小口徑組合抗滑樁加固技術(shù)應(yīng)用研究

洪俊展，廖立平

(湖南省地質(zhì)礦產(chǎn)勘查開發(fā)局四零九隊，湖南 永州 425000)

抗滑樁支護是滑坡地質(zhì)災(zāi)害防治的重要方法和步驟[1]，傳統(tǒng)大口徑抗滑樁在中深層以及非塑流性滑坡治理工程中應(yīng)用較為普遍[2]，傳統(tǒng)抗滑樁施工速度慢，成本高，對施工環(huán)境破壞大，難以滿足快速阻礙滑坡發(fā)展的要求[3]。小口徑組合抗滑樁由于其施工快捷、安全、經(jīng)濟性好，在滑坡?lián)岆U應(yīng)急治理工程中有廣泛應(yīng)用[4]。目前，傳統(tǒng)抗滑樁滑坡治理設(shè)計方法較為成熟，工程應(yīng)用較多，但關(guān)于小口徑組合抗滑樁滑坡治理設(shè)計的文獻相對較少[5]。伍永仟等[6]采用傳遞系數(shù)法分析邊坡穩(wěn)定性，采用理正巖土軟件計算邊坡的剩余下滑力，為同類工程設(shè)計提供了參考。胡國平等[7]基于平面剛架假設(shè)，對微型樁組合抗滑結(jié)構(gòu)的變形及內(nèi)力計算公式進行推導(dǎo)，采用差分法對附加推力引起的前樁的變形和內(nèi)力進行計算。張錄斌等[4]基于等效法將微型鋼管組合抗滑樁群與巖土體作為一個柔性抗滑擋墻，介紹了微型鋼管組合抗滑樁的一般設(shè)計步驟。胡時友等[8]通過不同樁距下三排微型樁加固碎石土滑坡室內(nèi)模型試驗，研究了微型樁受力變形特性和滑坡推力傳遞規(guī)律。在上述研究成果的基礎(chǔ)上，開展了小口徑組合抗滑樁加固技術(shù)在某滑坡應(yīng)急治理工程的實際應(yīng)用，取得了一定的效果，驗證了設(shè)計的科學(xué)性、經(jīng)濟性和可靠性。

1 工程概況

永州市冷水灘區(qū)某滑坡始發(fā)于2017年7月，連續(xù)暴雨導(dǎo)致坡面土體飽和沿巖土交界面發(fā)生滑坡?；缕矫娉驶睿潞缶壩挥谛逼马敳糠炙畮X一帶；前緣剪出口位于坡體下部鼓脹裂縫或巖土交界面處，相對高差為26.0 m。主滑方向為230°，整體坡度約為20°，滑坡長約75 m，寬約145 m，平均厚度約為8 m，滑坡面積1.09×104m2，體積8.72×104m3，規(guī)模為小型。該滑坡嚴重威脅下方居民200多戶約1 500人，潛在經(jīng)濟損失約5 000萬元?；路乐喂こ痰燃墳棰窦?。

1.1 滑體

組成滑體的巖土層自上而下主要可分為2層：第1層為卵石層，分布于滑體表層。卵石層厚度為0～8.6 m，呈黃色，密實度為中密，級配不良，顆粒形狀以圓形及亞圓形為主，粒徑20～160 mm，約占總質(zhì)量的58%，母巖成分主要為砂巖，黏性土填充。第2層為粉質(zhì)黏土層，廣泛分布于整個滑坡區(qū)域，厚度3.50～12.80 m，呈紫紅色，硬塑-可塑，含少量中等風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖碎石，含量為10%～15%，切面較光滑，稍有光澤，搖振反應(yīng)中等，干強度中等。其中卵石天然重度20.1 kN/m3，飽和重度22.0 kN/m3。粉質(zhì)黏土天然重度19.0 kN/m3，飽和重度19.3 kN/m3。

1.2 滑帶

滑帶為強風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖與粉質(zhì)黏土二者的交界面。其巖性表現(xiàn)為可塑的粉質(zhì)黏土，呈紫紅色，土體韌性較高，土體濕潤，含水量豐富，用手捻有滑膩感，易黏手，無搖振反應(yīng)。該層厚度一般在0.1～0.3 m，據(jù)鉆孔揭露，地下水在此層富集，故易沿層面產(chǎn)生滑動。粉質(zhì)黏土的天然抗剪強度C=22.5 kPa，φ=8.5°；飽和抗剪強度C=19.0 kPa，φ=8.1°。

1.3 滑床

滑床為白堊系下統(tǒng)神皇山組(K1s)泥質(zhì)粉砂巖。巖層產(chǎn)狀為250°∠32°，強-中等風(fēng)化，呈紫紅色，粉砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，中厚層狀構(gòu)造，主要由鋁、鐵等硅酸鹽礦物成分組成，含白色云母碎片，強風(fēng)化層節(jié)理裂隙很發(fā)育，裂隙面多被黑色薄膜包裹，斷口凹凸不平，中等風(fēng)化層節(jié)理裂隙稍發(fā)育，巖芯多呈柱狀，巖質(zhì)軟-極軟。

1.4 地下水

根據(jù)地下水賦存條件及含水巖組特征，區(qū)內(nèi)地下水類型劃分為第四系松散巖類孔隙水和紅層基巖裂隙水。其穩(wěn)定水位深一般3.8～17.5 m，位于泥質(zhì)粉砂巖強風(fēng)化和粉質(zhì)黏土界面附近，即滑坡滑帶附近。地下水不斷使得泥質(zhì)粉砂巖發(fā)生軟化、泥化，故易形成軟弱層，即滑帶。地下水位埋深受地形地貌及降雨影響，穩(wěn)定水位變化較大，坡頂水位埋藏較深，坡腳較淺。

1.5 地質(zhì)構(gòu)造與地震

根據(jù)區(qū)域地質(zhì)資料分析和實地調(diào)查，滑坡區(qū)內(nèi)褶皺不明顯，總體上為單斜構(gòu)造，巖層產(chǎn)狀250°∠32°。斷裂構(gòu)造較發(fā)育，對邊坡巖土體的完整性有一定的影響。

根據(jù)《中國地震動參數(shù)區(qū)劃圖》(GB 18306—2015)，勘查區(qū)地震基本烈度為Ⅵ度，地震動反應(yīng)譜特征周期值為0.35 s，地震動峰值加速度為0.05g，屬弱震區(qū)，工程設(shè)計地震分組為第一組。

2 滑坡穩(wěn)定性分析

2.1 滑坡形成機制分析

根據(jù)滑坡形成的條件、影響因素，結(jié)合滑坡變形特征分析，該滑坡是自然狀態(tài)下，多種因素綜合作用形成。

1)滑坡物質(zhì)的形成：勘查區(qū)在新構(gòu)造運動中，地表緩慢抬升、溪河下切，形成了長且寬的山坡，河流洪沖積水作用形成的卵石層堆積于山坡表面，構(gòu)成滑體物質(zhì)的一部分；同時，由于構(gòu)成山體的巖性為紅層，在山頂易風(fēng)化剝蝕，風(fēng)化物堆積在坡面平緩地帶，構(gòu)成了滑坡物質(zhì)的主體。

2)滑帶的形成：在長期大氣降水的滲透與地下水浸潤作用下，巖石軟化，加速風(fēng)化，土體飽水、松軟，受下伏基巖粉砂巖的阻水作用，地下水在巖土交界面處富集，黏粒在基巖面上相對積聚，形成相對隔水層；雨水下滲后，在該土層上積聚，致使地下水位抬升，而泥質(zhì)粉砂巖遇水極易發(fā)生軟化、泥化，故在二者交界面處形成軟弱層，即滑帶，為滑坡提供了潤滑作用。

3)剪出口的形成：居民在斜坡前緣建房切坡，使得坡體前緣出現(xiàn)臨空面；加之連續(xù)大氣降雨或突降暴雨增大了坡體孔隙水壓力與坡體重度，地下水浮托力增加，滑帶土抗剪強度降低，使斜坡沿巖土體內(nèi)軟弱層(滑帶)發(fā)生變形滑動。

2.2 滑坡破壞模式分析

經(jīng)現(xiàn)場調(diào)查和綜合分析收集資料，滑坡屬于重力推移式滑坡。結(jié)合滑坡發(fā)展過程和現(xiàn)場調(diào)查，滑坡體后緣裂縫切割角度大，前緣裂縫具剪出特征，坡下地表變形微弱，滑坡正處于蠕動變形階段，屬于重力推移式滑坡。

3 工程加固設(shè)計與治理

3.1 設(shè)計依據(jù)

3.1.1 抗剪強度指標反演分析

滑帶巖土抗剪強度參數(shù)的反算法目前應(yīng)用廣泛，根據(jù)滑坡實際穩(wěn)定狀態(tài)提前假設(shè)穩(wěn)定系數(shù)及滑面、荷載等條件，反算滑面的巖土抗剪強度參數(shù)[9]?；路囱莘治鲆罁?jù)的原理是，當(dāng)荷載條件和滑面抗剪強度參數(shù)與滑坡的實際情況一致時，相對應(yīng)的最危險滑面，與滑坡的實際滑面一致?；婵辜魪姸戎笜朔此愕氖钦麄€滑面的抗剪強度平均值，雖不是某種具體強度指標(如天然強度、飽和強度、峰值強度、殘余強度)，但可以作抗剪強度指標校驗之用。

影響滑坡穩(wěn)定的巖土體物理力學(xué)參數(shù)主要指標為滑體(帶)土的容重和抗剪強度?；w容重的確定主要根據(jù)土工試驗，其取值相對較準確。因設(shè)計工況滑體位于地下水位以上，滑體重度取天然重度進行計算?；瑒用鍯、φ值的取值需要根據(jù)室內(nèi)試驗、原位測試、敏感性分析、反演分析、工程類比及參考地區(qū)經(jīng)驗綜合確定，綜合取值見表1。

表1 滑坡區(qū)巖土體物理力學(xué)參數(shù)推薦值表

3.1.2 滑坡推力計算

受籌措資金和工期的限制，本滑坡應(yīng)急治理設(shè)計主要考慮采用小口徑組合抗滑樁進行應(yīng)急處置[1]。擬采用小口徑組合抗滑樁的滑坡加固形式，設(shè)在滑坡體中前部，工程設(shè)計見圖1。

圖1 滑坡工程設(shè)計剖面

小口徑組合抗滑樁設(shè)計前先對樁后滑體推力和樁前滑體抗力進行計算。設(shè)計時，取樁前抗滑力和樁前被動土壓力中的較小值作為樁前滑體抗力，取樁后剩余下滑力和樁后主動土壓力中的較大值作為樁后滑體推力，考慮滑坡安全系數(shù)K=1.2、K=1.3進行推力計算。

滑坡穩(wěn)定性及滑坡推力計算方法采用傳遞系數(shù)法進行計算，參考《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)，采用隱式解。計算公式如下(具體參數(shù)含義同規(guī)范)：

Pn=0

(1)

Pi=Pi-1φi-1+Ti-Ri/Fs

(2)

φi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs

(3)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi

(4)

Ri=cili+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi-Ui]tanφi

(5)

滑坡推力計算剖面見圖2，共劃分條塊13個，擬設(shè)小口徑組合抗滑樁群位于第11塊條塊。

圖2 基本荷載工況滑坡計算剖面

取C=22.5 kPa，φ=8.5°，K=1.2，得到計算結(jié)果見表2。

表2 K=1.2時滑坡推力計算結(jié)果

基本荷載工況下，取C=22.5 kPa，φ=8.5°，K=1.3，得到計算結(jié)果見表3。

表3 K=1.3時滑坡推力計算結(jié)果

由表(2)～(3)可知，K=1.2時，滑坡推力為288.41 kN，擬支擋位置滑坡推力為1 022.49 kN，擬支擋位置樁前抗滑力為569.52 kN；K=1.3時，滑坡推力為523.64 kN，擬支擋位置滑坡推力為1 232.14 kN，擬支擋位置樁前抗滑力為569.52 kN。

通過理正巖土軟件計算求得樁前樁后土壓力[6]。不同安全系數(shù)條件下，計算得到的滑坡推力和樁前抗力，結(jié)果見表4。

表4 滑坡推力和樁前抗力計算結(jié)果

經(jīng)驗算，處置后安全系數(shù)達到1.2時，需要的抗滑樁群抗滑力約為360 kN；處置后安全系數(shù)達到1.3時，需要的抗滑樁群抗滑力約為710 kN。

3.2 小口徑組合抗滑樁設(shè)計

根據(jù)《滑坡防治設(shè)計規(guī)范》(GB/T 38509—2020)附錄F提供的小口徑組合抗滑樁計算公式，分別對小口徑組合抗滑樁進行沿滑面抗剪驗算、結(jié)構(gòu)抗力驗算計算(具體參數(shù)含義同規(guī)范)。在擬布置小口徑組合抗滑樁位置設(shè)置三排樁，采用Q235無縫鋼管，C30細石混凝土灌注，樁距1 000 mm，樁徑200 mm，梅花形布置，樁長進入中風(fēng)化砂巖不小于5 m。

3.2.1 沿滑面抗剪驗算

P≤Rfa

(6)

Rfa=nτfa

(7)

τfa=βa[τ]As

(8)

經(jīng)驗算，處置后安全系數(shù)達到1.2時，需滿足As≥2 029.60 mm2；處置后安全系數(shù)達到1.3時，需滿足As≥4 002.82 mm2?？紤]項目資金和工期限制，選擇安全系數(shù)1.2進行結(jié)構(gòu)抗力驗算。

3.2.2 結(jié)構(gòu)抗力驗算

擬采用外徑114 mm，壁厚6 mm的鋼管，計算基準面至樁頂?shù)木嚯xL=12 m。此時，As=2 034.72 mm2>2 029.60 mm2，滿足沿滑面抗剪驗算要求?？沽︱炈闳缦拢?/p>

Kp=tan2(45°+13.43°/2)=1.605

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Rt=413.4 kN>360 kN，滿足結(jié)構(gòu)抗力要求。

3.3 小口徑組合抗滑樁施工

綜合成本及工期等方面因素，本治理工程在滑坡中前部共布置了314根樁直徑200 mm的小口徑組合抗滑樁，樁長17～30 m。受力筋采用外徑114 mm，壁厚6 mm的Q235無縫鋼管。樁體采用C30細石混凝土灌注，細石混凝土骨料粒徑5～10 mm。樁頂通過鋼筋混凝土聯(lián)系梁連接成整體，從而提高承載力和抗剪力。經(jīng)鉆孔、鋼管制安、灌注混泥土和澆筑聯(lián)系梁等工序最終完成施工。

3.4 滑坡應(yīng)急治理效果

滑坡應(yīng)急治理完成后，在滑坡體上布置了專業(yè)監(jiān)測點對滑坡進行監(jiān)測。在對滑坡進行應(yīng)急治理后，本滑坡各監(jiān)測點在2017年7月3日至2019年3月17日期間的綜合位移情況見圖3。除監(jiān)測點X01因設(shè)備天線被人破壞，設(shè)備傾倒導(dǎo)致數(shù)據(jù)有比較大的變化以外，滑坡趨于穩(wěn)定。通過本方法設(shè)計的小口徑組合抗滑樁，可以較好地運用于實際工程，加固效果較好。

圖3 滑坡監(jiān)測點綜合位移曲線

4 結(jié) 論

1)永州市冷水灘區(qū)某滑坡應(yīng)急治理工程，采用了小口徑組合抗滑樁加固技術(shù)。通過反演分析確定了滑帶巖土體物理力學(xué)參數(shù)指標，通過軟件計算得到了不同安全系數(shù)下滑坡推力，并進行沿滑面抗剪以及結(jié)構(gòu)抗力驗算。

2)綜合時效性、安全性和成本等因素，本滑坡應(yīng)急處置后安全系數(shù)達到1.2，雖未完全滿足規(guī)范要求的安全儲備，但對阻礙滑坡的發(fā)展起到了明顯的效果，建議后期進行綜合治理，徹底消除滑坡隱患。

3)滑坡治理工程實際應(yīng)用效果表明，小口徑組合抗滑樁達到了預(yù)期的效果，結(jié)合截排水工程應(yīng)急治理后，滑坡裂縫變形得到了有效制止，監(jiān)測數(shù)據(jù)也表明滑坡趨于穩(wěn)定。