紅黏土邊坡滑坡治理中預(yù)制樁的應(yīng)用分析

崔世敏

（山西省交通物流集團(tuán)有限公司,山西 太原 030021）

0 引言

近年來(lái)，隨著工程科技的不斷進(jìn)步，公路工程建設(shè)取得顯著成就，有效推動(dòng)了經(jīng)濟(jì)發(fā)展。但由于公路工程線長(zhǎng)面廣、地質(zhì)多變，施工中難免會(huì)遭遇紅黏土等不良地質(zhì)，工程特性較差，極易產(chǎn)生路基邊坡滑坡病害。傳統(tǒng)邊坡滑坡治理通常采用現(xiàn)澆抗滑樁技術(shù)，不僅施工工藝復(fù)雜、工期長(zhǎng)，并且會(huì)對(duì)原始土體造成破壞，存在較大局限性[1-3]。為此，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，提出預(yù)制樁加固工藝，以期能有效提升紅黏土邊坡穩(wěn)定性，達(dá)到預(yù)期邊坡滑坡治理效果。

1 邊坡土體基本物理力學(xué)性質(zhì)

該工程路基邊坡滑坡區(qū)域分布大量紅黏土，此類土體含水率高、孔隙比大、穩(wěn)定性差。在滑坡段現(xiàn)場(chǎng)提取土樣，根據(jù)現(xiàn)行《土工試驗(yàn)檢測(cè)技術(shù)規(guī)程》相關(guān)規(guī)定實(shí)施力學(xué)性能檢測(cè)[4]。對(duì)各土層土樣實(shí)施直剪試驗(yàn)，得到各層土體在法向應(yīng)力依次為100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 條件下，不同含水率下土體峰值強(qiáng)度剪應(yīng)力與垂直壓力關(guān)系曲線，具體如圖1 所示。

圖1 峰值強(qiáng)度剪應(yīng)力與垂直壓力關(guān)系曲線

根據(jù)摩爾－庫(kù)倫理論公式（1）能夠看出，土體抗剪強(qiáng)度與內(nèi)摩擦角、黏聚力密切相關(guān)。相關(guān)研究顯示，紅黏土力學(xué)性能與土體含水率有關(guān)。

式中，τ——土體抗剪強(qiáng)度（kPa）；σ——內(nèi)摩擦角（°）；c——黏聚力（kPa）；φ——垂直壓力（kPa）。

通過(guò)直剪試驗(yàn)測(cè)得不同含水率條件下紅黏土抗剪強(qiáng)度指標(biāo)如表1 所示。

表1 不同含水率下抗剪強(qiáng)度指標(biāo)

2 滑坡穩(wěn)定性分析

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)得該工程路塹邊坡高40 m，滑坡頂與邊坡頂部高差為26 m，滑坡滑動(dòng)面近似于半徑41.6 m 圓弧，邊坡破壞長(zhǎng)度達(dá)56 m。根據(jù)路塹邊坡滑坡實(shí)際情況，構(gòu)建有限元分析模型，按照含水率差異實(shí)施土層劃分，構(gòu)建1 ∶1 邊坡滑坡模型[5]，具體如圖2 所示。

圖2 滑坡幾何模型

邊坡滑坡會(huì)導(dǎo)致邊坡滑動(dòng)面產(chǎn)生剪切破壞，原始土體抗剪強(qiáng)度逐漸降低，但當(dāng)其滑動(dòng)位移小于強(qiáng)度下降臨界狀態(tài)時(shí)，始終認(rèn)為未達(dá)到極限，土體抗剪強(qiáng)度仍舊能夠按照表1 中相關(guān)指標(biāo)進(jìn)行計(jì)算，并以此值對(duì)邊坡滑坡穩(wěn)定性實(shí)施計(jì)算，詳細(xì)結(jié)果如表2 所示。

表2 邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)

通過(guò)表2能夠看出，該路基邊坡現(xiàn)狀安全系數(shù)為1.25，滑坡基本處于平衡狀態(tài)?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，該滑坡體后緣位置存在大量細(xì)小裂縫，若遇降雨天氣，遇水滲透會(huì)顯著增大滑坡自重，導(dǎo)致下滑力急劇增加，并且雨水沿表面裂縫進(jìn)入滑動(dòng)面，使內(nèi)部土體軟化，從而造成滑坡進(jìn)一步惡化。由此可見(jiàn)，亟須對(duì)邊坡實(shí)施加固處理。根據(jù)該工程滑坡實(shí)際情況，經(jīng)綜合研究決定，采用預(yù)制抗滑樁加固方案。

3 治理方案

3.1 預(yù)制抗滑樁的設(shè)計(jì)

預(yù)制抗滑樁選用預(yù)應(yīng)力高強(qiáng)混凝土實(shí)心方樁，樁長(zhǎng)20 m，樁體混凝土強(qiáng)度為C80，軸心抗拉強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值f1=3.11 MPa，樁體截面尺寸如圖3 所示，邊長(zhǎng)B=600 mm，預(yù)應(yīng)力筋布設(shè)位置BP=505 mm。鋼筋選用35 級(jí)低松弛預(yù)應(yīng)力螺旋鋼棒，其規(guī)格為φ12.6 mm，抗拉強(qiáng)度為1 420 MPa，單樁共設(shè)24 根，采用等間距布置。箍筋為冷拔低碳鋼絲，規(guī)格為φ6 mm，布設(shè)間距100 mm，抗拉強(qiáng)度320 MPa。為有效確?？够瑯犊辜裟芰?，通過(guò)焊接方式將箍筋均勻布設(shè)于鋼棒外側(cè)[6]。同時(shí)，為減小抗滑樁施工對(duì)周邊土體的影響，可在抗滑樁底部設(shè)置密閉式樁尖。

圖3 樁身截面示意圖

3.2 樁身抗剪性能計(jì)算

按照現(xiàn)行《預(yù)應(yīng)力混凝土實(shí)心方樁設(shè)計(jì)規(guī)范》的相關(guān)規(guī)定，樁體剪力設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)值計(jì)算式如下：

式中，V——樁體剪力設(shè)計(jì)值；λ——剪跨比，一般為λ=a/h，其中，a——集中荷載部位與支點(diǎn)之間的距離，通常取1.0B，得到λ≤1.5，此處取λ=1.5；ft——樁體抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；b——樁體截面寬；h0——樁體有效高度；fyv——箍筋抗拉強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；Asv——箍筋截面積；s——箍筋間距；Np0——計(jì)算部位混凝土法向預(yù)應(yīng)力為0 時(shí)縱筋合力：Np0=σp0Ap，當(dāng)Np0>0.3fcA0時(shí)，取Np0=0.3fcA0，其中，fc——樁體抗壓強(qiáng)度設(shè)計(jì)值；A0——換算面積；Ap——預(yù)應(yīng)力筋截面面積；σp0——預(yù)應(yīng)力筋合力位置混凝土法向應(yīng)力為0 時(shí)的預(yù)應(yīng)力。按照公式（2）計(jì)算得到實(shí)心方樁剪力設(shè)計(jì)值，如表3 所示。

表3 剪力設(shè)計(jì)值計(jì)算結(jié)果

3.3 抗滑樁樁位優(yōu)化分析

路基邊坡滑坡體各滑動(dòng)面位置的下滑力和抗滑力存在顯著差異[7]。當(dāng)下滑力超過(guò)抗滑力時(shí)，便會(huì)導(dǎo)致滑坡進(jìn)一步惡化，而通過(guò)設(shè)置抗滑樁能顯著增強(qiáng)滑動(dòng)面整體抗滑能力，使抗滑力高于下滑力，從而有效阻止邊坡滑動(dòng)；當(dāng)抗滑力越大時(shí)，邊坡安全系數(shù)越高，邊坡更加穩(wěn)定。由此可見(jiàn)，抗滑樁布設(shè)位置對(duì)邊坡穩(wěn)定性具有重要影響[8]。根據(jù)該滑坡實(shí)際情況，將滑坡體沿縱向平均分為七部分，抗滑樁布設(shè)間距為3 m，樁體長(zhǎng)度為20 m，抗滑樁頂部與邊坡臨空面高度相同，抗滑樁布設(shè)形式如圖4 所示。

圖4 抗滑樁布置示意圖

對(duì)GE05 抗滑樁實(shí)施受力分析，并增加一排抗滑樁，樁體截面為正方形，邊長(zhǎng)0.6 m，抗滑承載力沿樁體均勻布置，抗滑力最大值為樁體剪力設(shè)計(jì)值V=841.41 kN，抗滑力垂直于樁體設(shè)置，詳細(xì)計(jì)算數(shù)據(jù)如表4、圖5 所示。

表4 邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)

圖5 樁位與安全系數(shù)關(guān)系曲線

通過(guò)圖5 能夠看出，樁位在16~31 m 范圍內(nèi)，邊坡安全系數(shù)呈遞增趨勢(shì)，超過(guò)31 m 后開(kāi)始呈現(xiàn)下降趨勢(shì)，因此最優(yōu)樁位位于31 m 位置處，該條件下的邊坡安全系數(shù)為1.280，相較于未加固前邊坡安全系數(shù)1.13，增加了13%。

3.4 樁間距優(yōu)化分析

按照公路工程相關(guān)施工技術(shù)規(guī)范，路基路塹邊坡安全系數(shù)Fs ≥1.3 的規(guī)定，必須對(duì)抗滑樁布設(shè)間距實(shí)施優(yōu)化，以有效提升邊坡穩(wěn)定性[9]。以31 m 位置作為最優(yōu)樁位，依次計(jì)算0.5 m、0.6 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m樁間距工況下的邊坡安全系數(shù)，詳細(xì)結(jié)果如表5、圖6所示。

表5 邊坡穩(wěn)定性指標(biāo)

圖6 樁間距與安全系數(shù)關(guān)系曲線

通過(guò)圖6 能夠看出：①樁間距為0.5~3 m 時(shí)，邊坡安全系數(shù)呈下降趨勢(shì)；②樁間距為3~6 m 時(shí)，隨間距的不斷增大，安全系數(shù)下降趨勢(shì)逐漸變緩；③由曲線可以看出，相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的安全系數(shù)不低于1.3 對(duì)應(yīng)的樁間距位于為2~3 m 范圍內(nèi)[10]。因此，綜合考慮經(jīng)濟(jì)性、安全性等各個(gè)方面，確定最優(yōu)樁間距為2.5 m。

4 結(jié)論

綜上所述，該文結(jié)合實(shí)際工程案例，對(duì)紅黏土邊坡滑坡治理中預(yù)制樁的應(yīng)用進(jìn)行綜合探究，通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析，設(shè)計(jì)了抗滑樁加固方案，并通過(guò)數(shù)值模擬計(jì)算，確定了最佳施工參數(shù)，具體結(jié)論如下：

（1）利用直剪試驗(yàn)，得到滑坡土體力學(xué)指標(biāo)，并確定含水率對(duì)土體抗剪強(qiáng)度的影響。

（2）通過(guò)邊坡穩(wěn)定性分析，確定抗滑樁加固方案，并借助數(shù)值模擬計(jì)算，驗(yàn)證了預(yù)制抗滑樁在紅黏土邊坡滑坡加固中的可行性。

（3）通過(guò)對(duì)樁位、樁間距優(yōu)化分析，確定了該工程滑坡加固抗滑樁最佳樁位為31 m，布設(shè)間距為2.5 m，取得了顯著加固效果。