得胜小学滑坡墙+桩组合防治结构受力体系研究

许 红,晏鄂川,胡显明,李 漪

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;2.湖北省第四地质大队,湖北咸宁 437100)

得胜小学滑坡墙+桩组合防治结构受力体系研究

许 红1,2,晏鄂川1,胡显明1,李 漪1

(1.中国地质大学(武汉)工程学院,湖北武汉 430074;2.湖北省第四地质大队,湖北咸宁 437100)

得胜小学滑坡是一危害性极大的浅层滑坡,因其地质复杂性,一期治理工程后又产生了第二次滑动,滑坡现有的防治结构设计为墙+桩组合结构。利用极限平衡理论对该组合结构的受力状态进行了分析,验证了滑坡现有防治结构的有效,获得了墙+桩组合结构的受力体系,对以后的滑坡防治工程设计具有指导意义。

得胜小学滑坡;墙+桩组合结构;受力状态;防治有效性

0 引言

位于湖北省竹山县文峪河左岸的得胜小学滑坡是堆积层浅表滑坡,2003年8月底滑动,9月30日变形加剧,危及得胜小学、三家企事业单位和附近居民安全,急需应急治理。2004年滑坡治理工程实施,主要由削坡减载+抗滑挡墙+地表排水工程+坡面植草防护工程组成,主体工程于2004年8月30日完成。2005年8月12日,由于当地普降大雨,滑坡西部后缘产生了新的滑动,致使滑体整体失稳,前期治理工程西部挡墙及排水工程遭到破坏。2006年1月,实施二期治理工程,主要为地表排水+削方+抗滑桩+挡墙修复+监测,同年6月竣工并投入使用。经后期监测,二期防治工程完成后,滑坡处于稳定状态。

抗滑挡墙和抗滑桩是现今的滑坡治理工程中运用较为广泛的结构。现阶段对于这两类结构单一使用时的受力状态、变形状态等方面都有较成熟的研究[1-3],而针对本工程实例中的墙+桩组合结构的受力分析鲜有研究。本文结合得胜小学滑坡防治工程实例,对抗滑挡墙+抗滑桩这种组合结构的受力状态进行了分析,并对该结构防治有效性进行了评价。

1 得胜小学滑坡工程地质条件及稳定性分析

滑坡区位于古滑坡体上得胜镇小学后山坡,地貌属古滑坡堆积山坡及文峪河二、三级阶地,地质时代为古滑坡堆积层(Qdel)及第四系上—中更新世冲、洪积层。地面相对高程530～613 m,相对高差65～83 m,地形坡度15°～30°。受学校工程建设、人工切坡等工程活动影响,在斜坡上形成2～3级陡坎,陡坎高3～5 m。其中得胜小学教学楼后及操场前陡坎为毛石挡墙,坎高3～5 m,坎长100～130 m。滑坡平面形态呈不规则圈椅状,剖面形态为台阶状,主滑方向180°,面积12 600 m2,平均厚度5.20 m,体积约59 300 m3。滑体物质成份为古滑坡堆积粉质粘土夹碎石,中等压缩性,平均重度γ=20.23 kN/m3,裂隙发育。滑床后缘物质成份为风化残积碎石土及含炭硅质板岩;中部及前缘上部物质成份为古滑坡堆积夹碎石粉质粘土、粘土,下部为残积碎石土,如图1所示。

通过计算,一期防治工程后,由于受滑坡体西部后缘新产生滑体的作用,该滑坡天然工况下稳定系数为1.12,在暴雨工况下为0.75。因此该滑坡在天然状态下为欠稳定,暴雨条件下为不稳定。利用条分法计算出,暴雨工况滑坡剩余推力值为688.56 kN/m,倾角为20°。二期治理工程A型桩的设计承载推力值为368.7 kN/m,修复挡墙的设计承载推力为320 kN/m,并在挡墙前增设B、C型抗滑桩。

2 墙+桩组合结构受力体系分析

2.1 挡土墙受力分析

该滑坡现有的抗滑挡墙是在一期挡墙防治工程基础上,由二期防治工程修缮完成的,属于重力式挡墙,主要靠墙底摩擦力和墙角土被动土压力提供抗滑力。因二期防治工程在挡墙前面增加了一排抗滑桩,墙体的受力模式发生了变化。其中除与单一挡墙受相同力外,还受来自于抗滑桩的反力,该力可描述为垂直于墙体轴线方向的集中力。因此利用极限平衡理论可以列出墙体的受力状态[4](见图2)。

计算时挡墙视为刚性墙,并考虑挡土墙与抗滑桩之间的作用力垂直于墙、桩的接触面。由极限平衡法可列出墙体抗滑移稳定系数及抗倾倒稳定系数,见公式①、②:

图1 得胜小学滑坡主剖面工程地质剖面图及工程剖面布置图Fig.1 Engineering geology section ofmain cross-section in Desheng primary school

图2 挡土墙断面机构及受力状态图Fig.2 Forced state of retainingwall

式中:Fb为桩身反力(kN);Fa为剩余推力(kN);W为挡土墙自重(kN);Ep为墙前土体被动主压力(kN·m);Q为墙基土压力(kN);q为墙基摩阻力(kN)。q=μQ=μ[Fan+Wan-(Fbn+Epn)];μ为墙底与地基土间的摩擦系数;Fat、Ept、Wt、Fbt分别为对应力在墙底切线方向的分力;Fan、Wn、Epn、Fbn分别为对应力在墙底法线方向的分力;b0为挡墙重心到墙趾的水平距离;h0为Fa作用点到墙趾的垂直距离。

计算时,需按桩间距来作为计算条带的单宽,上式各力的大小为单宽值乘以桩间距,则本式中Fa即为单根抗滑桩的设计推力值。

2.2 抗滑桩受力分析

得胜小学滑坡防治工程挡土墙前的抗滑桩桩长均为8 m,整个桩体除地表部分其余均处于滑床内,截面尺寸为1.0 m×1.5 m,因此其水平变形系数与桩长的乘积:αl=1.02<2.5,可以看做短桩,即刚性桩。桩体受挡墙推力为Fa,水平方向,桩前土压力分布采用文克尔地基模型研究,其土体水平抗力系数随深度成线性分布,即M法分布[5]。

将公式①、②中的相关系数代入,可得到Fb的两个表达式,即公式③、④:

式中:ks1、ks2分别为挡墙的抗滑移安全系数和抗倾倒安全系数;其余同①、②式。计算时应取两式中的最大值。

得到抗滑桩推力设计值后便可以按抗滑桩设计相关规范要求确定抗滑桩的构造以及埋深。

2.3 墙+桩组合结构防治有效性分析

(1)从监测数据上分析:得胜小学滑坡监测工程布置了5个监测点,其中有3个点分别位于滑坡主剖面的前缘、中部及后缘。由这些监测数据可以得出两方面的结论:第一、通过对比滑坡二期治理前后的监测位移(见图3),可以看出滑坡在二期治理后滑坡水平累积位移较治理前减小很多(一年累计水平位移为6 mm),显示该滑坡二期治理后处于稳定状态;第二、二期治理工程后,滑坡后缘及中部(见图4)的一年累计位移量(6 mm)大于滑坡前缘监测值(3 mm),反映出二期治理工程的墙+桩组合结构处于受力状态。因此该组合结构达到了阻止滑坡位移的效果。

图3 得胜小学滑坡二期治理前后J5监测位移曲线图Fig.3 Displacement curve ofmonitoring of J5 of pregovernance and postgovernance of second stage in Desheng primary school

图4 得胜小学滑坡二期治理后主剖面位移累积图Fig.4 Displacement cumulative ofmain cross-section of pregovernance and postgovernance of second stage in Desheng primary school

(2)从墙+桩组合结构的自身结构稳定性分析:一期治理工程由于受滑坡推力较大,导致抗滑挡墙基础遭受破坏;二期治理在挡墙前增设抗滑桩,弥补了挡墙抗滑移能力弱的缺点,提高了挡土墙的整体稳定性,抑制了因滑坡推力过大对墙体的破坏,该组合结构自身的稳定性是满足工程需要的。

(3)从滑坡稳定性评价方面分析:通过计算,现有墙+桩组合结构所能承受的下滑力为460.63 kN/m,组合结构的抗滑稳定系数为1.44,表明现有的组合结构防治是安全的。

因此通过以上三个方面的分析,说明得胜小学滑坡的墙+桩组合结构的防治是有效的。

3 结论

(1)本文分析了得胜小学滑坡墙+桩组合防治结构的受力状态,得到了挡土墙的抗滑移稳定系数和抗倾倒稳定系数的表达式,进而获得了用于设计抗滑桩承载力的表达式,建立了该组合结构的受力体系。

(2)通过对监测资料与墙+桩组合结构的受力两方面的分析,得出得胜小学墙+桩组合结构的防治是有效的,滑坡现有稳定系数为1.44,滑坡处于稳定状态。

(3)进一步研究工作将从该组合结构的变形状态入手,对组合结构达到承载力极限值时的桩体受力大小进行研究,并通过监测数据进行验证,以获得该结构的受力模式。

[1] 喻和平,田斌.滑坡防治措施的现状和发展[J].甘肃工业大学学报,2003,29(2):104-107.

[2] 许英姿,唐辉明.新型支挡加固措施在滑坡防治中的应用[J].地质勘探安全,2001(1):19-22.

[3] 殷跃平.中国滑坡防治工程的理论与实践[J].水文地质与工程地质,1998,25(1):1-9.

[4] 方云,林彤,谭松林.土力学[M].武汉:中国地质大学出版社,2005:139-146.

[5] 刘昌辉,时红莲.基础工程学[M].武汉:中国地质大学出版社,2005:165-167.

(责任编辑:潘 潇)

Study on the Pileand Wall Composite Structure’s Force System Used in Desheng Primary SchoolLandslide Control

XU Hong1,2,YAN Echuan1,HU Xianming1,LI Yi1
(1.Faculty of Engineering,China University of Geosciences,Wuhan,Hubei430074;2.The4th GeologicalB ridage of Hubei,Xianning,Hubei437100)

Desheng Primary School landslide is a great dangerof shallow landslide.Because of the geological complexity,a new displacement has produced after the first control project.The existing control structure is the pile and wall composite structure.In this paper,the force status of the composite structure by l imit equilibrium theory is analyzed to verify the effectiveness of control structure and acquire the force system of the pile and wall composite structure,which has the meaning to guide s imilar landslide control.

Desheng Primary School landslide;pile and wall composite structure;force status;control effectiveness

P642.22

A

1671-1211(2010)03-0280-03

2010-03-16;改回日期:2010-04-21

许红(1964-),男,高级工程师,硕士在读,地质工程专业,从事地勘管理工作。E-mail:xuhong555@126.com