梅花形布置双排抗滑桩在滑坡处治中的应用

王绍平

(福建省地质测绘院 福州 350004)

矩形截面抗滑桩惯性矩大、抗弯能力强,因此成为抗滑桩最为常用的截面形式,然而,随着人工挖孔桩施工工艺逐渐受到限制,矩形截面抗滑桩的使用范围逐渐减小,采用机械化施工的双排圆形抗滑桩的应用逐渐增加[1]。国内外对双排抗滑桩的研究及应用多集中在平行布置,对梅花形布置研究较少。崔伟帅[2]采用模型试验和数值模拟的方法对梅花形布设有连梁双排抗滑桩受力特性进行试验研究,研究表明,梅花形布设能够更好地发挥桩-土之间的联动性,进而能承受更大的滑坡推力。赵晓坷等[3]采用数值模拟的方法对梅花形布设双排抗滑桩的土拱效应进行研究,发现存在合理桩位使相邻前后排抗滑桩之间形成直接土拱,进而能够充分发挥抗滑桩的阻滑性能。

以上研究成果对了解梅花形布置抗滑桩的受力机理和抗滑作用起到了很好的作用,但是以理论和试验为主,对工程应用的研究较少。本文依托某滑坡的治理设计,从滑坡推力的计算及简化开始,为梅花形布置抗滑桩的工程应用提供了一种计算方法,与此同时,通过与以往较为常用的平行布置门架式抗滑桩进行对比,得出采用本文介绍的简化计算方法下的不同布置方式对桩身位移及内力的影响,以期能够为双排抗滑桩的应用提供借鉴和参考作用。

1 工程概况

1.1 变形破坏特征

福建省某位于闽江岸坡冲积阶地的县道下边坡发生大中型滑坡,该段处于感潮段的闽江凹岸。东西走向的县道位于滑坡后缘,公路边沟5～6 m处为铁路路基。滑坡后缘长约50 m,下错坎高约7～8 m。主滑段最长约63 m,滑坡体上可见多处贯通的拉张裂缝,裂缝宽1～2 cm、长3～8 m,局部下错1～2 cm。

1.2 工程地质及推测滑动面

根据钻孔及工程地质调绘成果,上覆第四系人工填土(Qme)和坡积层(Qdl)。下伏花岗岩风化层。地层参数采用试验值,其中花岗岩风化层采用经验值,地层参数见表1。

表1 地层参数

通过现场调查,该滑坡有明显的后缘、前缘剪出口等特征,通过以滑坡后缘下错坎和剪出口为滑坡体的控制点[4],综合考虑钻孔揭示的地层情况,推测出位于上覆土层的滑动面,推测滑动面见图1。

图1 典型地质和推测滑动面

1.3 滑坡成因分析

根据钻探和滑坡区内变形破坏特征,经分析滑坡成因主要有以下几点。

1) 滑坡场地为闽江凹岸,属冲刷岸,该处水流湍急、存在水下漩涡,加上该处为感潮段,江水升降频繁,对岸坡及河床产生长期的潜蚀、冲刷作用,形成的临空面使斜坡失去支撑,是引发滑坡的因素之一。

2) 闽江水位受上游降雨的影响,更受上游水口水电站泄洪流量的影响,使得闽江水位升降频繁,甚至淹没至斜坡后缘,据闽江竹岐水文站观察资料,历史水位最大高差达到12 m。当水位快速下降时,坡体产生向闽江的渗透水压力。由于上覆土层受河水长期浸泡,导致抗剪强度降低,增加土体重度的同时增大了下滑力,加剧斜坡失稳[5]。

3) 滑坡体前缘为闽江,由于闽江水流的冲刷、潮差影响等各种原因,闽江水动力条件改变,导致河床下切,根据勘测,近3年该处河床下切1～2 m,局部达到3 m。坡脚常年受闽江水流的冲刷、侵蚀掏空,加剧了江水对岸坡的冲刷掏蚀作用,形成岸边掏空,加剧边坡失稳。

根据现场调查及地质勘察资料,该滑坡类型属浅层牵引式土质滑坡。其滑动面在上覆土层呈圆弧形,坡体总体处于欠稳定状态。

2 滑坡防治工程设计安全等级

该滑坡体积4万m3～30万m3,根据JTG/T 3334-2018 《公路滑坡防治设计规范》[6]第3.1.5条规定,该滑坡可判定为中型滑坡,滑坡上方存在铁路,根据第3.2.2条规定,滑坡危害程度分级为严重。

公路等级为三级,根据第3.2.3条规定,该滑坡防治安全等级判定为II级。根据第5.2.3条规定,该滑坡防治工程设计稳定安全系数在正常工况下取1.15～1.20,非正常工况下取1.10～1.15。

3 下滑力计算

该滑坡为牵引式滑坡,考虑目前河床下切作用仍可能发生,桩前滑坡体可能滑动,因此不考虑桩前滑体抗力[7-8],地层参数见表1,根据简化后的模型和计算参数采用geoslope内置的bishop法计算,滑坡推力为860 kN/m,滑坡推力计算结果见图2。

图2 滑坡推力计算结果

4 数值分析

4.1 有限元模型建立

本文计算所得滑坡推力为860 kN/m,拟采用梅花形布置双排抗滑桩加固,为了研究梅花形布置的受力特点,选取运用较广泛的门架式布置抗滑桩进行对比,桩径1.6 m,桩长18 m(其中悬臂段8 m),纵、横向间距均为5 m,冠梁截面尺寸为2 m×2 m。

在工程应用中,通常将滑坡推力简化为滑动面以上的荷载计算桩身的内力及变形。本文选取midas GTS软件进行简化计算,有限元模型图见图3,不考虑桩前滑体的有利作用,桩后滑体的作用简化为作用在后排桩的荷载,模型由滑床、抗滑桩、冠梁组成,模型长、宽、高分别为50,50,20 m。抗滑桩及冠梁采用1D梁单元,其余均为3D单元,地层参数见表2。门架式抗滑桩取1个单元,梅花形抗滑桩取2个单元。

图3 有限元模型布置图

表2 计算参数表

荷载仅作用在后排桩,由于滑体为黏性土,采用矩形分布,后排桩分布力:N=860×5/8=537.5 kN。

4.2 位移分析

梅花形和门架式布置的抗滑桩后排桩的位移对比见图4。由图4可见,梅花形与门架式布置双排抗滑桩的桩身位移分布形式相近,由于剩余下滑力简化为作用在悬臂段的均布荷载,悬臂段位移快速地增长。嵌固段荷载可简化为地面处的荷载,因此随着深度的增加,桩身位移较为均匀地减小,直至嵌岩段桩身位移基本接近0。通过对比,梅花形布置桩顶约束较门架桩更强,桩顶位移减小约5.43%。

图4 后排桩的位移对比

梅花形和门架式布置的抗滑桩前排桩的位移对比见图5。如图5所示,前排桩通过连系梁与后排桩相连,前后排桩桩顶变形协调,桩顶位移与前排桩基本一致。由于后排桩主要荷载为前排桩通过连系梁传递至前排桩的桩顶,因此,排桩桩身位移分布从桩顶向下较为均匀的减小,直至中风化岩顶面附近减小至接近于0,且嵌固段范围内的位移基本不变。但是,由于梅花形布置受前排桩的冠梁影响,前排桩整体抗变形能力更强,桩顶位移较门架式布置减小约4.87%。

图5 前排桩的位移对比

4.3 弯矩分析

梅花形和门架式布置的抗滑桩后排桩的弯矩对比见图6。如图所示,梅花形与门架式布置双排抗滑桩的桩身弯矩分布形式相近,悬臂段弯矩从桩顶至下先减小后增大,嵌固段弯矩先增大后减小,弯矩反弯点基本位于滑动面附近。由于悬臂段直接承受下滑力且受到连系梁的约束,悬臂段最大弯矩位于桩顶下3 m,最大值约-6 916.16 kN·m,梅花形布置桩顶约束较门架式更强,桩身弯矩减小约5.49%。

梅花形和门架式布置的抗滑桩前排桩的弯矩对比见图7。由图7可见,受力模式均类似于水平受荷桩,但由于梅花形布置桩顶约束较门架桩更强,梅花形布置较门架式的桩顶弯矩小,桩身弯矩减小约19.37%。桩身以下弯矩分布形式及弯矩值基本接近,但梅花形布置的桩身弯矩减小约13.35%。

图6 后排桩的弯矩对比

图7 前排桩的弯矩对比

4.4 轴力分析

梅花形和门架式布置的抗滑桩后排桩的轴力对比见图8。

由图8可见,梅花形与门架式布置双排抗滑桩的桩身轴力分布形式相近,后排桩轴力呈现为拉力,桩身轴力均在中风化层以上和以下均匀减小,中风化层附近出现突变,梅花形布置桩身轴力减小约1.11%。

图8 后排桩的轴力对比

梅花形和门架式布置的抗滑桩前排桩的轴力对比见图9。如图9所示,后排桩轴力呈现为压力,分布特点与后排桩基本一致。但梅花形布置较门架式的桩身轴力更大,桩身轴力增加约11.17%。

图9 前排桩的轴力对比

5 治理方案

根据场地工程地质条件及周边环境,参照以上计算结果,采用“梅花形布置双排抗滑桩+锚索+冠梁+坡面及坡体排水+坡脚抛石”治理措施,滑坡治理典型断面图见图10。

图10 滑坡治理典型断面图

如图10所示,主滑段采用双排抗滑桩,梅花形布置,排间距为5 m,纵向间距为5 m,桩径1.6 m,前排桩桩顶布置冠梁,后排桩与前排桩冠梁采用连系梁连接。后排抗滑桩(靠路基一侧)采用锚索进行锚拉,前排抗滑桩(临河一侧)则预留锚索孔位置。

滑坡后缘路基采用石渣进行回填,路基边坡坡面采用M7.5浆砌片石护坡,坡体采用碎石盲沟排水。为了排除铁路边坡体内地下水,在抗滑桩冠梁顶上1 m处设置单排仰斜排水平孔。

对前缘边坡坡脚进行抛石,抛石顶面高程控制在低水位以上0.5 m,同时在抛石上面填石以对该段滑坡体进行反压,在抛石顶上分两阶进行填石,每阶高度为2 m。

6 结语

本文依托工程实例,采用数值模拟法对梅花形布置和门架式布置抗滑桩进行简化计算,得到以下结论。

1) 梅花形布置和门架式布置抗滑桩的桩身位移、内力分布形式相近,弯矩反弯点、最大弯矩位置均较为接近。

2) 梅花形布置和门架式布置的后排桩均受拉,前排桩均受压。梅花形布置的前排桩桩顶位移减小约4.87%,后排桩桩顶位移减小约5.43%;后排桩桩身弯矩减小约5.49%,前排桩桩身弯矩减小约19.37%;梅花形布置前排桩桩身轴力减小约1.11%,后排桩桩身轴力增加约11.17%。

3) 本文为梅花形布置抗滑桩提供了一种简化计算方法,通过理论计算和工程应用,取得了较好效果,可为大中型滑坡的治理提供借鉴。