張堪培，馮龍飛

（廣東省水文地質(zhì)大隊(duì) 廣州 510510）

0 引言

微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)是指由若干根微型單樁通過(guò)冠梁、連系梁在樁頂處連接起來(lái)共同承受側(cè)向荷載的抗滑結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)具有樁徑小、施工快捷、對(duì)場(chǎng)地適應(yīng)性強(qiáng)、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)，多用于中小型滑坡治理工程中。

目前針對(duì)微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)的計(jì)算理論多采用平面剛架假設(shè)，且尚無(wú)統(tǒng)一的標(biāo)準(zhǔn)?；诖?，諸多學(xué)者進(jìn)行了相關(guān)研究。張錄斌等人［2］基于等效法及規(guī)范方法［3］對(duì)微型鋼管組合抗滑樁進(jìn)行了研究；張?jiān)荷热耍?］通過(guò)模型試驗(yàn)，對(duì)微型抗滑樁-連梁組合結(jié)構(gòu)抗滑機(jī)理進(jìn)行了研究；胡國(guó)平等人［5］提出了考慮樁土效應(yīng)的微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)計(jì)算方法；馬華等人［6］對(duì)微型樁-連梁組合結(jié)構(gòu)的加固機(jī)理進(jìn)行了總結(jié)，分析了微型抗滑樁內(nèi)力計(jì)算的平面鋼架法、基于彈塑性模型的計(jì)算方法以及數(shù)值仿真等方法的優(yōu)缺點(diǎn)。

本文采用數(shù)值模擬手段，分析了該結(jié)構(gòu)的變形及受力特征，并研究了連系梁、錨索對(duì)組合抗滑結(jié)構(gòu)的影響，總結(jié)了一些結(jié)論，并將其應(yīng)用與工程設(shè)計(jì)實(shí)例，以期為類似滑坡地質(zhì)災(zāi)害治理工程提供參考和借鑒。

1 微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)作用機(jī)理

與大直徑抗滑樁在樁后形成土拱效應(yīng)的抗滑機(jī)理不同，微型抗滑樁只能調(diào)動(dòng)滑動(dòng)面附近局部土體反力，產(chǎn)生相對(duì)較小的抗滑力，但往往進(jìn)行多排布置并通過(guò)在樁頂設(shè)置連梁形成組合結(jié)構(gòu)，整體上也具有較好的抗滑性能［4］。

微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)依靠組合群樁和周圍巖土體的共同作用維持邊坡穩(wěn)定，其抗滑作用主要來(lái)源于以下幾個(gè)方面［6］：

⑴微型樁在滑面處提供較大的抗剪力。

⑵樁與土形成抗滑體，共同抵抗滑坡推力。

⑶微型樁因受剪切變形在樁與滑面相交處產(chǎn)生兩個(gè)塑性鉸，導(dǎo)致該處樁身傾角增大，樁由受剪變?yōu)槭芾?，充分發(fā)揮了加筋材料的受拉優(yōu)勢(shì)。

⑷微型樁在滑面處的彎曲變形導(dǎo)致樁身產(chǎn)生縱向位移，在樁表面產(chǎn)生摩擦力，該力傳至土體中增加了滑面處的法向力，間接產(chǎn)生抗滑力。

2 二維有限元模型的建立

以典型設(shè)計(jì)剖面為例，采用GTS-NX 軟件建立二維平面應(yīng)變有限元模型，采用地層-結(jié)構(gòu)法進(jìn)行計(jì)算分析，中風(fēng)化巖、抗滑樁、舊擋土墻、連系梁及錨索采用線彈性本構(gòu)模型，其他地層采用莫爾-庫(kù)倫本構(gòu)模型［7］；分別對(duì)樁、土間及錨索錨固段與土體間設(shè)置接觸界面單元。模型尺寸設(shè)定為100 m×50 m（長(zhǎng)×高），共計(jì)3 655個(gè)單元，如圖1所示。模型的地層參數(shù)取值如表1 所示，樁-土及錨索-巖土體接觸界面參數(shù)取值如表2所示。

表1 邊坡巖土層參數(shù)Tab.1 Rock and Soil Layer Parameters for Slope

表2 接觸界面參數(shù)Tab.2 Contact the Interface Parameter

圖1 二維平面應(yīng)變有限元模型Fig.1 Two-dimensional Plane Strain Finite Element Model

3 模擬結(jié)果及分析

3.1 組合抗滑結(jié)構(gòu)的變形及受力特征

組合抗滑結(jié)構(gòu)變形及受力情況如圖2 所示，從數(shù)值模擬結(jié)果來(lái)看：組合抗滑結(jié)構(gòu)的變形特征類似于懸臂樁，最大值出現(xiàn)在樁的上部（47 mm），且變形量從左（臨邊坡側(cè)）至右依次減小，各排樁的變形最大值逐漸上移，至最右側(cè)時(shí)移動(dòng)至樁頂連梁附近；微型樁的最大負(fù)彎矩位于嵌固端起始位置，且從左至右依次減小。

圖2 組合抗滑結(jié)構(gòu)整體位移及彎矩云圖Fig.2 Overall Displacement and Bending Moment Cloud Diagram of Composite Anti Slip Structure

由于連系梁的存在，最大正彎矩在最右側(cè)微型樁與連系梁交界位置達(dá)到極值，其余區(qū)段正彎矩依然保持從左至右依次減小的規(guī)律，三排樁的受力較為均衡［9-10］。

3.2 連系梁對(duì)微型樁的影響

取消連系梁工況下對(duì)應(yīng)的微型樁變形及受力計(jì)算結(jié)果如圖3所示。在此工況下，對(duì)比圖2可知：微型樁最大變形位于左側(cè)樁頂處（53 mm），最大變形增大了約13%；且三排樁的變形均在樁頂處達(dá)到峰值，由位移矢量可見，三排樁的變形曲線均類似于懸臂樁，彼此之間不受約束。

微型樁的最大負(fù)彎矩仍出現(xiàn)在嵌固端起始位置，但其值相較于圖2 增大了37%，樁身正彎矩在左側(cè)樁中部達(dá)到極值，明顯大于中樁和右側(cè)樁，且其值相比圖2增大了約50%，中樁和右側(cè)樁正彎矩則依次減小，三排樁的受力情況彼此差異較大。

由此可見：連系梁可將多排微型樁連為一體，形成一種類剛架結(jié)構(gòu)，對(duì)微型樁的變形起到一定的限制作用，對(duì)微型樁的受力則影響較大。

3.3 錨索對(duì)組合結(jié)構(gòu)的影響

增加錨索（左側(cè)微型樁頂位置）工況下對(duì)應(yīng)的組合結(jié)構(gòu)變形及受力計(jì)算結(jié)果如圖4所示。在此工況下，對(duì)比圖2可知：組合結(jié)構(gòu)最大變形位于左側(cè)樁頂處（31.8 mm），最大變形減小了約32%；說(shuō)明錨索對(duì)組合結(jié)構(gòu)位移限制作用明顯。

圖4 錨索對(duì)組合結(jié)構(gòu)的影響Fig.4 The Influence of Anchor Cables on Composite Structures

由于錨索及連系梁的存在，最大正彎矩在中樁與連系梁交界位置達(dá)到極值，其余區(qū)段樁身彎矩依然為從左至右依次減小，三排樁的受力較為均衡。

4 工程設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 工程簡(jiǎn)況

擬治理滑坡災(zāi)害點(diǎn)位于廣東省龍川縣某鎮(zhèn)，平面呈簸箕形；滑坡兩側(cè)邊界、后緣清晰可辨，部分區(qū)段可見滑體剪出口，滑坡擴(kuò)展方式屬于牽引式，如圖5 所示。坡腳處修建有厚度不等的混凝土擋墻，現(xiàn)狀未發(fā)現(xiàn)擋墻出現(xiàn)明顯的變形及開裂現(xiàn)象，擋墻泄水孔90%已失效，只有少量泄水孔有水流出，擋墻外側(cè)距離房屋最近距離不足1 m，施工空間極其狹窄，如圖6所示。

圖5 滑坡范圍全貌Fig.5 General View of Landslide Area

圖6 坡腳民房與舊擋墻實(shí)景Fig.6 Live-action of the Slope Foot House and the Old Retaining Wall

坡腳為人工削坡建房，坡面以分級(jí)式混凝土擋土墻或噴混凝土的方式護(hù)坡，擋土墻臺(tái)階面可見明顯開裂，裂縫寬約3～5 cm，局部墻面有寬2～5 mm 的裂縫，部分鋼筋裸露；噴混凝土局部有明顯開裂、鼓包現(xiàn)象。邊坡巖土體主要由坡殘積土及全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r構(gòu)成，含水量高，土質(zhì)松軟，坡面植被稀疏，受雨水沖刷，局部已出現(xiàn)明顯變形跡象，穩(wěn)定性差；滑坡區(qū)面積約1 800 m2，剪出口位于擋墻以上平臺(tái)范圍，推測(cè)滑動(dòng)面位于全、強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r交界面附近，厚度約5～8 m。

4.2 工程重難點(diǎn)分析

⑴本工程位于斷裂帶附近，受構(gòu)造應(yīng)力影響，邊坡地質(zhì)情況變化較大，邊坡表層主要為坡殘積土，巖層以凝灰?guī)r和花崗巖為主；其中，凝灰?guī)r強(qiáng)度低，花崗巖殘積土遇水軟化，邊坡整體地質(zhì)條件較差；

⑵坡腳現(xiàn)狀擋土墻為居民自建，截面、厚度施工質(zhì)量等均差異較大，且缺少具體施工資料，擋墻質(zhì)量狀況無(wú)法準(zhǔn)確評(píng)估，成為邊坡支擋的薄弱環(huán)節(jié)，存在安全隱患。

⑶坡腳舊擋墻緊挨現(xiàn)狀民房，如圖6 所示，施工空間極其狹窄，現(xiàn)狀舊擋墻不具備加固作業(yè)條件，且邊坡周邊場(chǎng)地不具備大型機(jī)械設(shè)備作業(yè)條件，需考慮增加其他抗滑加固措施。

4.3 設(shè)計(jì)方案簡(jiǎn)介

本工程擬采用“分級(jí)削坡卸荷+坡面舊支護(hù)結(jié)構(gòu)破除+組合微型鋼管樁群+錨桿（索）格構(gòu)+坡面生態(tài)恢復(fù)+截排水”的綜合治理方案；滑坡治理典型剖面如圖7所示。

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

整個(gè)邊坡治理主要采用二級(jí)至三級(jí)削坡卸荷，將坡面破損的臺(tái)階式舊擋墻及砂漿抹面整個(gè)挖除，以消除安全隱患；將現(xiàn)狀坡腳舊擋墻作為安全儲(chǔ)備，增加微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)及錨索，如圖8所示。

圖8 微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)平面布置Fig.8 Plane Layout of Micro Pile Combination Anti Slip Structure （mm）

微型樁采用梅花形布樁，回轉(zhuǎn)鉆機(jī)成孔，成孔孔徑250 mm，內(nèi)插?159×6.0 無(wú)縫鋼管，灌P.O.42.5R 純水泥漿。微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)應(yīng)進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，包括剩余下滑力、結(jié)構(gòu)整體抗力、沿滑面抗剪承載力、樁內(nèi)力及樁嵌固長(zhǎng)度等內(nèi)容。

坡體采用錨索格構(gòu)進(jìn)行支護(hù)，并輔以完善的截排水系統(tǒng)。

5 結(jié)論

⑴ 連系梁對(duì)微型樁的變形起到一定的限制作用，對(duì)微型樁的受力則影響較大。連系梁需具備足夠的剛度，實(shí)際設(shè)計(jì)中，也可考慮采用蓋板連接的方式。

⑵微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)的變形最大值出現(xiàn)在臨邊坡側(cè)后排樁的上部，且錨索對(duì)微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)位移的限制作用明顯；因此，為更好地控制邊坡變形，在實(shí)際設(shè)計(jì)中，可在后排樁冠梁處增加一排錨索。

⑶結(jié)合滑坡防治設(shè)計(jì)規(guī)范［3］，微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)包含如下內(nèi)容：①計(jì)算剩余下滑力；②驗(yàn)算結(jié)構(gòu)整體抗力；③驗(yàn)算微型樁沿滑面抗剪承載力；④驗(yàn)算樁內(nèi)力；⑤驗(yàn)算樁嵌固長(zhǎng)度。

⑷微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)具有樁徑小、施工快捷、施工人員安全保障高、經(jīng)濟(jì)性好等優(yōu)點(diǎn)；尤其是針對(duì)施工條件受限的地質(zhì)災(zāi)害治理工程，可優(yōu)先考慮采用。