双滑面滑坡双排抗滑桩设计

李士超

(中国铁路设计集团有限公司，天津 300251)

抗滑桩作为重要的支挡措施，在滑坡治理中应用广泛。对于大型滑坡，因其下滑推力极大，许多工程采用双排抗滑桩，一些学者对此进行了一系列研究。熊志文、吴红刚等分别进行了双排桩的室内模型试验，分析双排桩的滑坡推力分配特点[1-2]。吕美君、祈斌、申永江、梅敏、张程峰等研究了双排桩的推力分配，以及桩排距对前后排桩推力分配的影响[3-7]。孙勇等利用钢架法计算顶部设连梁的双排抗滑桩，通过实例得出双排桩较单排桩节省费用的结论[8-9]。唐芬等研究了不同排距双排桩承担滑坡推力的特征，指出当前后两排桩达到一定距离后，双排桩完全独立工作，两排桩均可达到最佳抗滑效果[10]。以下所讨论的双排桩即为排距足够大且各自独立工作的两排抗滑桩。埋入式抗滑桩可有效降低滑面以上悬臂高度，进而减小桩长，降低投资，在滑坡治理中得到广泛应用。当滑坡有两个滑面时，桩顶高程受上层滑面的控制，悬臂高度难以有效降低，但通过设置多排抗滑桩，可对滑体分段进行支挡加固，当上排抗滑桩对上层滑体已进行有效加固时，下排抗滑桩可不受上层滑面控制，从而可以降低悬臂高度，减小桩长。以某双层滑面滑坡的治理方案设计过程为例，探讨双排抗滑桩的特点及设计方法。

1 工程概况

某滑坡为牵引式滑坡，雨季发生滑动，滑坡区域面积约为33 800 m2，滑坡体厚7～18 m，分布有上下两层滑面，上层滑面(ABC)为土石界面，下层滑面(DBC)位于岩层内，上下滑面之间最大距离近10 m，地震动峰值加速度为0.10g(地震基本烈度Ⅶ度)。因临近村庄，不具备清方卸载条件(见图1、图2)。

图1 滑坡平面

图2 滑坡剖面

2 抗滑桩设计

2.1 滑坡推力计算方法

我国铁路与工民建行业常采用传递系数法，该方法对于倾角较缓、相互间变化不大的折线段组成的滑面较为适用。该方法有如下假定[2]：

①滑坡体不可压缩，不考虑条块间的挤压变形。

②条块之间只传递推力，不传递拉力。

③条块间的剩余下滑力平行于前一块的滑面方向且作用在分界面中点。

④取单位长度宽的岩土体作为计算的基本断面，不考虑两侧的摩擦力。

实际计算中，应考虑一定的安全储备(选用合理的安全系数)，计算式为

Ei=KsWisinαi-Wicosαitanφi-cili+ψiEi-1

(1)

式中Ei——第i滑块剩余下滑力/(kN/m)；

Ei-1——第i-1滑块剩余下滑力/(kN/m)

Wi——第i滑块重力/(kN/m)；

Ri——第i滑块滑床反力/(kN/m)；

ψi——i-1滑块对i滑块的剩余下滑力传递系数，ψi=cos(αi-1-αi)-sin(αi-1-αi)tanφi；

φi——第i滑块滑面上岩土体的内摩擦角/(°)；

ci——第i滑块滑面上岩土体的黏聚力/kPa；

li——第i滑块滑动面长度/m；

αi——第i滑块滑面的倾角/(°)；

αi-1——第i-1滑块滑面的倾角/(°)；

在计算过程中，当滑面有逆坡段时，其倾角为负值，Wisinαi也为负值(实际为抗滑力)，此时不应再乘安全系数。

计算时，应从上往下逐块进行，剩余下滑力可用以判断滑坡体的稳定性。如最后一块的En>0，说明滑坡体在要求的安全系数下不稳定，反之则稳定。如果某一滑块的Ei为负值或零，则说明本块以上岩土体稳定，下一条块计算时无需考虑上一滑块的推力。

当安全系数Ks一定的条件下，给定c值，令En=0，则可通过试算法求出φ值，反之，给定φ值亦可反算出c值。

本文案例的滑坡倾角较缓，可采用折线滑面传递系数法进行计算。

2.2 滑面参数反算

滑面土体力学参数采用反算法确定，滑坡发生条件下稳定安全系数为0.95，根据折线形滑面边坡传递系数法，给定c=5 kPa，反算φ值。

由剖面可知，上下两层滑面在后部(BC段)重合，需首先反算上层滑面(滑面ABC)的φ值。再将反算出的φ值赋予滑面BC段，反算下层滑面DBC中DB段的φ值。

经计算，上层滑面c=5 kPa，φ=8.2°，下层滑面c=5 kPa，φ=9.73°。

根据地质报告，土石分界线粉质黏土饱和残余剪切强度为：黏聚力c=7 kPa，内摩擦角φ=21.9°。

岩石滑界黑色软泥岩饱和残余剪切强度为：黏聚力c=11 kPa，内摩擦角φ=10.6°。

与上述反算值对照后，取反算值计算剩余下滑力。

2.3 剩余下滑力计算

结合抗滑桩布置位置对滑体进行条块划分，以便求出桩背处剩余下滑力。

本次下滑力计算，一般工况条件下安全系数为1.2，地震工况条件下安全系数为1.15，取不利的大值进行抗滑桩检算。

图3 下层滑面剩余下滑力(单位：kN)

图4 上层滑面剩余下滑力(单位：kN)

如图3、图4所示，剩余下滑力逐渐增大的段落为下滑段，剩余下滑力逐渐减小的段落为阻滑段，对滑坡进行加固时，抗滑桩应设置于阻滑段，按单排抗滑桩和双排抗滑桩两个方案分别进行设计。

(1)单排抗滑桩方案

如图3、图4所示，对于下层滑面，滑块16～18剩余下滑力逐渐减小，为阻滑段，桩应设置于滑块15之下，剩余下滑力为4 557.53 kN。由于需要同时抵抗上层滑面、下层滑面剩余下滑力的作用，上层滑面以上需保证足够的桩长。

(2)双排抗滑桩方案

杨波、郑颖人等提出应使两排桩受力较为接近的优化准则[3]，双排抗滑桩方案可以此作为优化目标。对于下层滑面，由图3可知，滑块7剩余下滑力约为滑块15剩余下滑力的一半。初步选定滑块7与滑块8之间为上排桩位置。

对于上层滑面(如图5所示)，滑块1～7为下滑段，滑块8～17为阻滑段。采用上排桩对滑坡中后部进行加固后，滑块8及其以下部分能够实现自稳。

为验证这一点，将滑块1～7对应滑面φ值赋予一个足够大的值，使滑块1～7剩余下滑力均为负值，等效于滑块1～7已被完全控制，不会发生滑动。计算上排桩以下各滑块剩余下滑力。

图5 双排桩方案上层滑面剩余下滑力(单位：kN)

上层滑面计算结果如图6所示，滑块15、滑块16、滑块17剩余下滑力均为负值，表明上排桩实施后，滑块8～滑块17整体稳定。

图6 双排桩方案上层滑面剩余下滑力(上排桩以下部分)(单位：kN)

对于下层滑面，将下排桩布置于滑块15与滑块16之间，由于上排桩已对滑块1～滑块7进行挡护加固，下排桩仅需抵抗滑块8～滑块15产生的剩余下滑力。将滑块1～滑块7对应滑面φ值赋予一个足够大的值，使滑块1～滑块7剩余下滑力均为负值。计算滑块8～滑块18的剩余下滑力，计算结果如图7所示。

图7 双排桩方案下层滑面剩余下滑力(单位：kN)

图8 双排桩方案下层滑面剩余下滑力(上排桩以下部分)(单位：kN)

对照图7、图8可知，在上排桩施工后，滑块8～滑块18剩余下滑力明显减小。其中，滑块15剩余下滑力由4 557.53 kN减小为2 262.94 kN，降幅达50%，可见上排桩可有效减小下排桩桩背所受剩余下滑力。

上排桩、下排桩所受剩余下滑力分别为2 380.09 kN和2 262.94 kN，二者较为接近，较均衡地抵抗了剩余下滑力的作用。

2.4 抗滑桩检算

在2.2中已经确定了抗滑桩桩位，另外一个影响抗滑桩弯矩大小的因素为滑面以上的悬臂高度。

(1)拟定桩顶高程，进行越顶检算。检算时可采用两种方法：①对于土质地层内的剪出破坏，采用圆弧滑动法，给定圆弧出入口范围，通过搜索最危险滑动面进而求出安全系数，若安全系数大于目标值(一般工况下不小于1.25，地震条件下不小于1.15)，则不存在越顶破坏。②假定剪出口位置及部分滑面，采用此前反算的滑面参数计算剩余下滑力，若最下侧滑块剩余下滑力大于零，则存在越顶破坏的情况，反之则安全。在确保不出现越顶破坏的前提下，应尽量加大桩顶埋深。

(2)拟定桩长、桩径、桩间距。检算桩身受力情况需满足以下条件：①桩身作用于围岩的侧向压应力不大于地基的横向容许承载力。②桩截面在满足规范规定配筋构造要求的前提下，可提供足够的正截面承载力及斜截面承载力。③当滑坡范围有民宅等建筑物时，还应将桩顶位移限定在一定范围内。

(3)在满足以上条件的前提下，分析下层滑面以下是否会产生新的深层滑动：①对于土质地层滑坡，可采用圆弧滑动法搜索最危险圆弧，从而判断是否存在深层滑动的可能性。②对于本文案例中的岩层滑面滑坡，下层滑面以下以泥岩为主，不存在软弱面、破碎带等发生深层滑动的基础条件，且工程措施除设置抗滑桩外，还采用二八灰土对滑坡裂缝进行夯填封堵，对滑坡区域进行整顺夯实，通过后缘截水沟及滑坡中部的截水沟，将汇水引排至滑坡范围外，减少了表水下渗，消除了渗水软化地层这一滑坡产生的重要诱因，从而可以避免深部滑动情况的发生。

单排桩、双排桩方案设计参数如表1。

表1 抗滑桩设计参数 m

由表1可知，单排桩方案中，因剩余下滑力高达4 557.53 kN，且悬臂高度大，单纯理论上计算得出的抗滑桩参数，桩截面需要加大至3 m×4 m，桩间距仅3.5 m，考虑到桩施工护壁厚度为0.2 m，实际上各根桩已经基本连成一堵墙。

双排桩方案中，上下两排桩较为均衡地承担了剩余下滑力的作用，下排桩剩余下滑力减小为2 262.94 kN，降幅达50%，且下排桩桩顶高程不受上层滑面控制，可适当加大桩顶埋深，从而降低了悬臂高度，桩长得以减小。

经计算，靠近滑坡两侧位置，采用2 m×2.5 m的抗滑桩，滑坡主体区域采用2.5 m×3 m的抗滑桩，抗滑桩根数及圬工量如表2所示。

表2 抗滑桩数量

由表2可知，尽管双排桩方案桩根数有所增加，但由于剩余下滑力下降明显，桩径、桩长得以优化，圬工量更小，且大幅减小了桩身承受的滑坡推力作用，避免了桩间距过密的情况，双排桩方案平面布置如图9。

图9 双排桩方案平面

3 结论

(1)对于多滑面滑坡，应对各滑面参数分别进行反算，得出各滑面处剩余下滑力。

(2)对于不具备清方卸载条件的大型滑坡，因下滑力很大，采用单排桩进行挡护时存在桩径大、间距过密的情况，而通过双排桩共同承担剩余下滑力，每排桩承担的下滑力将大大减小，其方案更具可实施性。

(3)设置双排抗滑桩时，应使两排桩承担的剩余下滑力尽量接近，较为均衡地分担剩余下滑力。

(4)通过上排桩可对上层滑体进行有效加固，下排桩桩顶不受上层滑面控制，从而可以加大桩顶埋深，减小悬臂高度，进而减小桩长。

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