微型桩组合抗滑结构在滑坡治理工程设计中的应用

张堪培，冯龙飞

（广东省水文地质大队 广州 510510）

0 引言

微型桩组合抗滑结构是指由若干根微型单桩通过冠梁、连系梁在桩顶处连接起来共同承受侧向荷载的抗滑结构，该结构具有桩径小、施工快捷、对场地适应性强、经济性好等优点，多用于中小型滑坡治理工程中。

目前针对微型桩组合抗滑结构的计算理论多采用平面刚架假设，且尚无统一的标准。基于此，诸多学者进行了相关研究。张录斌等人［2］基于等效法及规范方法［3］对微型钢管组合抗滑桩进行了研究；张院生等人［4］通过模型试验，对微型抗滑桩-连梁组合结构抗滑机理进行了研究；胡国平等人［5］提出了考虑桩土效应的微型桩组合抗滑结构计算方法；马华等人［6］对微型桩-连梁组合结构的加固机理进行了总结，分析了微型抗滑桩内力计算的平面钢架法、基于弹塑性模型的计算方法以及数值仿真等方法的优缺点。

本文采用数值模拟手段，分析了该结构的变形及受力特征，并研究了连系梁、锚索对组合抗滑结构的影响，总结了一些结论，并将其应用与工程设计实例，以期为类似滑坡地质灾害治理工程提供参考和借鉴。

1 微型桩组合抗滑结构作用机理

与大直径抗滑桩在桩后形成土拱效应的抗滑机理不同，微型抗滑桩只能调动滑动面附近局部土体反力，产生相对较小的抗滑力，但往往进行多排布置并通过在桩顶设置连梁形成组合结构，整体上也具有较好的抗滑性能［4］。

微型桩组合抗滑结构依靠组合群桩和周围岩土体的共同作用维持边坡稳定，其抗滑作用主要来源于以下几个方面［6］：

⑴微型桩在滑面处提供较大的抗剪力。

⑵桩与土形成抗滑体，共同抵抗滑坡推力。

⑶微型桩因受剪切变形在桩与滑面相交处产生两个塑性铰，导致该处桩身倾角增大，桩由受剪变为受拉，充分发挥了加筋材料的受拉优势。

⑷微型桩在滑面处的弯曲变形导致桩身产生纵向位移，在桩表面产生摩擦力，该力传至土体中增加了滑面处的法向力，间接产生抗滑力。

2 二维有限元模型的建立

以典型设计剖面为例，采用GTS-NX 软件建立二维平面应变有限元模型，采用地层-结构法进行计算分析，中风化岩、抗滑桩、旧挡土墙、连系梁及锚索采用线弹性本构模型，其他地层采用莫尔-库伦本构模型［7］；分别对桩、土间及锚索锚固段与土体间设置接触界面单元。模型尺寸设定为100 m×50 m（长×高），共计3 655个单元，如图1所示。模型的地层参数取值如表1 所示，桩-土及锚索-岩土体接触界面参数取值如表2所示。

表1 边坡岩土层参数Tab.1 Rock and Soil Layer Parameters for Slope

表2 接触界面参数Tab.2 Contact the Interface Parameter

图1 二维平面应变有限元模型Fig.1 Two-dimensional Plane Strain Finite Element Model

3 模拟结果及分析

3.1 组合抗滑结构的变形及受力特征

组合抗滑结构变形及受力情况如图2 所示，从数值模拟结果来看：组合抗滑结构的变形特征类似于悬臂桩，最大值出现在桩的上部（47 mm），且变形量从左（临边坡侧）至右依次减小，各排桩的变形最大值逐渐上移，至最右侧时移动至桩顶连梁附近；微型桩的最大负弯矩位于嵌固端起始位置，且从左至右依次减小。

图2 组合抗滑结构整体位移及弯矩云图Fig.2 Overall Displacement and Bending Moment Cloud Diagram of Composite Anti Slip Structure

由于连系梁的存在，最大正弯矩在最右侧微型桩与连系梁交界位置达到极值，其余区段正弯矩依然保持从左至右依次减小的规律，三排桩的受力较为均衡［9-10］。

3.2 连系梁对微型桩的影响

取消连系梁工况下对应的微型桩变形及受力计算结果如图3所示。在此工况下，对比图2可知：微型桩最大变形位于左侧桩顶处（53 mm），最大变形增大了约13%；且三排桩的变形均在桩顶处达到峰值，由位移矢量可见，三排桩的变形曲线均类似于悬臂桩，彼此之间不受约束。

微型桩的最大负弯矩仍出现在嵌固端起始位置，但其值相较于图2 增大了37%，桩身正弯矩在左侧桩中部达到极值，明显大于中桩和右侧桩，且其值相比图2增大了约50%，中桩和右侧桩正弯矩则依次减小，三排桩的受力情况彼此差异较大。

由此可见：连系梁可将多排微型桩连为一体，形成一种类刚架结构，对微型桩的变形起到一定的限制作用，对微型桩的受力则影响较大。

3.3 锚索对组合结构的影响

增加锚索（左侧微型桩顶位置）工况下对应的组合结构变形及受力计算结果如图4所示。在此工况下，对比图2可知：组合结构最大变形位于左侧桩顶处（31.8 mm），最大变形减小了约32%；说明锚索对组合结构位移限制作用明显。

图4 锚索对组合结构的影响Fig.4 The Influence of Anchor Cables on Composite Structures

由于锚索及连系梁的存在，最大正弯矩在中桩与连系梁交界位置达到极值，其余区段桩身弯矩依然为从左至右依次减小，三排桩的受力较为均衡。

4 工程设计实例

4.1 工程简况

拟治理滑坡灾害点位于广东省龙川县某镇，平面呈簸箕形；滑坡两侧边界、后缘清晰可辨，部分区段可见滑体剪出口，滑坡扩展方式属于牵引式，如图5 所示。坡脚处修建有厚度不等的混凝土挡墙，现状未发现挡墙出现明显的变形及开裂现象，挡墙泄水孔90%已失效，只有少量泄水孔有水流出，挡墙外侧距离房屋最近距离不足1 m，施工空间极其狭窄，如图6所示。

图5 滑坡范围全貌Fig.5 General View of Landslide Area

图6 坡脚民房与旧挡墙实景Fig.6 Live-action of the Slope Foot House and the Old Retaining Wall

坡脚为人工削坡建房，坡面以分级式混凝土挡土墙或喷混凝土的方式护坡，挡土墙台阶面可见明显开裂，裂缝宽约3～5 cm，局部墙面有宽2～5 mm 的裂缝，部分钢筋裸露；喷混凝土局部有明显开裂、鼓包现象。边坡岩土体主要由坡残积土及全、强风化凝灰岩构成，含水量高，土质松软，坡面植被稀疏，受雨水冲刷，局部已出现明显变形迹象，稳定性差；滑坡区面积约1 800 m2，剪出口位于挡墙以上平台范围，推测滑动面位于全、强风化凝灰岩交界面附近，厚度约5～8 m。

4.2 工程重难点分析

⑴本工程位于断裂带附近，受构造应力影响，边坡地质情况变化较大，边坡表层主要为坡残积土，岩层以凝灰岩和花岗岩为主；其中，凝灰岩强度低，花岗岩残积土遇水软化，边坡整体地质条件较差；

⑵坡脚现状挡土墙为居民自建，截面、厚度施工质量等均差异较大，且缺少具体施工资料，挡墙质量状况无法准确评估，成为边坡支挡的薄弱环节，存在安全隐患。

⑶坡脚旧挡墙紧挨现状民房，如图6 所示，施工空间极其狭窄，现状旧挡墙不具备加固作业条件，且边坡周边场地不具备大型机械设备作业条件，需考虑增加其他抗滑加固措施。

4.3 设计方案简介

本工程拟采用“分级削坡卸荷+坡面旧支护结构破除+组合微型钢管桩群+锚杆（索）格构+坡面生态恢复+截排水”的综合治理方案；滑坡治理典型剖面如图7所示。

图7 滑坡治理典型剖面Fig.7 Typical Profile of Landslide Control

整个边坡治理主要采用二级至三级削坡卸荷，将坡面破损的台阶式旧挡墙及砂浆抹面整个挖除，以消除安全隐患；将现状坡脚旧挡墙作为安全储备，增加微型桩组合抗滑结构及锚索，如图8所示。

图8 微型桩组合抗滑结构平面布置Fig.8 Plane Layout of Micro Pile Combination Anti Slip Structure （mm）

微型桩采用梅花形布桩，回转钻机成孔，成孔孔径250 mm，内插ϕ159×6.0 无缝钢管，灌P.O.42.5R 纯水泥浆。微型桩组合抗滑结构应进行稳定性验算，包括剩余下滑力、结构整体抗力、沿滑面抗剪承载力、桩内力及桩嵌固长度等内容。

坡体采用锚索格构进行支护，并辅以完善的截排水系统。

5 结论

⑴ 连系梁对微型桩的变形起到一定的限制作用，对微型桩的受力则影响较大。连系梁需具备足够的刚度，实际设计中，也可考虑采用盖板连接的方式。

⑵微型桩组合抗滑结构的变形最大值出现在临边坡侧后排桩的上部，且锚索对微型桩组合抗滑结构位移的限制作用明显；因此，为更好地控制边坡变形，在实际设计中，可在后排桩冠梁处增加一排锚索。

⑶结合滑坡防治设计规范［3］，微型桩组合抗滑结构稳定性验算应包含如下内容：①计算剩余下滑力；②验算结构整体抗力；③验算微型桩沿滑面抗剪承载力；④验算桩内力；⑤验算桩嵌固长度。

⑷微型桩组合抗滑结构具有桩径小、施工快捷、施工人员安全保障高、经济性好等优点；尤其是针对施工条件受限的地质灾害治理工程，可优先考虑采用。