圆形大截面抗滑桩在高速公路丘陵斜坡地带滑坡工程中的应用

曾玲升,肖 强,郭凯斌

(江西省交通设计研究院有限责任公司,江西 南昌 330100)

1 工程概况

1.1 滑坡地貌特征

宜春至遂川高速公路从山体斜坡经过,山体倾向北西侧,山体自然坡度15°～25°。该斜坡坡脚数年前发生滑坡,滑坡方量约10 000 m2,属牵引式小型土质滑坡。该处受人工开垦影响,地形多呈台阶状,高度一般1.5～3 m,种植橘树林。滑坡体山腰及坡脚坡度约为15°～25°,顶部较为平缓,高程处于180～230 m,坡脚到坡顶高差达50 m。

该斜坡在施工开挖过程中,发生明显变形迹象,已呈现多道横向裂缝,坡面已垮塌。在坡脚开挖后,使临空面更陡,产生多处裂缝及局部滑塌,局部滑塌体位于坡面,走向50°,坡向320°。滑坡平面形态为椭圆形,滑坡面积达7 500 m2,滑坡体纵长约90 m,前缘宽约110 m,坡脚高程184 m,滑坡后缘高程226 m,坡顶已形成圆弧状裂缝,主滑方向320°裂缝达10～30 cm,局部伴有下错。综合分析钻探、物探成果,滑动面主要位于全风化页岩中,平均埋深12 m,滑床为全风化页岩,滑体为残坡积含碎石粉质黏土及全风化页岩,滑体土方量约9.4×104m3。

1.2 滑坡物质结构

路线沿山麓展布,向右深切山体,滑坡体岩性多为黄色含碎砾石黏性土或黏土质碎砾石,表覆第四系中更新统残坡积层(Q2el+dl)含砾低液限黏土,含水率较高,棕黄色,硬塑状,土层中夹杂有较多碎砾石,厚度3～8 m不等,局部土层厚度大于10 m,且含较多碎砾石,下伏基岩为石炭系下统大塘阶测水段(C1D2)页岩、炭质页岩及石灰岩。

2 滑坡变形形态特征及发生机理

2.1 滑坡变形特征

(1)边坡坡面首先出现横向拉张裂缝L1,目前裂缝张开宽度约40～60 cm,下错20～40 cm,其走向与滑动方向大致垂直,延伸长度约65 m,深度2 m以上。

(2)平台排水沟发生滑动,局部扭转、沟壁发生开裂变形。

(3)二级坡坡脚产生数条剪出口,贯通性较好,剪出10～20 cm,滑动面上可见一层白色黏土矿物,擦痕明显。

(4)坡顶高程约226 m处出现拉张裂缝,宽约10～20 cm,下错约10 cm,裂缝处即为滑坡的后缘边界,呈圆弧状完全贯通。

(5)潜在滑动面处于饱水状态,使得前缘土体推出,土体较为松散,下雨天出现出水点,流量约为1 L/min,逐渐形成小汇流通道,沿坡面滑动面发生汇流,在坡脚呈泉水流出,使得滑坡体土体软化,降低内摩擦角和黏聚力,坡体整体稳定性下降[1]。

该山体为一处古滑坡,属“欠稳定”的几何模型,根据边坡变形特征分析,滑坡的成因与其地形地貌、地层结构、岩土性质、水(降雨和地下水)、人类活动[2-3]等因素密切相关,导致该边坡形成滑坡。

2.2 滑坡发生机理分析

滑塌区处亚热带季风气候区,属亚热带湿润季风气候类型,雨量充沛,该斜坡体上覆残坡积含碎石粉质黏土,渗透性相对于下伏全风化页岩较好,以致降水易于在全风化页岩顶面汇集,顶面厚2～3 m土体相对较潮湿,在雨季时进一步软化为软塑状态,形成“潮湿带”。根据钻孔揭露滑坡区覆盖残坡积含碎石粉质黏土厚度约3～12 m,下伏全风化页岩,页岩趋势产状为320°∠30°(坡1面倾向320°),为顺向坡,全风化页岩层面中夹有一层灰白色黏土矿物,厚度一般为3～10 m,在暴雨时期形成“软弱带”,使得坡体稳定性下降[4-6]。

另一方面由于斜坡体均已种植柑橘,长期灌溉使得该山体处于潮湿状态,高速公路对此山体进行开挖,使得斜坡体形成较陡临空面,导致边坡稳定性恶化。当边坡开挖加之遇上雨期,滑坡形成过程如下:首先在靠近坡面处,由于全风化页岩覆盖的粉质黏土加上自身重力作用下,使坡体发生推移式变形,在五级坡坡面形成拉张裂缝,其次进一步在第四级、第三级坡面产生裂缝,并伴有反向错动,在二级坡坡脚产生剪出口,剪出10～20 cm。随着持续的滑移,五级坡坡面裂缝宽度逐渐扩大,在坡顶创造良好临空面,残坡积粉质黏土产生牵引式变形,加上雨季使得土的力学性质变差,形成的“潮湿带”+“软弱带”,裂缝沿着“潮湿带”+“软弱带”发生滑动,并不断向后牵引坡顶土体变形,各个部分之间相互影响、相互作用,如瓦片叠加式破坏,导致整个坡面结构滑塌。

3 滑坡稳定性验算

3.1 计算模型

滑坡前部(以五级坡坡面裂缝为界),采用圆弧滑动模型,采用简化Bishop法和极限平衡理论,反算全风化页岩天然工况下力学参数,计算并评价其暴雨工况下的稳定性[9];滑坡后部(坡顶),采用折线滑动模型,以Bishop法、极限平衡理论反算全风化页岩顶面在潮湿带天然工况下力学参数,计算并评价其暴雨工况下的稳定性。天然工况选取天然重度,暴雨工况选取饱和重度,分别选取试验指标平均值。

圆弧滑动面稳定性计算公式(简化Bishop法)为[7]

(1)

(2)

式中:K为整个滑体计算的安全系数;b为土条的宽度,m;W为条块重力,kN,浸润线以上取天然重度,以下取饱和重度;θ为第i个土条中点处切线与水平线的夹角,(°);c为土的抗剪强度指标黏聚力,kPa;φ为土的内摩擦角,(°)。

天然工况选取天然重度,暴雨工况选取饱和重度,综合考虑土工试验成果,根据经验对全风化页岩强度试验值进行适当折减,分别选取试验指标平均值,如表1、表2所示。

表1 天然工况下岩土强度参数表

表2 暴雨工况下岩土强度参数表

3.2 计算结果

通过分析该滑坡形成机制,分析滑坡体自重荷载对稳定性的影响,该滑坡进行稳定性分析计算将滑坡稳定性计算划分为2种工况:工况Ⅰ为天然工况;工况Ⅱ为暴雨工况。

首先假定滑裂面是圆弧面,通过软件计算其最不利滑面,分析滑面中0.3H折线破裂面和朗肯破裂面,同时考虑土条两侧条间力的作用,整体力矩及每一土条的垂直力的平衡,整体采用简化毕肖普法分析整体稳定性。安全系数为抗滑力矩与下滑力矩间的比值,表3为计算结果。

(3)

表3 滑坡稳定性计算结果

剩余下滑力计算公式采用传递系数法,安全系数取值1.22,计算上述模型中最不利滑块受力情况,分析拟设抗滑桩结构物所需要承受的剩余下滑力,计算结果如表4所示。

表4 滑坡剩余下滑力计算结果 单位:kN

依据表4可以看出,该滑坡的总下滑力为5 189.83 kN,总抗滑力6 324.71 kN,其中支挡结构物和部分土体抗滑力为6 088.51 kN。该山体为一处古滑坡,属“欠稳定”的几何模型,雨季时期形成的地表水进入坡体,降低坡体的物理力学特征,导致岩土强度参数c、φ值降低,最终发生坡体滑塌。在拟设置抗滑桩后,该路堑在天然工况下的稳定系数为1.22,在暴雨工况下稳定系数为1.09。计算结果表明,在安全系数为1.22时,计算断面拟设置抗滑桩所承受的剩余下滑力为1 422 kN。

4 处治措施

4.1 抗滑桩的位置布置

根据前述分析及计算结果,该滑坡抗滑桩设计方案如图1、图2所示。

图1 第一级平台抗滑桩平面布置图(单位:cm)

图2 第二级平台抗滑桩平面布置(单位:cm)

第一级坡顶平台设置一排Φ2.5 m钢筋混凝土抗滑桩,抗滑桩间距6 m,每根桩长23 m,共设置31根,每4根或3根采用2.0 m高冠梁连接成整体。第二级边坡平台设置二排Φ2.5 m钢筋混凝土抗滑桩,抗滑桩间距6 m,每根桩长32 m,山体侧一排设置15根,路基侧设置14根,梅花型布置,共设置29根,靠山体侧每4根或3根采用2.0 m高冠梁连接成整体,前后排采用“V”型系梁进行相互连接。

4.2 抗滑桩设计与计算

根据工程地质条件及计算结果,抗滑桩采用直径为2.5 m圆形截面,抗滑桩桩长h=30 m,其中段h1=10 m,锚固段h2=20 m;桩心间距L=6.0 m;抗滑桩按弹性桩进行设计,桩底边界条件按自由端考虑;采用midas Civil Designer对抗滑桩进行内力分析,按部分预应力(B类)混凝土结构进行验算,桩身内力按悬臂桩“K”法计算,其中各荷载工况按表5取值。

表5 荷载工况

荷载组合列表根据如下取值。

基本组合:基本;1.350(D)+1.350(D1)+1.350(D2)。

标准组合:频遇;1.000(D)+1.000(D1)+1.000(D2)。

计算得出位移内力云图如图3所示,其中结构最大位移量为4.17 cm;标准组合下轴力云图如图4所示,基本组合下结构剪力云图如图5所示,其中标准组合下结构最大轴力为9 644 kN,基本组合下结构最大剪力为7 247 kN;桩和系梁的弯矩云图如图6、图7所示,由图可知桩最大弯矩为27 530 kN·m,系梁最大弯矩为12 600 kN·m。

图3 位移内力云图

图4 标准组合下轴力云图

图5 基本组合下剪力云图

图6 桩弯矩云图

图7 系梁弯矩云图

由抗滑桩计算结果可知,滑坡推力产生的最大弯矩和最大剪力在桩身,为此,采用滑坡推力进行抗滑桩设计。根据桩身弯矩及剪力计算,桩身主筋选用3根主筋为一束,每束钢筋由3根Φ32HRB400钢筋组成,至少需要采用116根,箍筋采用双肢箍筋,选用Φ16HRB400钢筋,间距取160 mm。

5 结 语

当高速公路穿越斜坡体山坡,常见的滑坡成因与其地形地貌、地层结构、岩土性质、水(降雨和地下水)、人类活动等因素相关[11]。基于宜春至遂川高速公路的路堑滑坡,采用简化Bishop法和极限平衡理论对该滑坡的稳定性进行了分析。在天然和暴雨两种工况下,计算了安全系数,并得出结论:在暴雨工况下,滑坡的推力会加大。

根据建立的数值模型,分析该滑坡在每级平台所产生的下滑力,并对桩身内力进行验算。通过合理布置抗滑桩的位置,可以避免造成滑体从桩顶剪出或抗滑桩位移过大。

根据计算下滑力结果,合理设置抗滑桩的间距,防止滑动土体从桩间滑出。采用悬臂桩“K”法计算抗滑桩所受的最大弯矩和最大剪力,根据计算结果进行抗滑桩配筋及主筋位置设计,滑体的主滑切向方向主筋应加强设计,充分考虑其配筋率,以防造成抗滑桩自身的破坏。

圆形截面钢筋混凝土抗滑桩可采用旋挖成孔,较冲击桩可缩短施工时间,该工程于当年2月处置至今未出现变形。