秦鳳艷,戈海玉

(皖西學(xué)院建筑與土木工程學(xué)院,安徽 六安 237012)

山體由于受到重力、地震力、人類工程活動(dòng)的影響易產(chǎn)生變形,嚴(yán)重時(shí)會(huì)形成滑坡。近年來我國地質(zhì)災(zāi)害頻發(fā),其中滑坡時(shí)有發(fā)生,其帶來的危害尤為嚴(yán)重,不僅表現(xiàn)在對(duì)生命財(cái)產(chǎn)的直接毀壞,而且滑坡易導(dǎo)致道路堵塞癱瘓,會(huì)增加救援的難度或延誤救援時(shí)間,因此對(duì)滑坡的治理及支護(hù)結(jié)構(gòu)的研究極為重要。在邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中,目前常用的支護(hù)結(jié)構(gòu)有抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索、預(yù)應(yīng)力錨索框架梁、擋土墻等。

徐青等[1-4]介紹了預(yù)應(yīng)力錨索在邊坡支護(hù)中的應(yīng)用,并對(duì)相應(yīng)的施工技術(shù)及優(yōu)化設(shè)計(jì)思路進(jìn)行了研究,主要考慮了錨索的錨固角及錨固長度。趙濤等[5-7]分析了地震作用力對(duì)邊坡的影響,針對(duì)錨索的長度及間距進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。邵廣彪等[8-9]介紹了抗滑樁在邊坡支護(hù)中的應(yīng)用,對(duì)抗滑樁的受力特點(diǎn)及變形規(guī)律進(jìn)行了分析。何忠明等[10]運(yùn)用模糊數(shù)學(xué)理論對(duì)邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行了優(yōu)選。已有研究成果對(duì)滑坡的治理提供了重要的參考依據(jù),但在復(fù)合支護(hù)中不同結(jié)構(gòu)體系的相互影響仍值得探討,如抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索結(jié)合支護(hù)滑坡時(shí),抗滑樁與錨索的間距問題等;另外,不同的工程地質(zhì)條件往往產(chǎn)生不同的結(jié)果,因此在滑坡治理中應(yīng)根據(jù)具體情況具體分析。

本文針對(duì)某實(shí)際滑坡治理工程,對(duì)其支護(hù)方案進(jìn)行比選,并通過分析抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁這兩種支護(hù)結(jié)構(gòu)的相互影響,對(duì)支護(hù)體系進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某邊坡由于連日降雨,已經(jīng)產(chǎn)生滑動(dòng),滑坡后緣張裂縫清晰可見,寬度為10～40 cm,如圖1所示?；w位于山體斜坡地中下部,平均厚度12.5 m,滑動(dòng)面如圖2所示。滑坡所處地形坡度20°～40°,滑坡高度約為60.5 m。該滑坡地層總體走向?yàn)镹W,傾向?yàn)镹E50°～60°?；轮饕獮樯喜克缮⒍逊e體產(chǎn)生滑動(dòng),邊坡原有的擋土墻支護(hù)結(jié)構(gòu)已不能滿足工程需要,而且在滑坡下方有廠房和居民區(qū),所以該滑坡必須重新支護(hù)。

圖1 滑坡后緣張裂縫

圖2 滑坡剖面示意圖

根據(jù)鉆探和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,滑坡體地層由耕植土、黏土夾碎塊石組成,下伏基巖為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,自上而下依次為:①耕植土,褐黃色,由黏土夾碎石組成,厚度一般為0.5 m,分布在自然坡面表層,植物根系發(fā)育,結(jié)構(gòu)疏松;②黏土,黃色,土體結(jié)構(gòu)較松散,含大量泥巖風(fēng)化殘塊,工程性質(zhì)一般;③強(qiáng)風(fēng)化石灰?guī)r,灰色,薄至中厚層狀?yuàn)A泥巖,細(xì)晶結(jié)構(gòu),整體性較差,巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅲ、Ⅳ類;④中風(fēng)化白云巖,灰白色,薄至中厚層狀,隱晶-細(xì)晶結(jié)構(gòu),巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅱ、Ⅲ類;⑤弱風(fēng)化砂巖,灰黃色,薄至中厚層狀,中粒砂狀結(jié)構(gòu),巖芯成柱狀,強(qiáng)度較好。

滑坡區(qū)內(nèi)地下水類型主要為碳酸巖巖溶水,賦存于石灰?guī)r及白云巖的巖體溶蝕裂隙中,水量受地形、巖性等因素的控制,區(qū)內(nèi)地下水總體上由北向南徑流,在地勢低洼部位以泉的形式出露地表。通過鉆孔進(jìn)行水位觀測,在鉆探深度范圍內(nèi)未揭穿地下水,說明地下水位埋藏很深,在支護(hù)設(shè)計(jì)中可以不考慮地下水的影響,該邊坡安全等級(jí)為二級(jí)。

1.2 滑坡的成因及支護(hù)方案

根據(jù)現(xiàn)場勘察,產(chǎn)生滑坡的原因主要有兩個(gè):一是滑坡由耕植土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化巖體組成,這部分巖土體強(qiáng)度低,穩(wěn)定性差;二是滑坡產(chǎn)生前該地區(qū)連續(xù)降雨多日,加之耕植土透水性較好,大量降水經(jīng)地表滲入滑體中且未能及時(shí)排出,巖土體容重及下滑力顯著增加,導(dǎo)致產(chǎn)生滑動(dòng)?；孪扔缮喜繋r土體松動(dòng)下滑,然后帶動(dòng)下部巖土體滑動(dòng),該滑坡類型為推移式滑坡,按滑坡體物質(zhì)組成和滑坡與地質(zhì)構(gòu)造的關(guān)系又可稱為覆蓋層滑坡。

根據(jù)該滑坡的工程地質(zhì)條件,擬采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁及抗滑樁來支護(hù),這兩種支護(hù)形式施工技術(shù)都比較成熟,在邊坡支護(hù)工程中得到了廣泛的應(yīng)用[11]。采用3套支護(hù)方案:方案1采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)；方案2采用抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)；方案3采用雙排抗滑樁支護(hù)。

圖3為支護(hù)方案示意圖,方案1為預(yù)應(yīng)力錨索框架梁結(jié)構(gòu),將邊坡分為二級(jí)結(jié)構(gòu),中間設(shè)置4 m寬平臺(tái),其中預(yù)應(yīng)力錨索錨固段為6 m,錨固于弱風(fēng)化砂巖中,錨固噸位為30 t,錨索為4束直徑為15.24 mm的鋼絞線,間距取4 m,框架梁采用0.5 m×0.5 m矩形截面,彈性模量取19 GPa。方案2為抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁聯(lián)合支護(hù)方案,其中抗滑樁嵌入弱風(fēng)化砂巖中7 m,抗滑樁直徑為1.2 m,彈性模量取31 GPa,抗滑樁與最下排預(yù)應(yīng)力錨索錨頭距離為19.7 m,錨索參數(shù)與方案1中相同。方案3為雙排抗滑樁支護(hù)方案,抗滑樁相隔10.2 m,嵌巖深度仍為7 m,抗滑樁直徑也仍為1.2 m。

圖3 支護(hù)方案示意圖

2 支護(hù)方案比較分析

邊坡設(shè)計(jì)常采用極限平衡法,但是該方法不能得到邊坡的變形、穩(wěn)定性系數(shù)、塑性區(qū)分布情況等結(jié)果,無法綜合判斷支護(hù)方案的優(yōu)劣,且對(duì)該滑坡而言,滑坡下方有廠房及民居,因此邊坡的穩(wěn)定性及位移均應(yīng)滿足設(shè)計(jì)要求。目前數(shù)值模擬手段在邊坡穩(wěn)定性評(píng)價(jià)中得到了廣泛應(yīng)用[12],為了對(duì)比分析上述3種支護(hù)方案的支護(hù)效果,采用數(shù)值分析軟件FLAC3D計(jì)算出邊坡的位移、應(yīng)力分布、剪應(yīng)變增量等指標(biāo),來綜合分析各方案的優(yōu)劣。該滑坡原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格見圖4,滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。

圖4 原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格

表1 滑坡巖土體物理力學(xué)參數(shù)

圖5為未支護(hù)時(shí)的邊坡位移計(jì)算結(jié)果,最大水平位移為873.970 mm,最大沉降為614.940 mm,說明邊坡位移較大,穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果為1.012,邊坡為臨界狀態(tài),急需支護(hù)。計(jì)算結(jié)果與實(shí)際情況較吻合,這也說明了巖土體物理力學(xué)參數(shù)的取值是合理的。

圖5 未支護(hù)時(shí)邊坡位移計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

3種支護(hù)方案中,抗滑樁較容易施工,對(duì)環(huán)境的影響較小,但造價(jià)略高;預(yù)應(yīng)力錨索框架梁施工時(shí)不易操作,且對(duì)環(huán)境影響大,需要坡面清理等工序,會(huì)破壞原有的綠化,但和抗滑樁相比,其工期略短,造價(jià)略低。因此方案1的特點(diǎn)是造價(jià)低,難施工,工期長,對(duì)環(huán)境影響大;方案3的特點(diǎn)是造價(jià)高,易施工,工期短,對(duì)環(huán)境影響小;方案2位于兩者之間。經(jīng)過概算,方案1、2、3的造價(jià)分別為228萬元、235萬元和265萬元,從造價(jià)的角度來說方案1最佳,方案3最差。

圖6為3種支護(hù)方案水平位移計(jì)算結(jié)果,其中方案1最大水平位移為18.046 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體上部;方案2最大水平位移為23.242 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體的中上部;方案3最大水平位移為37.667 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體下部。從最大水平位移情況來看,方案1最小,方案3最大,說明采用預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)結(jié)構(gòu)要優(yōu)于其他兩種形式,其中方案2比方案1最大水平位移增大了28.79%,方案3比方案1最大水平位移增大了108.73%。

圖6 支護(hù)方案水平位移計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

為了更好地對(duì)比這3種方案的計(jì)算結(jié)果,將邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應(yīng)變增量也列入比較,結(jié)果見表2。

從表2可以看出,各項(xiàng)指標(biāo)均顯示方案3支護(hù)效果最差。方案2與方案1相比,穩(wěn)定性系數(shù)減小了3.80%,最大沉降減小了1.13%,最大剪應(yīng)變增量增大了2.82%,可見方案1和方案2相差不大,

表2 支護(hù)方案計(jì)算結(jié)果

圖7 優(yōu)化方案水平位移計(jì)算結(jié)果(單位:mm)

因此這兩種支護(hù)方案均可采用。由于抗滑樁的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性要強(qiáng)于預(yù)應(yīng)力錨索框架梁,即錨索隨著時(shí)間的推移會(huì)出現(xiàn)預(yù)應(yīng)力損失和失效的現(xiàn)象,而且滑坡下方為一條公路和一家木材廠,更需注重支護(hù)結(jié)構(gòu)的耐久性;而從造價(jià)來看,方案2只是略大于方案1,所以綜合比較宜采用方案2進(jìn)行支護(hù)加固。

3 支護(hù)方案優(yōu)化設(shè)計(jì)

根據(jù)比選結(jié)果,對(duì)方案2采用的聯(lián)合支護(hù)形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。優(yōu)化設(shè)計(jì)主要考慮抗滑樁的位置,設(shè)計(jì)了4種方案,見圖3(d),其中方案b與方案2相同。方案a、c、d中抗滑樁與最下排預(yù)應(yīng)力錨索錨頭距離分別為30.9 m、9.6 m和1.0 m。通過計(jì)算分析這4種方案以確定抗滑樁的最佳位置。

圖7為方案a、c、d水平位移計(jì)算結(jié)果,由圖6(b)和圖7可以看出,方案a、b、c、d最大水平位移分別為32.676 mm、23.242 mm、14.012 mm、11.991 mm。從最大水平位移來看,方案d最優(yōu),但是從最大水平位移發(fā)生部位來看,方案a、b、c均位于滑坡中上部,而方案d則位于滑坡的下部,這是由于滑體下部無任何支護(hù)結(jié)構(gòu)所致。雖然方案d最大水平位移值最小,但是這種支護(hù)方案存在安全隱患,抗滑樁距錨索太近,滑體下部容易再次滑動(dòng)。為了詳細(xì)比較這4種方案,對(duì)邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應(yīng)變增量計(jì)算結(jié)果(表3)做進(jìn)一步的分析,從表3可以看出,方案c穩(wěn)定性系數(shù)最大,且剪應(yīng)變增量最小,雖然方案d的最大水平位移及沉降均最小,但其穩(wěn)定性系數(shù)為1.353,比方案c要小12.03%,綜合考慮,認(rèn)為方案c為最佳方案,其穩(wěn)定性系數(shù)比方案1還提高了4.41%。因此最終確定抗滑樁與最下排錨索錨頭距離在10 m左右為最佳。

表3 優(yōu)化方案計(jì)算結(jié)果

4 方案實(shí)施效果

經(jīng)過方案的比選及優(yōu)化,該滑坡選擇方案c進(jìn)行了支護(hù),圖8為邊坡支護(hù)完成后的水平位移的部分監(jiān)測記錄,監(jiān)測儀器為XB338型滑動(dòng)式測斜儀,根據(jù)支護(hù)后邊坡的變形特征,將監(jiān)測點(diǎn)的位置設(shè)于滑體中部即變形較大部位(參見圖7(b)方案c的計(jì)算結(jié)果)。1 a后邊坡最大水平位移為10.285 mm,說明支護(hù)效果良好,優(yōu)化設(shè)計(jì)是成功的。與數(shù)值模擬結(jié)果相比,目前監(jiān)測結(jié)果略小于模擬結(jié)果,因?yàn)閿?shù)值模擬結(jié)果為變形的最終結(jié)果,而監(jiān)測結(jié)果為中間狀態(tài),可以看出數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測結(jié)果比較吻合。

圖8 邊坡支護(hù)完成后位移

5 結(jié) 論

a. 通過比選,抗滑樁結(jié)合預(yù)應(yīng)力錨索框架梁支護(hù)方案為最佳方案,能夠提供較大的安全系數(shù),有效地控制滑坡位移。

b. 抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索框架梁間距越近,滑坡的最大水平位移越小,但從邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)來看,存在一個(gè)最佳間距,大于或小于最佳間距穩(wěn)定性系數(shù)均呈減小趨勢,該滑坡最佳間距為10 m左右。

c. 在比選支護(hù)結(jié)構(gòu)時(shí),不能單純地分析滑坡的位移,位移小并不代表支護(hù)效果佳,應(yīng)當(dāng)綜合分析滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)、剪應(yīng)變增量等因素。

參考文獻(xiàn)：

[1] 徐青,徐寅,陳勝宏,等.復(fù)雜巖質(zhì)邊坡預(yù)應(yīng)力錨索優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].長江科學(xué)院院報(bào),2011,28(2):32-37.(XU Qing,XU Yin,CHEN Shenghong,et al.Optimization design of prestressed anchorage cables in complicated rock slope[J].Journal of Yangtze River Scientific Research Institute,2011,28(2):32-37.(in Chinese)

[2] 張德圣,姜玉松,吳詩勇.小灣水電站堆積體邊坡支護(hù)與錨索技術(shù)應(yīng)用[J].水利水電科技進(jìn)展,2011,31(2):66-70.(ZHANG Desheng,JIANG Yusong,WU Shiyong.Reinforcing of deposit slopes of Xiaowan Hydropower Station and application of prestressed anchorage cables[J].Advances in Science and Technology of Water Resources,2011,31(2):66-70.(in Chinese)

[3] 王啟云,張家生,陳曉斌,等.某復(fù)雜高邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及變形監(jiān)測分析[J].建筑結(jié)構(gòu),2012,42(10):130-135.(WANG Qiyun,ZHANG Jiasheng,CHEN Xiaobing,et al.Design for retaining structure and deformation monitoring analysis of a complicated high building slope [J].Building Structure,2012,42(10):130-135.(in Chinese)

[4] 邵勇,覃仁輝.預(yù)應(yīng)力錨索框架梁邊坡支護(hù)數(shù)值模擬[J].地球科學(xué)與環(huán)境學(xué)報(bào),2010,32(3):307-310.(SHAO Yong,QIN Renhui.Numerical simulation of slope supporting for prestressed anchor with frame beam [J].Journal of Earth Sciences and Environment,2010,32(3):307-310.(in Chinese)

[5] 趙濤,折學(xué)森.基于地震力的邊坡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].廣西大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版,2012,37(4):706-710.(ZHAO Tao,SHE Xuesen.Optimum slope design based on seismic force[J].Journal of Guangxi University: Naturnal Scicience Edition,2012,37(4):706-710.(in Chinese)

[6] 鄭文博,莊曉瑩,蔡永昌,等.地震作用下預(yù)應(yīng)力錨索對(duì)巖石邊坡穩(wěn)定性影響的模擬方法及錨索優(yōu)化研究[J].巖土工程學(xué)報(bào),2012,34(9):1668-1676.(ZHENG Wenbo,ZHUANG Xiaoying,CAI Yongchang,et al.Modeling of prestressed anchors in rock slope under earthquake and optimization of anchor arrangement [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2012,34(9):1668-1776.(in Chinese)

[7] 邵勇,閻長虹,許寶田.土坡地震穩(wěn)定性影響因素分析[J].煤田地質(zhì)與勘探,2010,38(5):47-50.(SHAO Yong,YAN Changhong,XU Baotian.Analysis on influencing factors of soil slope dynamic stability under earthquake[J].Coal Geology & Exploration,2010,38(5):47-50.(in Chinese)

[8] 邵廣彪,孫劍平,崔冠科.某永久邊坡雙排樁支護(hù)設(shè)計(jì)及應(yīng)用[J].巖土工程學(xué)報(bào),2010,32(增刊1):215-218.(SHAO Guangbiao,SUN Jianping,CUI Guanke.Design and application of double-row pile retaining structures in a permanent slope [J].Chinese Journal of Geotechnical Engineering,2010,32(Sup1):215-218.(in Chinese)

[9] 焦瑞玲,吳連海.臨結(jié)合的鉆孔灌注樁排樁擋土墻在既有線邊坡支擋工程中的應(yīng)用[J].鐵道標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì),2013(5):41-43.(JIAO Ruiling,WU Lianhai.Application of bored cast-in-situ soldier-pile retaining wall with permanent-temporary dual purpose in slope retaining project of existing line [J].Railway Standard Design,2013(5):41-43.(in Chinese)

[10] 何忠明,曹平.基于模糊多屬性決策模型的邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案優(yōu)選[J].礦業(yè)工程,2009,29(5):1-4.(HE Zhongming,CAO Ping.Optimization of slope support design based on fuzzy multiple attribute decision-making model [J].Mining and Metallurgical Engineering,2009,29(5):1-4.(in Chinese)

[11] 史彥文.錨索框架梁和抗滑樁聯(lián)合支護(hù)在路基高邊坡滑坡治理中的應(yīng)用[J].公路,2004(2):89-91.(SHI Yanwen.Application of combining support of frame beams of prestressed anchor rope and anti-slide piles to treatment of landslide of high slope[J].Highway,2004(2):89-91.(in Chinese)

[12] 王樂華,王家成,楊?yuàn)檴?等.考慮地下水影響的大華滑坡塌岸預(yù)測[J].水利水電科技進(jìn)展,2012,32(1):58-61.(WANG Lehua,WANG Jiacheng,YANG Shanshan,et al.Prediction of Dahua landslide collapse considering the impact of groundwater [J]. Advances in Science and Technology of Water Resources,2012,32(1):58-61.(in Chinese)