李士超

(中國鐵路設(shè)計集團有限公司，天津 300251)

抗滑樁作為重要的支擋措施，在滑坡治理中應(yīng)用廣泛。對于大型滑坡，因其下滑推力極大，許多工程采用雙排抗滑樁，一些學(xué)者對此進行了一系列研究。熊志文、吳紅剛等分別進行了雙排樁的室內(nèi)模型試驗，分析雙排樁的滑坡推力分配特點[1-2]。呂美君、祈斌、申永江、梅敏、張程峰等研究了雙排樁的推力分配，以及樁排距對前后排樁推力分配的影響[3-7]。孫勇等利用鋼架法計算頂部設(shè)連梁的雙排抗滑樁，通過實例得出雙排樁較單排樁節(jié)省費用的結(jié)論[8-9]。唐芬等研究了不同排距雙排樁承擔滑坡推力的特征，指出當前后兩排樁達到一定距離后，雙排樁完全獨立工作，兩排樁均可達到最佳抗滑效果[10]。以下所討論的雙排樁即為排距足夠大且各自獨立工作的兩排抗滑樁。埋入式抗滑樁可有效降低滑面以上懸臂高度，進而減小樁長，降低投資，在滑坡治理中得到廣泛應(yīng)用。當滑坡有兩個滑面時，樁頂高程受上層滑面的控制，懸臂高度難以有效降低，但通過設(shè)置多排抗滑樁，可對滑體分段進行支擋加固，當上排抗滑樁對上層滑體已進行有效加固時，下排抗滑樁可不受上層滑面控制，從而可以降低懸臂高度，減小樁長。以某雙層滑面滑坡的治理方案設(shè)計過程為例，探討雙排抗滑樁的特點及設(shè)計方法。

1 工程概況

某滑坡為牽引式滑坡，雨季發(fā)生滑動，滑坡區(qū)域面積約為33 800 m2，滑坡體厚7～18 m，分布有上下兩層滑面，上層滑面(ABC)為土石界面，下層滑面(DBC)位于巖層內(nèi)，上下滑面之間最大距離近10 m，地震動峰值加速度為0.10g(地震基本烈度Ⅶ度)。因臨近村莊，不具備清方卸載條件(見圖1、圖2)。

圖1 滑坡平面

圖2 滑坡剖面

2 抗滑樁設(shè)計

2.1 滑坡推力計算方法

我國鐵路與工民建行業(yè)常采用傳遞系數(shù)法，該方法對于傾角較緩、相互間變化不大的折線段組成的滑面較為適用。該方法有如下假定[2]：

①滑坡體不可壓縮，不考慮條塊間的擠壓變形。

②條塊之間只傳遞推力，不傳遞拉力。

③條塊間的剩余下滑力平行于前一塊的滑面方向且作用在分界面中點。

④取單位長度寬的巖土體作為計算的基本斷面，不考慮兩側(cè)的摩擦力。

實際計算中，應(yīng)考慮一定的安全儲備(選用合理的安全系數(shù))，計算式為

Ei=KsWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

式中Ei——第i滑塊剩余下滑力/(kN/m)；

Ei-1——第i-1滑塊剩余下滑力/(kN/m)

Wi——第i滑塊重力/(kN/m)；

Ri——第i滑塊滑床反力/(kN/m)；

ψi——i-1滑塊對i滑塊的剩余下滑力傳遞系數(shù)，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；

φi——第i滑塊滑面上巖土體的內(nèi)摩擦角/(°)；

ci——第i滑塊滑面上巖土體的黏聚力/kPa；

li——第i滑塊滑動面長度/m；

αi——第i滑塊滑面的傾角/(°)；

αi-1——第i-1滑塊滑面的傾角/(°)；

在計算過程中，當滑面有逆坡段時，其傾角為負值，Wisinαi也為負值(實際為抗滑力)，此時不應(yīng)再乘安全系數(shù)。

計算時，應(yīng)從上往下逐塊進行，剩余下滑力可用以判斷滑坡體的穩(wěn)定性。如最后一塊的En>0，說明滑坡體在要求的安全系數(shù)下不穩(wěn)定，反之則穩(wěn)定。如果某一滑塊的Ei為負值或零，則說明本塊以上巖土體穩(wěn)定，下一條塊計算時無需考慮上一滑塊的推力。

當安全系數(shù)Ks一定的條件下，給定c值，令En=0，則可通過試算法求出φ值，反之，給定φ值亦可反算出c值。

本文案例的滑坡傾角較緩，可采用折線滑面?zhèn)鬟f系數(shù)法進行計算。

2.2 滑面參數(shù)反算

滑面土體力學(xué)參數(shù)采用反算法確定，滑坡發(fā)生條件下穩(wěn)定安全系數(shù)為0.95，根據(jù)折線形滑面邊坡傳遞系數(shù)法，給定c=5 kPa，反算φ值。

由剖面可知，上下兩層滑面在后部(BC段)重合，需首先反算上層滑面(滑面ABC)的φ值。再將反算出的φ值賦予滑面BC段，反算下層滑面DBC中DB段的φ值。

經(jīng)計算，上層滑面c=5 kPa，φ=8.2°，下層滑面c=5 kPa，φ=9.73°。

根據(jù)地質(zhì)報告，土石分界線粉質(zhì)黏土飽和殘余剪切強度為：黏聚力c=7 kPa，內(nèi)摩擦角φ=21.9°。

巖石滑界黑色軟泥巖飽和殘余剪切強度為：黏聚力c=11 kPa，內(nèi)摩擦角φ=10.6°。

與上述反算值對照后，取反算值計算剩余下滑力。

2.3 剩余下滑力計算

結(jié)合抗滑樁布置位置對滑體進行條塊劃分，以便求出樁背處剩余下滑力。

本次下滑力計算，一般工況條件下安全系數(shù)為1.2，地震工況條件下安全系數(shù)為1.15，取不利的大值進行抗滑樁檢算。

圖3 下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖4 上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

如圖3、圖4所示，剩余下滑力逐漸增大的段落為下滑段，剩余下滑力逐漸減小的段落為阻滑段，對滑坡進行加固時，抗滑樁應(yīng)設(shè)置于阻滑段，按單排抗滑樁和雙排抗滑樁兩個方案分別進行設(shè)計。

(1)單排抗滑樁方案

如圖3、圖4所示，對于下層滑面，滑塊16～18剩余下滑力逐漸減小，為阻滑段，樁應(yīng)設(shè)置于滑塊15之下，剩余下滑力為4 557.53 kN。由于需要同時抵抗上層滑面、下層滑面剩余下滑力的作用，上層滑面以上需保證足夠的樁長。

(2)雙排抗滑樁方案

楊波、鄭穎人等提出應(yīng)使兩排樁受力較為接近的優(yōu)化準則[3]，雙排抗滑樁方案可以此作為優(yōu)化目標。對于下層滑面，由圖3可知，滑塊7剩余下滑力約為滑塊15剩余下滑力的一半。初步選定滑塊7與滑塊8之間為上排樁位置。

對于上層滑面(如圖5所示)，滑塊1～7為下滑段，滑塊8～17為阻滑段。采用上排樁對滑坡中后部進行加固后，滑塊8及其以下部分能夠?qū)崿F(xiàn)自穩(wěn)。

為驗證這一點，將滑塊1～7對應(yīng)滑面φ值賦予一個足夠大的值，使滑塊1～7剩余下滑力均為負值，等效于滑塊1～7已被完全控制，不會發(fā)生滑動。計算上排樁以下各滑塊剩余下滑力。

圖5 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(單位：kN)

上層滑面計算結(jié)果如圖6所示，滑塊15、滑塊16、滑塊17剩余下滑力均為負值，表明上排樁實施后，滑塊8～滑塊17整體穩(wěn)定。

圖6 雙排樁方案上層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對于下層滑面，將下排樁布置于滑塊15與滑塊16之間，由于上排樁已對滑塊1～滑塊7進行擋護加固，下排樁僅需抵抗滑塊8～滑塊15產(chǎn)生的剩余下滑力。將滑塊1～滑塊7對應(yīng)滑面φ值賦予一個足夠大的值，使滑塊1～滑塊7剩余下滑力均為負值。計算滑塊8～滑塊18的剩余下滑力，計算結(jié)果如圖7所示。

圖7 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(單位：kN)

圖8 雙排樁方案下層滑面剩余下滑力(上排樁以下部分)(單位：kN)

對照圖7、圖8可知，在上排樁施工后，滑塊8～滑塊18剩余下滑力明顯減小。其中，滑塊15剩余下滑力由4 557.53 kN減小為2 262.94 kN，降幅達50%，可見上排樁可有效減小下排樁樁背所受剩余下滑力。

上排樁、下排樁所受剩余下滑力分別為2 380.09 kN和2 262.94 kN，二者較為接近，較均衡地抵抗了剩余下滑力的作用。

2.4 抗滑樁檢算

在2.2中已經(jīng)確定了抗滑樁樁位，另外一個影響抗滑樁彎矩大小的因素為滑面以上的懸臂高度。

(1)擬定樁頂高程，進行越頂檢算。檢算時可采用兩種方法：①對于土質(zhì)地層內(nèi)的剪出破壞，采用圓弧滑動法，給定圓弧出入口范圍，通過搜索最危險滑動面進而求出安全系數(shù)，若安全系數(shù)大于目標值(一般工況下不小于1.25，地震條件下不小于1.15)，則不存在越頂破壞。②假定剪出口位置及部分滑面，采用此前反算的滑面參數(shù)計算剩余下滑力，若最下側(cè)滑塊剩余下滑力大于零，則存在越頂破壞的情況，反之則安全。在確保不出現(xiàn)越頂破壞的前提下，應(yīng)盡量加大樁頂埋深。

(2)擬定樁長、樁徑、樁間距。檢算樁身受力情況需滿足以下條件：①樁身作用于圍巖的側(cè)向壓應(yīng)力不大于地基的橫向容許承載力。②樁截面在滿足規(guī)范規(guī)定配筋構(gòu)造要求的前提下，可提供足夠的正截面承載力及斜截面承載力。③當滑坡范圍有民宅等建筑物時，還應(yīng)將樁頂位移限定在一定范圍內(nèi)。

(3)在滿足以上條件的前提下，分析下層滑面以下是否會產(chǎn)生新的深層滑動：①對于土質(zhì)地層滑坡，可采用圓弧滑動法搜索最危險圓弧，從而判斷是否存在深層滑動的可能性。②對于本文案例中的巖層滑面滑坡，下層滑面以下以泥巖為主，不存在軟弱面、破碎帶等發(fā)生深層滑動的基礎(chǔ)條件，且工程措施除設(shè)置抗滑樁外，還采用二八灰土對滑坡裂縫進行夯填封堵，對滑坡區(qū)域進行整順夯實，通過后緣截水溝及滑坡中部的截水溝，將匯水引排至滑坡范圍外，減少了表水下滲，消除了滲水軟化地層這一滑坡產(chǎn)生的重要誘因，從而可以避免深部滑動情況的發(fā)生。

單排樁、雙排樁方案設(shè)計參數(shù)如表1。

表1 抗滑樁設(shè)計參數(shù) m

由表1可知，單排樁方案中，因剩余下滑力高達4 557.53 kN，且懸臂高度大，單純理論上計算得出的抗滑樁參數(shù)，樁截面需要加大至3 m×4 m，樁間距僅3.5 m，考慮到樁施工護壁厚度為0.2 m，實際上各根樁已經(jīng)基本連成一堵墻。

雙排樁方案中，上下兩排樁較為均衡地承擔了剩余下滑力的作用，下排樁剩余下滑力減小為2 262.94 kN，降幅達50%，且下排樁樁頂高程不受上層滑面控制，可適當加大樁頂埋深，從而降低了懸臂高度，樁長得以減小。

經(jīng)計算，靠近滑坡兩側(cè)位置，采用2 m×2.5 m的抗滑樁，滑坡主體區(qū)域采用2.5 m×3 m的抗滑樁，抗滑樁根數(shù)及圬工量如表2所示。

表2 抗滑樁數(shù)量

由表2可知，盡管雙排樁方案樁根數(shù)有所增加，但由于剩余下滑力下降明顯，樁徑、樁長得以優(yōu)化，圬工量更小，且大幅減小了樁身承受的滑坡推力作用，避免了樁間距過密的情況，雙排樁方案平面布置如圖9。

圖9 雙排樁方案平面

3 結(jié)論

(1)對于多滑面滑坡，應(yīng)對各滑面參數(shù)分別進行反算，得出各滑面處剩余下滑力。

(2)對于不具備清方卸載條件的大型滑坡，因下滑力很大，采用單排樁進行擋護時存在樁徑大、間距過密的情況，而通過雙排樁共同承擔剩余下滑力，每排樁承擔的下滑力將大大減小，其方案更具可實施性。

(3)設(shè)置雙排抗滑樁時，應(yīng)使兩排樁承擔的剩余下滑力盡量接近，較為均衡地分擔剩余下滑力。

(4)通過上排樁可對上層滑體進行有效加固，下排樁樁頂不受上層滑面控制，從而可以加大樁頂埋深，減小懸臂高度，進而減小樁長。

[1] 熊治文，馬輝，朱海東.全埋式雙排抗滑樁的受力分布[J].路基工程，2002(3)：5-11

[2] 吳紅剛，馮文強.雙排樁治理大型多滑動面滑坡的振動臺試驗[J].鐵道工程學(xué)報，2015,32(11)：30-36

[3] 呂美君，晏鄂川.埋入式雙排抗滑樁推力分配研究[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2005,24(1)：4866-4871

[4] 祈斌，常波，吳益平.雙排抗滑樁滑坡推力分配影響因素分析[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2011,19(3)：359-363

[5] 申永江，孫紅月，尚岳全，等.滑坡推力在懸臂式雙排抗滑樁上的分配[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2012,31(S1)：2668-2672

[6] 梅敏.斜坡積土雙排抗滑樁受力特性及優(yōu)化設(shè)計研究[J].公路工程，2015,40(3)：181-184，191

[7] 王宇龍，等.基于二維正態(tài)分布的巖體抗剪強度參數(shù)取值范圍確定[J].水利水電技術(shù)，2017，48(2)：74-78

[8] 孫勇.西部山區(qū)雙排抗滑樁的機理及設(shè)計研究[J].工程地質(zhì)學(xué)報，2008(3)：96-100

[9] 孫勇.滑坡面下雙排抗滑結(jié)構(gòu)的計算方法研究[J].巖土力學(xué)，2009,30(10)：2971-2977,2984

[10] 唐芬，鄭穎人，楊波.雙排抗滑樁的推力分擔及優(yōu)化設(shè)計[J].巖石力學(xué)與工程學(xué)報，2010,29(S1)：3162-3168

[11] 李海光，新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2011

[12] 國家鐵路局.TB 10001—2016 鐵路路基設(shè)計規(guī)范[S].北京：中國鐵道出版社，2017

[13] 楊波，鄭穎人，趙尚毅，等.雙排抗滑樁在三種典型滑坡的計算與受力規(guī)律分析[J].巖土力學(xué)，2010,31(S1)：237-244