考虑地震作用的边坡抗滑桩滑坡推力分布研究

李晓猛，肖西，蔡一超 （云南省公路科学技术研究院，云南 昆明 650051）

0 引言

随着我国边坡工程的发展与完善，边坡抗滑问题引发不断关注。为提升滑坡稳定性，使得岩体中结构面软弱区域边坡岩体变形和边坡稳定性差的区域在破坏时能有一定的控制作用[1]，运用相应的方法使得边坡潜在不稳定的部分进行滑动或移动，并根据实地滑坡条件确定边坡抗滑桩的标准值，分析滑坡抗滑抗震的稳定性。由于我国山区占比较大，山体滑坡等多种山体灾害频发，使得山区经济和居民财产安全等受到极大程度的损失[2]。在滑坡问题方面，可根据调节滑坡推力大小进行治理。而现阶段，由于土质的复杂性，滑动过程变化大，再加上外界环境产生一定的影响，无法准确估计滑坡的实际推力大小，无法准确得知滑坡推力的分布状态，使得滑坡推力计算问题陷入困境。如何加固支挡中的滑坡推力使设计科学合理，成为研究的重点。滑坡推力分布不同，结构设计就会相应发生改变，增加预期造价，造成资金浪费。边坡抗滑桩的设计不能满足抗滑和抗震，就无法获得稳定性保障，经济效益等也大幅度下降。因此，根据边坡失稳破坏程度多样化、分布复杂化，需要以边坡抗滑桩滑坡推力分布为研究对象，考虑地震作用，结合实际情况进行实验与分析。

1 边坡抗滑桩滑坡推力分布

1.1 沿线地震滑坡空间分布

地震后沿线边坡工点共有50 处[3]。高原冻土区路基滑动开裂情况较多。滑坡分布由岩体土质和地中海-喜马拉雅-南亚地震带因素形成。边坡以半挖半填方式形成，挖方侧高度为30m，填方侧高度为8m。边坡分布在S258 线段，主要分布在K950+130～+231 段，边坡破坏程度不同。边坡变形工点多位于堆积层，由于填方侧不高，土壤质地为砂质粘土，土质结构疏松，含水量高，一般地质为软塑情况。路堤变形是地震作用下粘土发生物理变化形成的。K950+130～+231 段路堤由于最高蓄水位接近于填方路基边坡坡脚，使得填方路基边坡坡脚失稳，填方体沿老地面出现坍塌变形。地下流动水压力强，渗透过程中对土产生拉力，使坡体松弛，在地震作用下发生塌陷。

1.2 地质力模型概化

选取某地滑坡群中的某段滑坡，边坡高程3500～3800m ，其纵向长度约60m，滑体厚度约15m，滑体体积约50×120m3。剖面为某段滑坡，冲积地貌，地形平缓，自然斜坡度12°。土质为砂石土，Ⅱ-Ⅱ剖面分布在滑坡前部，引水渠边为横断面，长为420m，滑坡处于稳定性差阶段，稳定程度低。设计模型时，由于模型箱的长度为350m，选择相对常数为1:10，内部摩擦力为1:1，粘聚力为1:100。基岩部分选用材料为沙土，石膏与滑石粉[4]，其中甘油：水=12:5，以砂石作为滑体基础材料，模型试验期间的单滑面参照地震后沿线边坡工点现场的真实情况，并由此概化出地震后的地质力学模型，预先设置以相同的比例进行模型填筑。

1.3 传感器布设

加速度传感器和土压力传感器是试验中主要使用的传感器，滑坡体按照部位可分为滑体、滑床和基岩[5]。因此，传感器的布设需要及时捕捉到震动过程中该区域的加速度及土压力响应情况。在模型坡面上从坡脚至坡顶之间每隔30m 布设一个传感器，并将其布设在6个断面中。由传感器的布设位置以及传感器的加速度数据，生成三种输入波形的时程曲线。加速度传感器以字母“M”作为标识，每个加速度传感器测点位置布设有水平向（X）、竖直向（Y）两个采集方向的加速度传感器。其中地震波的加载工况如表1所示。

表1 试验地震波加载工况

在输入地震动强度较小时，会产生重力失真。为降低重力失真问题对试验结果造成的影响，在试验期间将输入的地震动强度最大加载到1.8g，完成对试验模型的加载破坏，记录堆积层滑坡的破坏过程，降低失真效果。

1.4 滑坡推力计算

由于边坡失稳破坏的条件多样，对于边坡稳定性的研究也需要根据具体情况进行分析。根据滑带土的强度特性可知，当滑动的数值发生改变时，需要改变极限平衡状态。设定边坡稳定安全指数为K= 1，通过计算滑坡推力，在无地下水的影响中，计算公式为：

式中，ψ为最后一块滑坡中的传递系数；E为传递的下滑力；W为最后一块滑体的重量；α为滑坡的倾斜角度；φ为滑面与实体的夹角；c为产生的滑动摩擦力；K为稳定性系数。对已经产生的滑坡，在暂时稳定状态下或滑动后静止阶段，滑体处于极限平衡状态，获得截取的断面，使得其稳定在极限平衡状态，即K始终维持1。使断面中的剩余下滑力等于0，即：

通常情况下，c的值由滑带土的物质组成和含水量相互制约形成[6]，根据滑体的大小和变化程度决定。在实际工程中，滑动面能够穿透不同土质层，部分滑动面受到地下水的影响，形成的不同段的抗剪强度标准值也有所不同。通过建立多个极限平衡方程，根据最二乘法得到滑动摩擦力，设定在滑动边坡中有沿着滑动方向截取的断面，获得断面的极限平衡方程为：

为了计算其中的代表性误差，使得Wcosα= 0。在恢复极限平衡断面求摩擦力时，均质土产生旋转式滑坡，在极限平衡时，存在裂缝后滑动的滑动长度不计入其中。第一次滑动的边坡在滑动时，极限平衡断面要处于刚开始滑动的状态。当挡土墙产生滑动破坏时，方程式中需要提供抗力，根据实际情况考虑计入抗震作用。由于滑坡的变形和破坏发生在坡体的摩擦力薄弱点，构造应力需要在模型中加入抗震考虑。

2 实验测试与分析

2.1 抗滑桩背地层推力分布特征测试

抗滑桩背地层抗力能够侧面展示出滑坡推力的作用效果。其分布特征与滑层的地层岩性、抗滑桩刚度、锚固段长度、滑坡推力的大小存在对应关系。根据试验监测及各测点的土压力，绘制分布曲线，如图1所示。

图1 5#抗滑桩推力分布曲线

图2 15#抗滑桩推力分布曲线

由测试结果可知，15#桩在潜在滑面以下距桩顶10m 之间，测点TK15、TK20的土压力趋近为0。若滑坡推力继续增大，桩身会出现较大的挠曲变形，旋转点挤压作用加强，抗力增大。5#桩的桩背地层均有抗力分布，且在距离顶端23m 处产生峰值点。15#桩的桩背地层抗力分布范围相比较小，大致呈三角形分布，土压力最大值为78MPa，位于桩顶以下23m 处。受测桩锚固段长度与总桩长的关系见表2。

表2 锚段与总长关系

由监测结果可知，桩背地层抗力的分布特征与抗滑桩的锚固段长度有关。由于所处位置处滑体厚度的差异，5#抗滑桩锚固段长度长，15#抗滑桩锚固段长度短。当抗滑桩刚度存在差异时，其变形特征也不相同。桩背抗力的显著增加主要是滑坡推力逐渐作用于抗滑桩上的结果，随着滑坡推力完全作用于抗滑桩上，地层抗力也逐渐趋于稳定。桩背抗力的第二次显著增长主要发生于预应力锚索施工完成后，说明桩背地层抗力的变化与预应力锚索的作用存在一定的相关性。15#抗滑桩具有较大的桩背抗力，且其分布形式长期保持不变。

2.2 桩位变化对抗滑桩加固下滑推力分布的影响

对抗滑桩桩位和下滑段桥墩水平距离的长度进行监测，水平位移距离为4m、5m、6m。峰值加速度为0.3g，反应谱特征周期为0.5s。分别加载不同加速度值的5Hz 正弦波进行三维仿真分析。得到的工况结果如图3所示。

图3 不同加速度值的正弦波工况

由结果可知，随着正弦波的加速度峰值增加，桩身水平位移逐渐增大。在正弦波工况中，抗滑桩桩位对基桩抗震加固的影响不大，随着前排抗滑桩和桩基之间的距离增大，前期基桩的水平位移先减小后增大。由于抗滑桩受到的水平荷载的作用，使得桩后粘土的动土压力增大，基桩传递的下滑推力增加。粘土的变形模量降低，振动过程中土体惯性力和基桩向四周土体的挤压，使得土体产生变形和水平位移，从而导致塑性屈服。当抗滑桩和桩基之间的距离为5m时，变形模量较小的粘土出现一定的弹性、塑性变形，并将所承受的部分荷载传递给抗滑桩，在水平荷载作用下会产生较大的变形和水平位移。

3 结语

通过对边坡抗滑桩抗滑技术的改进和创新，增加了材料的重复使用次数，提升了抗滑桩的抗滑、抗震质量，加快了施工总体进度，实现了考虑地震作用的边坡抗滑桩滑坡推力分布研究。但该设计还存在不足之处，如工期的不合理分配问题、工程中材料浪费的问题、成本结算不足的问题等。今后在研究中，要保证边坡抗滑桩项目中的推力分布问题，实现边坡抗滑桩的有效施工，提高对提高结构稳定性与安全性的要求，优化结构设计模型，消除施工中有可能产生的误差，加快施工速率，完成更安全更快速且考虑地震作用的边坡抗滑桩滑坡推力分布研究实验。