王紹平

(福建省地質(zhì)測(cè)繪院 福州 350004)

矩形截面抗滑樁慣性矩大、抗彎能力強(qiáng),因此成為抗滑樁最為常用的截面形式,然而,隨著人工挖孔樁施工工藝逐漸受到限制,矩形截面抗滑樁的使用范圍逐漸減小,采用機(jī)械化施工的雙排圓形抗滑樁的應(yīng)用逐漸增加[1]。國(guó)內(nèi)外對(duì)雙排抗滑樁的研究及應(yīng)用多集中在平行布置,對(duì)梅花形布置研究較少。崔偉帥[2]采用模型試驗(yàn)和數(shù)值模擬的方法對(duì)梅花形布設(shè)有連梁雙排抗滑樁受力特性進(jìn)行試驗(yàn)研究,研究表明,梅花形布設(shè)能夠更好地發(fā)揮樁-土之間的聯(lián)動(dòng)性,進(jìn)而能承受更大的滑坡推力。趙曉坷等[3]采用數(shù)值模擬的方法對(duì)梅花形布設(shè)雙排抗滑樁的土拱效應(yīng)進(jìn)行研究,發(fā)現(xiàn)存在合理樁位使相鄰前后排抗滑樁之間形成直接土拱,進(jìn)而能夠充分發(fā)揮抗滑樁的阻滑性能。

以上研究成果對(duì)了解梅花形布置抗滑樁的受力機(jī)理和抗滑作用起到了很好的作用,但是以理論和試驗(yàn)為主,對(duì)工程應(yīng)用的研究較少。本文依托某滑坡的治理設(shè)計(jì),從滑坡推力的計(jì)算及簡(jiǎn)化開(kāi)始,為梅花形布置抗滑樁的工程應(yīng)用提供了一種計(jì)算方法,與此同時(shí),通過(guò)與以往較為常用的平行布置門(mén)架式抗滑樁進(jìn)行對(duì)比,得出采用本文介紹的簡(jiǎn)化計(jì)算方法下的不同布置方式對(duì)樁身位移及內(nèi)力的影響,以期能夠?yàn)殡p排抗滑樁的應(yīng)用提供借鑒和參考作用。

1 工程概況

1.1 變形破壞特征

福建省某位于閩江岸坡沖積階地的縣道下邊坡發(fā)生大中型滑坡,該段處于感潮段的閩江凹岸。東西走向的縣道位于滑坡后緣,公路邊溝5～6 m處為鐵路路基?；潞缶夐L(zhǎng)約50 m,下錯(cuò)坎高約7～8 m。主滑段最長(zhǎng)約63 m,滑坡體上可見(jiàn)多處貫通的拉張裂縫,裂縫寬1～2 cm、長(zhǎng)3～8 m,局部下錯(cuò)1～2 cm。

1.2 工程地質(zhì)及推測(cè)滑動(dòng)面

根據(jù)鉆孔及工程地質(zhì)調(diào)繪成果,上覆第四系人工填土(Qme)和坡積層(Qdl)。下伏花崗巖風(fēng)化層。地層參數(shù)采用試驗(yàn)值,其中花崗巖風(fēng)化層采用經(jīng)驗(yàn)值,地層參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 地層參數(shù)

通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查,該滑坡有明顯的后緣、前緣剪出口等特征,通過(guò)以滑坡后緣下錯(cuò)坎和剪出口為滑坡體的控制點(diǎn)[4],綜合考慮鉆孔揭示的地層情況,推測(cè)出位于上覆土層的滑動(dòng)面,推測(cè)滑動(dòng)面見(jiàn)圖1。

圖1 典型地質(zhì)和推測(cè)滑動(dòng)面

1.3 滑坡成因分析

根據(jù)鉆探和滑坡區(qū)內(nèi)變形破壞特征,經(jīng)分析滑坡成因主要有以下幾點(diǎn)。

1) 滑坡場(chǎng)地為閩江凹岸,屬?zèng)_刷岸,該處水流湍急、存在水下漩渦,加上該處為感潮段,江水升降頻繁,對(duì)岸坡及河床產(chǎn)生長(zhǎng)期的潛蝕、沖刷作用,形成的臨空面使斜坡失去支撐,是引發(fā)滑坡的因素之一。

2) 閩江水位受上游降雨的影響,更受上游水口水電站泄洪流量的影響,使得閩江水位升降頻繁,甚至淹沒(méi)至斜坡后緣,據(jù)閩江竹岐水文站觀察資料,歷史水位最大高差達(dá)到12 m。當(dāng)水位快速下降時(shí),坡體產(chǎn)生向閩江的滲透水壓力。由于上覆土層受河水長(zhǎng)期浸泡,導(dǎo)致抗剪強(qiáng)度降低,增加土體重度的同時(shí)增大了下滑力,加劇斜坡失穩(wěn)[5]。

3) 滑坡體前緣為閩江,由于閩江水流的沖刷、潮差影響等各種原因,閩江水動(dòng)力條件改變,導(dǎo)致河床下切,根據(jù)勘測(cè),近3年該處河床下切1～2 m,局部達(dá)到3 m。坡腳常年受閩江水流的沖刷、侵蝕掏空,加劇了江水對(duì)岸坡的沖刷掏蝕作用,形成岸邊掏空,加劇邊坡失穩(wěn)。

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查及地質(zhì)勘察資料,該滑坡類型屬淺層牽引式土質(zhì)滑坡。其滑動(dòng)面在上覆土層呈圓弧形,坡體總體處于欠穩(wěn)定狀態(tài)。

2 滑坡防治工程設(shè)計(jì)安全等級(jí)

該滑坡體積4萬(wàn)m3～30萬(wàn)m3,根據(jù)JTG/T 3334-2018 《公路滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范》[6]第3.1.5條規(guī)定,該滑坡可判定為中型滑坡,滑坡上方存在鐵路,根據(jù)第3.2.2條規(guī)定,滑坡危害程度分級(jí)為嚴(yán)重。

公路等級(jí)為三級(jí),根據(jù)第3.2.3條規(guī)定,該滑坡防治安全等級(jí)判定為II級(jí)。根據(jù)第5.2.3條規(guī)定,該滑坡防治工程設(shè)計(jì)穩(wěn)定安全系數(shù)在正常工況下取1.15～1.20,非正常工況下取1.10～1.15。

3 下滑力計(jì)算

該滑坡為牽引式滑坡,考慮目前河床下切作用仍可能發(fā)生,樁前滑坡體可能滑動(dòng),因此不考慮樁前滑體抗力[7-8],地層參數(shù)見(jiàn)表1,根據(jù)簡(jiǎn)化后的模型和計(jì)算參數(shù)采用geoslope內(nèi)置的bishop法計(jì)算,滑坡推力為860 kN/m,滑坡推力計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2。

圖2 滑坡推力計(jì)算結(jié)果

4 數(shù)值分析

4.1 有限元模型建立

本文計(jì)算所得滑坡推力為860 kN/m,擬采用梅花形布置雙排抗滑樁加固,為了研究梅花形布置的受力特點(diǎn),選取運(yùn)用較廣泛的門(mén)架式布置抗滑樁進(jìn)行對(duì)比,樁徑1.6 m,樁長(zhǎng)18 m(其中懸臂段8 m),縱、橫向間距均為5 m,冠梁截面尺寸為2 m×2 m。

在工程應(yīng)用中,通常將滑坡推力簡(jiǎn)化為滑動(dòng)面以上的荷載計(jì)算樁身的內(nèi)力及變形。本文選取midas GTS軟件進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,有限元模型圖見(jiàn)圖3,不考慮樁前滑體的有利作用,樁后滑體的作用簡(jiǎn)化為作用在后排樁的荷載,模型由滑床、抗滑樁、冠梁組成,模型長(zhǎng)、寬、高分別為50,50,20 m?？够瑯都肮诹翰捎?D梁?jiǎn)卧?其余均為3D單元,地層參數(shù)見(jiàn)表2。門(mén)架式抗滑樁取1個(gè)單元,梅花形抗滑樁取2個(gè)單元。

圖3 有限元模型布置圖

表2 計(jì)算參數(shù)表

荷載僅作用在后排樁,由于滑體為黏性土,采用矩形分布,后排樁分布力:N=860×5/8=537.5 kN。

4.2 位移分析

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁后排樁的位移對(duì)比見(jiàn)圖4。由圖4可見(jiàn),梅花形與門(mén)架式布置雙排抗滑樁的樁身位移分布形式相近,由于剩余下滑力簡(jiǎn)化為作用在懸臂段的均布荷載,懸臂段位移快速地增長(zhǎng)。嵌固段荷載可簡(jiǎn)化為地面處的荷載,因此隨著深度的增加,樁身位移較為均勻地減小,直至嵌巖段樁身位移基本接近0。通過(guò)對(duì)比,梅花形布置樁頂約束較門(mén)架樁更強(qiáng),樁頂位移減小約5.43%。

圖4 后排樁的位移對(duì)比

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁前排樁的位移對(duì)比見(jiàn)圖5。如圖5所示,前排樁通過(guò)連系梁與后排樁相連,前后排樁樁頂變形協(xié)調(diào),樁頂位移與前排樁基本一致。由于后排樁主要荷載為前排樁通過(guò)連系梁傳遞至前排樁的樁頂,因此,排樁樁身位移分布從樁頂向下較為均勻的減小,直至中風(fēng)化巖頂面附近減小至接近于0,且嵌固段范圍內(nèi)的位移基本不變。但是,由于梅花形布置受前排樁的冠梁影響,前排樁整體抗變形能力更強(qiáng),樁頂位移較門(mén)架式布置減小約4.87%。

圖5 前排樁的位移對(duì)比

4.3 彎矩分析

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁后排樁的彎矩對(duì)比見(jiàn)圖6。如圖所示,梅花形與門(mén)架式布置雙排抗滑樁的樁身彎矩分布形式相近,懸臂段彎矩從樁頂至下先減小后增大,嵌固段彎矩先增大后減小,彎矩反彎點(diǎn)基本位于滑動(dòng)面附近。由于懸臂段直接承受下滑力且受到連系梁的約束,懸臂段最大彎矩位于樁頂下3 m,最大值約-6 916.16 kN·m,梅花形布置樁頂約束較門(mén)架式更強(qiáng),樁身彎矩減小約5.49%。

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁前排樁的彎矩對(duì)比見(jiàn)圖7。由圖7可見(jiàn),受力模式均類似于水平受荷樁,但由于梅花形布置樁頂約束較門(mén)架樁更強(qiáng),梅花形布置較門(mén)架式的樁頂彎矩小,樁身彎矩減小約19.37%。樁身以下彎矩分布形式及彎矩值基本接近,但梅花形布置的樁身彎矩減小約13.35%。

圖6 后排樁的彎矩對(duì)比

圖7 前排樁的彎矩對(duì)比

4.4 軸力分析

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁后排樁的軸力對(duì)比見(jiàn)圖8。

由圖8可見(jiàn),梅花形與門(mén)架式布置雙排抗滑樁的樁身軸力分布形式相近,后排樁軸力呈現(xiàn)為拉力,樁身軸力均在中風(fēng)化層以上和以下均勻減小,中風(fēng)化層附近出現(xiàn)突變,梅花形布置樁身軸力減小約1.11%。

圖8 后排樁的軸力對(duì)比

梅花形和門(mén)架式布置的抗滑樁前排樁的軸力對(duì)比見(jiàn)圖9。如圖9所示,后排樁軸力呈現(xiàn)為壓力,分布特點(diǎn)與后排樁基本一致。但梅花形布置較門(mén)架式的樁身軸力更大,樁身軸力增加約11.17%。

圖9 前排樁的軸力對(duì)比

5 治理方案

根據(jù)場(chǎng)地工程地質(zhì)條件及周邊環(huán)境,參照以上計(jì)算結(jié)果,采用“梅花形布置雙排抗滑樁+錨索+冠梁+坡面及坡體排水+坡腳拋石”治理措施,滑坡治理典型斷面圖見(jiàn)圖10。

圖10 滑坡治理典型斷面圖

如圖10所示,主滑段采用雙排抗滑樁,梅花形布置,排間距為5 m,縱向間距為5 m,樁徑1.6 m,前排樁樁頂布置冠梁,后排樁與前排樁冠梁采用連系梁連接。后排抗滑樁(靠路基一側(cè))采用錨索進(jìn)行錨拉,前排抗滑樁(臨河一側(cè))則預(yù)留錨索孔位置。

滑坡后緣路基采用石渣進(jìn)行回填,路基邊坡坡面采用M7.5漿砌片石護(hù)坡,坡體采用碎石盲溝排水。為了排除鐵路邊坡體內(nèi)地下水,在抗滑樁冠梁頂上1 m處設(shè)置單排仰斜排水平孔。

對(duì)前緣邊坡坡腳進(jìn)行拋石,拋石頂面高程控制在低水位以上0.5 m,同時(shí)在拋石上面填石以對(duì)該段滑坡體進(jìn)行反壓,在拋石頂上分兩階進(jìn)行填石,每階高度為2 m。

6 結(jié)語(yǔ)

本文依托工程實(shí)例,采用數(shù)值模擬法對(duì)梅花形布置和門(mén)架式布置抗滑樁進(jìn)行簡(jiǎn)化計(jì)算,得到以下結(jié)論。

1) 梅花形布置和門(mén)架式布置抗滑樁的樁身位移、內(nèi)力分布形式相近,彎矩反彎點(diǎn)、最大彎矩位置均較為接近。

2) 梅花形布置和門(mén)架式布置的后排樁均受拉,前排樁均受壓。梅花形布置的前排樁樁頂位移減小約4.87%,后排樁樁頂位移減小約5.43%;后排樁樁身彎矩減小約5.49%,前排樁樁身彎矩減小約19.37%;梅花形布置前排樁樁身軸力減小約1.11%,后排樁樁身軸力增加約11.17%。

3) 本文為梅花形布置抗滑樁提供了一種簡(jiǎn)化計(jì)算方法,通過(guò)理論計(jì)算和工程應(yīng)用,取得了較好效果,可為大中型滑坡的治理提供借鑒。