重要因素。

综上所述，造成此次路基滑坡的主要原因及诱发因素为：

（1）主要因素是不利的地形和较差的地质条件，该路段填方路基位于山坡、沟谷，下部泥页岩风化层为易软化防水层。

（2）填土抗剪强度降低，尤其是随着靠近软泥岩边坡顶部处的较强风化层强度系数的明显降低、土体稳定性变得不稳定，为路基抗滑坡特性的有效形成提供了为有利条件。滑坡纵向长度约40 m，方量约6 000 m3。

（3）连续降雨，雨水在沟壑处聚集，渗入该滑坡段路基填土内部，增加了填土的重力，从而诱发了路基滑坡。

3 稳定性分析

3.1 路基沿软弱层滑移稳定性分析

分析现有路基结构的诱发变形类型和诱发破坏基本形式特征为诊断条件，后缘断面呈圆锥形，滑坡体边缘呈细长条状，后缘裂缝发育明显，坡体构造上坡陡、中下坡缓，坡积体较为松散，下隐伏于新近系风化的松散泥岩，泥岩表面遇潮水后软化，形成具有一定宽度的隔水泥层，尤其是分析路基范围内裂缝结构的发展演变和诱导变形机理以及以往引起诱发破坏变形类型的3个主要触发因素，初步能判断路基滑坡后的堆积体处于不稳定状态，残留的路基填土可能逐渐滑坡，需要及时治理。

3.2 回填处理后的稳定性分析

3.2.1 计算方法

该次滑坡之滑动坡顶面呈折中曲线型，使用《公路路基设计规范》（JTG D30—2015）传递系数法进行滑坡推力的计算[1]。

滑坡剩余下滑力计算公式如下：

式中：Ti、Ti-1—第i和第i-1滑块剩余下滑力（kN/m）；

Fs—稳定安全系数；

Wi—第i滑块自重力（kN/m）；

αi、αi-1—第i、第i-1滑块对应滑面的倾角（°）；

Ψi—传递系数；

Φi—第i滑块滑面内摩擦角（°）；

Ci—第i滑块滑面岩土黏聚力（kN/m）；

Li—第i滑块滑面长度（m）。

3.2.2 计算参数分析选用

本次取值主要采用极限平衡反算法和当地经验值综合分析确定[2]。

第一种情况：由于该路基属于陡坡路基，选定最不利滑移面为现路基滑坡面。由于路基在连续降雨工况下发生了滑坡，取暴雨工况下的滑坡稳定系数0.98进行路基填筑土内部滑移面参数反算得出：

自重力为21.5 kN/m，黏聚力为10 kN/m，内摩擦角为20.5°。

第二种情况：路基重新填筑后，选择最不利潜在滑移面为泥岩中风化与强风化交界面。不考虑加筋土及开挖台阶及换填天然砂砾对岩土体的抗剪强度指标的改善，取暴雨工况下的安全系数1.0进行路基填筑土参数反算得出：

自重力为20 kN/m，黏聚力为10 kN/m，内摩擦角为18.7°。

此次路基稳定性分析是在路基重新填筑、支挡措施施工完成的基础上进行的，岩土体的抗剪强度指标需考虑到潜在滑面分台阶开挖及换填天然砂砾、土工格栅铺筑以及防排水等措施的影响，对反算的内摩擦角进行调整。本次稳定性计算中的抗剪强度指标中岩土体的黏聚力及内摩擦角采取反算值，不进行调整。

3.2.3 计算条件

①荷载组合。自重:整个潜在滑移体的自重；水作用力：考虑暴雨对滑移体稳定性产生的影响。

②工况组合。

采用以下工况对路基稳定性进行计算。

正常的工况：投入商业运营多年后出现的路基病害频繁地发生或者是持续施工时间相对较长造成的特殊工况；

非正常工况Ⅰ：边坡处于暴雨或连续降雨情况下的工况；

非正常工况Ⅱ：边坡处于地震等荷载作用状态下的工况。

3.2.4 计算结果与评价

根据工程等级、路基滑坡产生的各种危害性情况和施工人员对路基滑坡易诱发交通事故的其他各种有害因素等基本认识程度，路基滑坡稳定安全系数的取值方式如下：

现阶段正常工况条件下安全系数采用1.30，非正常工况下Ⅰ采用1.20，非正常工况下Ⅱ采用1.10，地震重要性修正系数取为1.30。

依据各方案的边坡情况，计算路基填筑后的各工况下边坡的稳定性系数及剩余下滑力见表1。

表1 陡坡路基稳定性计算结果一览表

陡坡路基填筑后，支挡处仍有一定的下滑力，路基边坡存在不稳定现象。为抵抗剩余下滑力，保证填筑路基稳定，拟采取抗滑桩支挡。

4 路基滑坡处治方案

4.1 应急方案

（1）两侧改移道路，形成临时便道；

（2）加强临时观测，建立地表临时监测系统,派专人巡视；

（3）建立临时安全措施，包括临时标志牌和防护栏；

（4）建立临时排导措施，使沟内地表水及时排出坡外。

4.2 治理设计（坡脚抗滑桩板墙）

（1）在坡脚上还设置一排桩板墙，其中各设有抗滑桩板墙8根，尺寸约是2.0 m×1.6 m×20 m，锚固桩板长度为约是12 m，抗滑桩墙的桩中心间距大约为5 m。桩座间墙与地基桩面墙之间均需配合布设预制挡土板，板总高2 m，板厚0.4 m，共7块，挡土板上布置泄水孔，水平间距3 m，竖向间距2 m，直径5 cm。

（2）路基右侧设一级边坡，坡率1∶1.25，坡高8.0 m，平台宽2.0 m，平台设计排水沟；坡顶设计排水沟，尺寸为0.4 m的矩形排水沟，长100 m。

（3）为防止墙前坡面垮塌对桩稳定性造成影响，桩前设置一平台，以便于施工，宽度4 m，施工结束后平台采用15 cm厚C20混凝土进行硬化。对桩前坡面进行修整、夯拍，保证坡面平顺、稳定，坡率1∶2。

（4）挖除滑坡残余的路基填土后对滑移路基重新夯实填筑，为增加填筑后路基整体稳定性，采用加筋土分层填筑，木工格栅间距0.6 m，格栅采用双向格栅，搭接宽度20 cm，用细铁丝绑扎填筑至原设计标高后重铺路面及恢复交通。

（5）为及时引排地表水，在路基填土下部设置一道横向钢波纹管涵，埋深约1.3 m，管径1.5 m，长8.5 m，管涵坡率2.5%，路基左侧设置落水井2.6 m×1.95 m，深3.6 m，上接坡面截水沟及排水边沟，下接钢波纹管入水口，钢波纹管出水口处接坡面急流槽1.5 m×8.5 m，将地表水引入桩顶平台排水沟，平台排水沟内设置5根管径20cmPVC落水管，间距10cm，在桩板墙下部留有PVC管出水口，将地表水排至坡面急流槽即可。

为引排地下水及路基含水，在路基填土下部岩土交界处布设三道渗沟，岩土分界面开挖台阶后回填30 cm厚天然砂砾，渗沟内汇水通过桩板墙底部排水口排出路基，将水排至坡面急流槽内，坡面急流槽直通下部G316公路涵洞将水排出。

（6）对损毁的边沟进行重修，将坡体汇水引排至道路左侧边沟内排至落水井内，通过钢波纹管涵排出接坡面急流槽，填方平台设平台排水沟，排水沟中部相应位置接竖向PVC管联通至桩板墙下部急流槽。

5 施工工序及技术要求

5.1 施工工序

总体施工顺序：清运塌方→施工准备→桩孔开挖→地下水处理→护壁→钢筋笼制作与安装→混凝土灌注→混凝土养护→路基填筑→恢复路面及交通安全设施→排水工程[3]。

（1）清运塌方。土方清理时，应有专人观察塌方处。如发现斜坡移动或失去稳定性，应立即通知作业人员撤离至安全区。在土方清理过程中，严禁破坏原有承载层，避免超挖。

（2）施工准备。按工程要求备料，钢筋应专门建库堆放，使用普通硅酸盐水泥。

（3）桩孔开挖。桩孔以人工开挖为主，采用间隔方式由深至浅、由两侧向中间的顺序施工。

（4）地下水处理。桩孔开挖过程中应及时排出孔内积水。

（5）护壁。桩孔开挖过程中应及时进行钢筋混凝土护壁，采用C20砼，护壁的单次高度一般为1.0～1.5 m。

（6）钢筋笼的制作与安装。钢筋笼要在孔外预制成型，在孔内吊放竖筋并安装，竖筋接头采用双面搭接焊等。

（7）混凝土灌注。待灌注的桩孔应经检查合格；当孔底积水厚度小于100 mm可采用干法灌注；桩身混凝土灌注应连续进行，不留施工缝，每连续灌注0.5～0.7 m时应用振捣器振捣密实一次。

（8）混凝土养护。对露出地表的抗滑桩应相关规定进行养护，养护期应在7 d以上。

（9）路基填筑。填筑路基时待抗滑桩成桩后养护达到该强度后方可进行挡土板吊装，边吊边回填，分层填土、碾压夯实，严禁倾填。

（10）恢复路面及交通安全设施。路基完成后及时恢复路面，路面结构参考原路面，设置相应的交通安全设施。

（11）排水工程。及时做相关排水工程，应提前实施不影响路基填筑的排水工程，必要时增设临时排水设施。确保排水顺畅，严禁工作面积水。

5.2 技术要求

5.2.1 抗滑桩

①抗滑桩应尽量保证能够按所给定点的坐标进行及时准确的定位。

②抗滑桩在施工完成前，应对其桩身和附近陡峭的土边坡处或最易发生崩塌滑坡危险的近地表部位等采取加固措施，截留其桩身以及附近边坡的地表水。

③抗滑桩应根据单桩或双桩开挖的具体地质条件，按锁板及各段墙体设计。

④抗滑桩工程一般应一次进行或者单独做一次混凝土开挖，每隔一节墙体混凝土开挖的最大深度一般宜控制为约1.0 m，开挖混凝土后这一段工程应尽快就地做好改节墙体混凝土护壁，待第一节墙体混凝土强度达到规定的一定墙体混凝土强度范围要求后，方可再进行混凝土开挖下一节。为保证工期，墙体应添加速凝剂。墙体内外各单节的纵向钢筋都必须全部焊接牢固，禁止使用简单机械捆扎。

⑤在浇筑护壁混凝土桩砼的时候，务必严格保证混凝土护壁钢筋不在侵入混凝土桩截面净空半径以内。开挖基坑过程作业中也应确保随时校准打桩基坑断面的水平垂直度标高和地面净空尺寸。

⑥应将动态地质设计施工的管理思想贯彻在抗滑桩基坑施工设计中，在施工开挖桩基孔桩的基坑过程管理中，地质人员也要定时到开挖基坑的底部现场进行现场地质工作盘点，检查其地层岩性结构和滑动面位置，如检查发现情况与原来设计意见不符，应积极与施工设计专业人员及地质监理单位工程师取得联系，以便能够及时重新进行勘察设计内容的修改。

⑦桩坑在挖高至达到设计标高后，应该重新开展验底槽工作，以便继续保证封底的厚度。

⑧桩身混凝土应边振边填，整桩混凝土浇筑应不间断。

5.2.2 预制挡土板安装

①在处理桩体开挖前产生的扰动岩土时，必须先在待被开挖部位桩身混凝土强度达到基础混凝土的设计荷载使用最大强度范围内的75%以上后，才被许可再进行挡土板基础施工。

②应根据设计的型号要求对挡土板实施安装。运输、吊装挡土板时，需要提前特别设置固定好支点螺栓和起吊点，为安全防止挡土板或桩身挡板的受损，应避免发生强烈地面震动碰撞与地面摔打。

③挡土板施工时应严格控制垂直度，抗滑桩中心间距5 m，挡土板长度4.8 m，吊装时两侧预留0.1 m间隙，并使挡土板外露面平整。

④在竖桩的前端挡土板已完成浇筑施工作业后，应对桩身两端和前端挡土板连接处同时进行钢筋混凝土二次灌注，确保前端挡土板两端与整个桩身间的连接保持紧密整洁。

⑤将挡土板置于平整稳定的原始地层之上。

5.2.3 墙后填筑

①当桩柱身强度达到抗震设计要求标准后，墙的后段填筑保护层和反弹滤层后才可以正式进行施工。填料层的结构质量性能和表面密实度等必须严格满足设计图纸要求。

②桩板墙后反滤层采用袋装砂砾，厚度50 cm、高8 m、长40 m。