微型桩技术在堆积层滑坡应急处置中的应用<br/>——以湖北英山县石鼓寺滑坡为例

微型桩技术在堆积层滑坡应急处置中的应用
——以湖北英山县石鼓寺滑坡为例

2023-12-26穆景超陈慧娟

华南地质 2023年4期

毛帅，邹浩，穆景超，王超，陈慧娟，胡聪

1.湖北省地质局第三地质大队，湖北黄冈 438000；2.鄂东北区域性地质灾害防治研究中心，湖北黄冈 438000；3.资源与生态环境地质湖北省重点实验室（湖北省地质局），湖北武汉 430034

滑坡是黄冈地区主要地质灾害类型，每年汛期新发生的地质灾害中有80%是滑坡（邹浩等，2017）。滑坡发生后如不进行妥善的应急处置，往往会进一步发育，造成更大的危害，同时增加后期的治理成本。当前对滑坡进行应急处置的常用手段主要有削方减载、挡土墙、格构工程、挂网喷砼等，此类工程技术手段具有对施工场地要求高、施工工期长、造价高、材料用量大且倒运麻烦等问题（刘卫民等，2007；刘凯等，2008）。相比之下，近年来受到人们广泛关注的微型桩技术具有灵活便捷、耗费时间短、对环境影响小、治理效果好等显著优势。

微型抗滑桩（群）由意大利学者Lizzi于20世纪50年代提出，随着钻探技术的发展，被广泛应用于边坡的应急处置工程（Lizzi，1971；Zienkiewicz et al.，1975；Bruce et al.，1995；孙书伟，2015；裴振伟等，2021）。贠正利等（2019）通过微型桩群在高位滑坡应急治理中的实例分析，认为微型桩群治理高位滑坡可达到快速稳固滑坡的目的，其技术可行、施工便捷、支挡效果明显。众多研究者通过对微型桩在滑坡应急处置中应用实例分析，论证了微型桩在工程抢险中工期短、工艺简单等优点（蒋权翔等，2016；鲁志强和帅品南，2021）。在微型桩排列组合研究方面，牛文庆（2016）通过模型试验研究了“人”字形、平行体系两种微型桩组合体系下的土压力及桩身内力情况，得出了“人”字形体系微型桩组合整体性能优于平行体系微型桩组合的结论。大量研究者从微型桩选取位置、桩长、桩截面、桩间距四个方面进行了论述，提出了具体的方法理论（程林林和龙娇，2018；郭爱国等，2019）。张少卫和杨帆（2017）认为在合理的桩间距、排间距和锚固深度的情况下,当滑体的含水率在10%左右时3 排桩的加固效果比较好。王孝哲和刘林林（2020）、刘凡和刘志伟（2021）认为倾斜微型桩群加固堆积层边坡较垂直微型桩支护效果更为明显，且倾角为60°时效果最佳，最优支护方案倾斜微型桩群与桩前土体协同变形。一些学者研究了微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律，结果表明双排微型桩承受的滑坡推力主要集中在滑面以上1/3 桩身范围内，桩间距为桩直径的5 倍时，桩群承受的滑坡推力最大（胡时友等，2018；黄勇军等，2021；马鹏杰等，2023）。陈光平（2021）对比分析了均质土坡与土岩二元结构边坡微型桩群在不同峰值加速度工况下的动力特性。微型桩在膨胀土滑坡治理中应用时，一些学者给出了便于设计加固方案时采用的参照系数及其取值范围（韦晨等，2019）。刘兵民和孙慧峰（2017）阐述了微型桩复合地基受力特点,特别强调了桩间土侧限和桩土共同作用的重要性。在微型桩力学计算方法上面，牛岩和张良发（2022）将多排桩等效为一排桩进行力学计算，化繁为简，提高了计算效率和精度。

微型桩种类繁多，常见为独立型、框架型、顶板型及空间网状型。因单桩抗弯能力有限，因此在滑坡治理中通常采用梅花联排的方式布置；微型桩桩顶一般设置连系梁，将微型桩横向纵向呈网状连接起来，采用混凝土进行整体浇筑，使得整体抗弯能力增强，且可与土体形成整体进行抗滑，抗弯效果进一步提升。微型抗滑桩（群）具有形式多样、施工方便、扰动小、作业面小、机械化程度高、工期短、见效快、成本低且可有效揭露地质体等优点，有助于准确判断滑动面位置，并且微型桩应用灵活，可以和挡土墙、格构锚固等工程组合使用，发挥综合抗滑作用。微型抗滑桩适用于各种类型的中小型边（滑）坡的应急处置，尤其适用于松散堆积型土质滑坡或岩石比较破碎的岩质滑坡。需要注意的是，微型抗滑桩（群）也有局限性，由于需钻孔灌注，因此不适用于岩质坚硬的岩质滑坡或孤石较多不易钻进的岩土混合滑坡（周德培等，2009；邹浩等，2021）。同时因桩长细比较大，截面较小，抗剪抗弯能力有限，微型抗滑桩（群）不可单独应用于超深层、下滑力大的大型和巨型滑坡治理。

本文以英山县石鼓寺滑坡应急处置方案为例，阐述微型桩技术在滑坡应急处置中的应用和主要技术方法，这对微型桩技术在黄冈地区的小型土质滑坡应急处置中的推广应用具有示范借鉴意义。

1 地理与地质背景

石鼓寺滑坡位于英山县吴家山林场石鼓寺后山，距英山县城约50 km（图1）。滑坡区属长江中下游北亚热带湿润季风性气候，年平均降水量为1462 mm，日最高降雨量220 mm。滑坡区位于构造剥蚀中山-低山区，海拔高程一般在500～1729 m，地形切割深度200～400 m，坡度多在25°～45°。区内山顶多呈微凸状，河谷、冲沟较为发育，植被茂密。

图1 英山县石鼓寺滑坡位置示意图Fig.1 The location of Shigushi landslide in Yingshan County

该区域发育古生界佛岭寨单元（PzF）、第四系崩积层和残坡积层（Q4col+dl）。古生界佛岭寨单元露头主要分布于坡顶，岩性为片麻状黑云二长花岗岩，岩石风化面为浅灰色，新鲜面为灰色，粒状变晶结构，弱片麻状构造。第四系崩积层和残坡积层广泛分布于斜坡表层，主要为粘性土夹碎石块，杂色，松散，主要物质来源为强-全风化黑云二长花岗岩。

滑坡区内岩土体按工程地质岩组划分为第四系松散土体、坚硬-较坚硬花岗岩两大工程地质岩组。第四系松散土体岩组主要分布于坡体表层，由第四系冲积、冲洪积、坡残积粉质黏土、粉质黏土夹碎石、碎石夹黏土、黏土、砂砾卵石、砂等岩土组成，岩土体粒度不均，结构松散，易饱水软化。坚硬-较坚硬花岗岩岩组分布于坡顶，主要为片麻状黑云二长花岗岩，坚硬、性脆，抗风化能力较强，力学强度高，干抗压强度87.72～120.82 MPa，以刚脆性变形为主。滑坡区孔隙水主要有松散岩类孔隙水和基岩裂隙水两类。松散岩类孔隙水主要分布于冲沟和坡表，地下水位埋深2～3 m，水位埋深随季节变化。基岩裂隙水赋存于黑云二长花岗岩裂隙中，该含水岩组富水性差，水量极小。

区内人类工程活动较为强烈，主要为建房切坡、修路切坡、旅游项目开发等，改变了斜坡结构，对地质环境影响较大。

2 滑坡基本特征

滑坡平面上呈圈椅状，主滑方向165°，与坡向基本一致（图2）。剖面形态呈阶梯状，前缓后陡，整体坡度40°。滑坡左翼以山脊为界，右侧以冲沟为界，剪出口位于石鼓寺后部受损挡墙的中部，后缘以滑壁为界。滑坡具有明显的牵引式特征，滑坡首先从前缘薄弱部位剪出，形成初级滑坡，进而使后缘及周围斜坡失去支撑发生变形滑动，滑坡的范围和规模进一步扩大。

滑坡前缘高程约838 m，后缘高程约870 m，高差约32 m；滑坡纵向长55 m，宽45 m，面积2475 m2，平均厚度7.5 m，体积18562.5 m³，属于小型土质牵引式滑坡。滑体主要为第四系崩积层和残坡积（Q4col+dl）碎块石土，土石比9：1～8：2，松散，硬塑。碎块石成分主要为黑云二长花岗岩，碎块石直径2～50 cm，最大达2 m，呈棱角状。滑带发育于第四系残坡积层碎石土层中错动带，滑面剖面上呈弧形，滑床为第四系残坡积层碎石土。

滑坡主要变形特征为：滑坡后缘下错形成滑坡后壁高度近2～3 m，坡度约50°～60°，滑坡后缘多处块石崩积物局部悬空，随时有崩落的可能。坡体中后部可见多棵倾斜的“马刀树”。滑坡两侧出现剪切裂缝，裂缝宽0.2～0.5 m，深0.5～1 m，走向140°～155°，造成坡体上的截水沟被剪断，错断距离0.5～0.8 m。滑坡前缘干砌块石挡土墙发生明显鼓胀变形，变形部位相对地面高1.9 m，该部位挡土墙向外鼓胀变形约0.8 m，造成墙前房屋出现裂缝。滑坡发生后，设置在滑坡中部、前缘的两个监测点（1#、2#）显示（图3），2020 年7 月18 日累计位移量分别为165 mm、172 mm，且单日位移速率呈明显增大趋势。

图3 石鼓寺滑坡累计位移量和日降雨量图Fig.3 Accumulated displacement and daily rainfall map of Shigushi landslide

3 滑坡稳定性分析

稳定性计算模型主要根据滑坡I-I′剖面（图4），结合地质条件和滑坡变形破坏特征确定滑坡稳定性的计算模型（图5）。

图4 石鼓寺滑坡应急处置工程剖面布置图Fig.3 Section layout of Shigushi landslide emergency treatment works

图5 石鼓寺滑坡不平衡推力计算条分图Fig.5 Strip diagram for calculation of unbalanced thrust of Shigushi landslide

根据滑坡的地质背景和形成机制，稳定性计算分以下两种工况：

工况Ⅰ：天然工况，考虑滑坡体在现状条件下不受外界因素的影响。

工况Ⅱ：暴雨工况，考虑在滑坡区遭遇暴雨时，地表排水工程失效造成降雨下渗使潜在滑坡体重量增加。

根据《滑坡防治工程设计规范》（GB/T 38509-2020）（国家市场监督管理总局和国家标准化管理委员会，2020）确认该防治工程为III 级，工况Ⅰ安全系数取1.2，工况Ⅱ安全系数取1.15。本次滑带土的物理和力学指标依据滑坡勘查测试成果、当地经验和参数反算分析综合确定。天然状态（工况Ⅰ）：重度γ=19.2 kN/m3，粘聚力c=17.5 kPa，内摩擦角φ=15.5°；饱和状态（工况Ⅱ）：重度γ=22.0 kN/m3，粘聚力c=15.2 kPa，内摩擦角φ=14.3°。本次稳定性计算公式采用不平衡推力传递法，使用理正软件计算。经计算，次级滑坡天然工况下，稳定性系数为1.053，处于基本稳定状态；暴雨工况下，稳定性系数为0.986，处于不稳定状态。一级滑坡天然工况下，稳定性系数为1.119，处于基本稳定状态；暴雨工况下，稳定性系数为0.995，处于不稳定状态（表1）。

表1 石鼓寺滑坡稳定性计算结果Table 1 Stability calculation results of Shigushi landslide

综合滑坡现场调查、工程勘察、稳定性计算以及滑坡监测等，石鼓寺滑坡处于不稳定状态，在暴雨等不利条件下，将加速下滑。该滑坡为牵引式小规模土质滑坡，且位于半山腰，具有较大的势能，一旦滑动将形成高速远程滑坡，对坡下石鼓寺造成严重威胁。且滑坡表层分布大量的块石崩积物，一旦失稳滚落，将直接威胁坡下500 m范围的人民群众生命财产安全。综上，对滑坡须采取应急处置工程，防止其进一步变形失稳。

4 微型桩应用分析

4.1 应急处置难点

（1）滑坡稳定性差，时间紧急。滑坡当时处于不稳定状态，根据监测显示该滑坡每天均在发生位移（图3），随时可能发生失稳。应急处置工程应尽早实施，且工期不宜过长，应急工程应以最短的时间发挥实效，提高滑坡的稳定性；同时应急工程应尽可能降低对滑坡的扰动，这要求工程设备应轻便，工程措施不宜对坡体岩土进行挖填等。

（2）空间狭窄，运输困难。滑坡区仅能通过石鼓寺景区内部石阶道路通往山下公路，运输材料设备等只能依靠人工转运，运输条件比较差；大型机械设备无法进入滑坡区；施工空间狭窄，石鼓寺古庙不能拆移；原挡土墙不能拆除，否则滑坡失去支挡将失稳滑动。

4.2 总体思路

结合该滑坡的稳定性分析结果和应急处置的难点分析，应急处置工程应具备轻便灵活、机械化程度高、工艺简单、安全可靠等特点。应急处置分三步：第一步，立即采取微型桩工程稳固滑坡，阻止滑坡进一步下滑；第二步，拆除原受损挡土墙，在原址新建钢混结构挡土墙；第三步，清除坡体危岩体，完善滑坡截排水沟，恢复坡体植被和生态环境。

4.3 具体方案设计

4.3.1 滑坡推力计算

采用稳定性分析计算的滑坡模型，岩土体计算参数选用暴雨饱和状态（工况Ⅱ）参数值：γ=22.0 kN/m3，c=15.2kPa，φ=14.3°，计算方法采用传递系数法，计算得出主滑方向上滑坡剩余下滑力为224.95 kN/m。

4.3.2 布设位置选取

微型桩一般布设在滑坡的中前部的阻滑段，以最大化发挥阻滑段的作用，减少工程投入，降低工程成本；还需要考虑地层性质和地形地貌，结合地质勘查资料，应选岩性便于钻进，孤石较少的部位，地形上应尽可能平缓，减少施工便道投入；选取滑动面倾角和滑体厚度小的部位。综上，结合滑坡推力计算结果和石鼓寺滑坡地形地貌情况，选取在滑坡中前段，前缘坡脚平距10 m 的平台上布设两排微型桩，共计42根（图4、图6）。

图6 石鼓寺滑坡应急处置工程平面布置图Fig.6 Layout plan of Shigushi landslide emergency treatment works

4.3.3 桩截面的选取

根据传递系数法计算得到滑坡的剩余推力：

En=224.95 kN/m

根据《抗滑桩治理工程设计规范（试行）》（T/CAGHP 003-2018）（中国地质灾害防治工程行业协会，2018），微型桩间距一般取0.5～2.0 m，本次桩的间距按1.0 m考虑，桩的排数为2排，呈“品”字形布置。钢筋选用工字钢，取钢筋的抗拉强度设计值fs=335 N/mm2。因为是永久工程，安全系数Ks=1.80。

计算得出每根桩应该配置的钢筋平均截面面积为：

式中，Ks为钢筋截面设计安全系数；n为微型桩布置排数；Tn为微型桩应承担的侧向力；fs为钢筋的设计强度值。

根据计算结果，结合微型桩设计规范和类似工程经验选用微型桩截面直径（D）为150 mm，内置钢筋采用I10热轧普通工字钢，采用M30水泥砂浆注浆，满足设计要求（图7）。

图7 微型桩断面图Fig.7 Section of micropile treatment works

4.3.4 微型桩长度

微型桩的受力较为复杂，在滑面处除主要承受剪力外，还有弯矩和轴向拉力，随着变形增大，当桩身发生开裂后，钢筋所受的拉力逐渐增加，如果微型桩的桩长不足，在钢筋拉力的作用下，就可能发生类似锚杆被拔出的破坏。为了避免由此类破坏引起微型桩失效，在进行微型桩的设计计算时，必须对微型桩的抗拔力（即锚固力）进行验算。微型桩的锚固长度（L）可按下列公式计算，并取其中的较大值：

式中：As为钢筋截面面积，I10 工字钢截面面积为1430 mm2；K为安全系数，选取1.8;qt为水泥结石体与岩土孔壁间的粘结强度设计值；n为钢筋根数；d为单根钢筋的直径;ξ为折减系数，取1.0；qs为水泥结石体与钢筋间的粘结强度设计值。

微型桩嵌固段长度为6.5 m，滑体厚度8.0 m，微型桩露出地面0.5 m，以便于设置桩顶连系梁，故单根微型桩设计总长度平均为15.0 m（图8）。总桩长满足规范对微型桩嵌固段长度大于1/4总桩长的要求。在工程实施过程中，根据钻探工作对地质体揭露的变化情况，做好地质编录。当滑带土埋深有较大变化时，适当调整桩长，以满足工程技术要求。

图8 微型桩结构示意图Fig.8 Schematic diagram of micropile structure

4.3.5 连系梁设计

为提高微型桩的整体抗性，在微型桩顶部设置连系梁，连系梁宽1.55 m，高0.5 m，每排桩采用一根I10 工字钢焊接，两排桩之间通过I10 工字钢连接，形成稳固的三角形结构（图9、图10）。连系梁主体采用C30混凝土进行浇筑，施工效果较好。

图9 连系梁大样图Fig.9 Detail drawing of coupling beam

图10 连系梁断面图Fig.10 Cross section of tie beam

4.3.6 数值模拟验证

为验证微型桩实施效果，在ABAQUS 有限元软件中建立滑坡数值分析模型进行稳定性计算，得到微型桩支护前与支护后滑坡水平位移云图（图11），可以看出微型桩支护前滑坡变形较大位置主要集中在滑体前缘，滑体水平位移（U1）最大值为8.1 cm（图11a）。设置微型桩后滑坡变形较大位置集中在抗滑桩后缘，水平位移最大值减小到1.4 cm（图11b），而微型桩前缘滑体的水平位移不足1 cm，表明微型桩可有效控制滑坡变形。

图11 微型桩支护前后滑坡水平位移云图Fig.11 Cloud map of horizontal displacement of Shigusi landslide before and after micropile support

4.4 应用效果分析

应急处置方案确定之后，按照应急处置方案，立即开展应急处置工作。2020 年7 月20 日开始紧急排险工程，通过人工搬运将4台钻机等设备运达指定位置，实施微型桩工程。根据施工期间监测数据，微型桩应急排险工程启动后，滑坡位移变形速率逐步降低。2020 年7 月26 日微型桩工程总体完工，滑坡位移变形停止（图3）。经后续长期监测，滑坡未发生新的变形，达到了应急处置的目的，工程总体效果较好。

4.5 推广应用分析

黄冈地区主要发育前寒武纪变质岩和古生界花岗岩。经过多期构造剥蚀等作用，区内山体结构破碎，岩石节理、裂隙发育，风化后易形成全-强风化残积土层，经搬运作用堆积于山脚形成坡积层。堆积层与下覆基岩理化性质差异较大，两者交界部分往往会演化为滑坡的滑动面，由此形成了具有黄冈地域特点的堆积层滑坡。

总结堆积层滑坡的成因条件和地质结构以及微型桩的技术特点可以发现，黄冈地区堆积层滑坡在宏观上具有点多面广、易发育、危害大的特点，微观上具有层厚不大，上软下硬的地质结构。微型桩桩径小，对嵌固段岩土体强度要求高，而堆积层滑坡下覆基岩强度较大，契合微型桩嵌固段的工程地质条件要求；在微型桩施工过程中，随着钻进深度加深，钻进速度会呈下降趋势，且基于微型桩长细比较大，柔性突出的特点，不宜应用于深层滑坡（滑坡体厚度＞20 m）。黄冈地区堆积层滑坡均为中浅层滑坡，能够兼顾微型桩的施工效率和抗弯强度。

综上分析，微型桩技术比较契合黄冈地区堆积层滑坡应急处置的技术要求，能够满足堆积层滑坡快速处置和安全稳定的目标，具有较好的推广应用价值。