圆形截面抗滑桩在红层地区某高速公路滑坡抢险工程中的应用

袁 丁， 刘文德， 李金标

(四川省交通勘察设计研究院有限公司， 成都 610017)

我国是地质灾害多发国家[1]，高速公路因连续强降雨诱发滑坡的情况屡见不鲜，严重影响高速公路的正常通行。随着我国社会经济的不断发展，对高速公路的通行需求也越来越高，发生灾害断道后，如果不能及时抢通，不仅阻碍高速公路畅通，还可能造成不良社会影响[2-4]。

本文以我国西南地区某中心城市环线高速公路滑坡抢险工程为例，对滑坡成因、处治方案和治理设计进行探讨，希望为类似工程提供参考[5-7]。

1 滑坡基本特征

某高速公路地处红层丘陵地区，覆盖层以粉质粘土为主，下伏基岩主要为砂质泥岩、泥岩，地形地质条件相对简单。但该区域突然遭受多年不遇的连续强降雨，造成某互通式立交集散道填方路基边坡坡脚外侧低洼区域大面积积水。坡脚土体因长时间受雨水浸泡软化，土体强度降低，引起路基边坡局部牵引式滑动，导致路基边坡失稳，路面开裂，紧邻路基外侧的灌溉渠发生挤压变形和开裂，滑坡前缘出现带状泉点、树木歪斜，覆盖土体变形，结构松散，这次病害造成道路中断，严重影响车辆正常通行。

1.1 滑坡形态特征

滑坡平面形态呈“不规则簸箕”状，纵向呈台阶状，滑坡前后缘高程分别为414 m、426 m，前后缘高差约12 m，滑坡宽约115 m，轴向纵长约41 m，滑移变形主要方向为176°，滑体厚度7 m～12 m，平均厚度约为9 m，滑坡面积约为0.4×104m2，体积约为2.5×104m3。滑坡后缘如图1所示。该滑坡为一深层人工堆积体牵引式小型滑坡。

图1 滑坡后缘

1.2 滑坡物质结构

滑坡体为路基填土，主要来自沿线挖方产生的泥岩、砂质泥岩及泥质砂岩，含水率较高，碎块石直径5 cm～50 cm，强度较低，锤击易碎。滑带土主要为碎石粉质粘土，粘粒含量高，呈可塑状，红褐色，含水量较高，具滑腻感。滑床为侏罗系蓬莱镇组(J3p)砂质泥岩、泥岩。滑坡纵向剖面如图2所示。

单位：m

1.3 滑坡变形破坏特征

根据现场调查，该滑坡的主要变形迹象及特征有以下几点：

1) 路面开裂，沥青路面发生拉裂，裂缝宽度约为5 cm～30 cm，裂缝处即为滑坡的后缘边界，如图3(a)所示；

2) 滑坡后缘路基沿着护栏发生下挫沉降，沉降量最大约60 cm，如图3(b)所示；

3) 排水沟灌溉渠开裂变形，主要表现为整体发生滑动，沟渠由直线变为弧形，局部产生挤压裂缝、施工缝开裂，排水沟两侧沟壁被挤压在一起，水泥沟壁发生开裂变形，如图3(c)所示；

4) 边坡开裂、沉降、拱起，坡脚一级边坡水泥砂浆护坡面发生挤压开裂，裂缝纵横交错，其走向与滑动方向大致垂直，最大沉降约20 cm，如图3(d)所示；

5) 前缘树木歪斜，滑坡体前缘生长的果树，由于前缘土体被挤推出，树木发生歪斜现象，歪斜角度约为20°，如图3(e)所示；

6) 前缘土体推出，前缘覆盖层被挤出，呈波浪状，土体松散，脚踩可陷，坡脚旱地大面积积水，土体呈流塑状，产生与滑动方向近平行的裂纹，如图3(f)所示；

7) 坡脚带状出露泉点，泉点流量约为1 L/min，无色无味，为坡面渗水，遇到相对隔水的泥岩，在滑动面形成径流通道，沿滑动面发生流动，在坡脚呈带状出露，使潜在滑动面长期处于饱水状态，泥化软化滑带岩土体，内摩擦角和粘聚力减小，稳定性下降，如图3(g)所示；

8) 路基二级平台填土发生沉降，在二级护坡与填土交界处发生沉降明显，沉降约20 cm，形成土洞，如图3(h)所示。

1.4 滑坡成因机制分析

根据边坡变形特征分析，该滑坡形成的原因主要有以下3个方面：

1) 从气象水文上，该地区遭受多年不遇连续强降雨，坡脚外侧地势低洼平缓，造成大面积积水，坡脚土体长时间受雨水浸泡软化，土体强度降低，前缘抗滑力降低，导致路基边坡局部发生牵引式滑动。

2) 滑坡体物质为人工填料，填料为碎石土，原岩为砂质泥岩和泥岩，基岩为泥岩，泥岩为相对不透水层，碎石土和泥岩接触面成为软弱面，为滑坡形成提供了连续活动面。

3) 人工填料在雨水的潜蚀和软化作用下，路基填料中细颗粒物质被带走，形成架空结构，在雨水作用、自重和外力作用下(车辆荷载)发生沉降和滑动变形。

(a) 沥青路面开裂

(b) 路基下挫沉降

(c) 坡脚排水沟受挤压开裂

(d) 边坡护面开裂沉降

(e) 树木歪斜

(f) 前缘土体开裂、挤出并隆起

(g) 坡脚泉点出露

(h) 填方边坡二级平台沉降

2 滑坡稳定性验算

2.1 滑带土抗剪参数的选取

剩余下滑力计算采用的岩土物理力学参数的选取合理与否，是计算评价滑坡稳定性的关键，其中滑带土的抗剪强度参数c、φ取值更是关系重大。具体选取的物理力学参数主要通过参数反演及类比地区经验值，并多次反复试算与实际的地质情况对比达到基本吻合后确定。

由于该滑坡在连续暴雨后发生滑动变形破坏，在参数反演时，选取典型断面作为计算断面，取滑动破坏时稳定系数Fs=0.97。本项目所述地层为侏罗系蓬莱镇组(J3p)，根据邻近地区同一套地层的2处滑坡滑带参数取值，见表1，通过工程类比法及参数反演得到本文滑坡的滑带力学参数，见表2。

表1 邻近地区滑坡滑带土力学参数

表2 滑带土抗剪强度参数综合取值

滑体物理参数通过室内试验修正后的重度为：天然重度平均值为19 kN/m3，饱和重度平均值为19.5 kN/m3。

2.2 稳定性计算工况

本次计算的目的是为滑坡的稳定性评价及治理设计提供依据，根据该滑坡形成机制，在进行稳定性分析计算时，主要考虑地震对滑坡体的影响，考虑的荷载主要有：滑坡体自重。滑坡区地震基本烈度为Ⅶ度，计算时须考虑地震力的影响。

综合考虑上述几种荷载对滑坡的作用，将滑坡稳定性计算划分为3种工况：

工况Ⅰ：天然情况；

工况Ⅱ：暴雨工况；

工况Ⅲ：地震工况，烈度为Ⅶ度。

计算断面在各种工况下的推力和稳定性条分图如图4所示。

2.3 计算结果

按照上述工况进行计算，结果见表3。根据计算结果，对滑坡进行稳定性分析评价，将稳定性划分为4级：稳定系数Fs>1.20为稳定，1.05

表3计算结果表明，填方路基在天然状态下稳定性系数大于1.20，处于稳定状态；在暴雨工况下，坡脚及地基受雨水长期浸泡后，填方路基发生沉降和开裂，大量地表水渗入路基填土内，导致填土物理力学强度(c、φ值)降低，稳定系数小于1.0，发生滑动变形；在地震工况下，由于地震烈度不高，填方路基虽处于欠稳定状态，但未发生滑动变形。

(a) 工况Ⅰ、工况Ⅲ

(b) 工况Ⅱ

表3 滑坡稳定性计算结果

2.4 滑坡推力计算

采用剩余下滑力传递法计算滑坡推力。滑坡推力计算中设计安全系数K，考虑该滑坡的重要性及危害性，选取工况Ⅰ：K=1.20；工况Ⅱ：K=1.15；工况Ⅲ：K=1.10进行计算。推力计算模型如图5所示。

图5 推力计算模型

在图5中，拟设支挡结构物所受第⑤条块剩余下滑推力计算结果见表4。

表4 第⑤条块滑坡剩余下滑推力计算结果 kN/m

滑坡体稳定性计算结果表明，该段填方路基在天然状态下处于稳定状态，在地震工况下处于基本稳定状态。

该路基滑坡演化过程大致可分为2阶段：一是初期变形阶段，在长时间高强度降雨过程中，路基坡脚在雨水浸泡下，岩土体软化，力学强度降低，导致路基边坡发生不明显的沉降开裂；二是加速变形阶段，连续强降雨形成的地表水灌入裂缝，导致路基填土饱水，物理力学强度表征参数c、φ值降低，最终发生滑动变形[8-9]。在暴雨工况下，计算断面拟设支挡结构物所受剩余下滑力为415.471 kN/m。

3 处治措施

该高速公路是区域内重要的环线公路，车流量大，断道造成的经济损失和社会影响较大，需要尽快恢复通行。

3.1 方案比选

根据前述分析结果，拟定2个设计方案。

1) 方案1：挖除原路基+重新填筑合格填料+坡脚挡墙+灌溉渠刚性支撑

该方案施工工序：(1) 挖除原路基填料后，采用合格填料重新填筑路基；(2) 在路基坡脚设置挡土墙；(3) 在灌溉渠底部采用钢管桩进行刚性支撑，如图6所示。

该方案优点：施工工序相对简单，造价相对较低。缺点：(1) 雨季施工，填料含水率难以控制，如要等雨季结束，恢复通车所需时间较长；(2) 项目已建成，重新征地拆迁难度大；(3) 借方量较大，取土困难；(4) 钢管桩属柔性桩，虽可对土体进行注浆加固，但该填方土为粘性土，降雨和地表水下渗可能导致含水率较高，浆液难以进入土体，加固效果差[10-13]。

2) 方案2：病害路基部分换填+抗滑桩+路基夯实

该方案施工工序：(1) 顺路线方向每隔15 m设置一道横向卵砾石排水沟；(2) 对灌溉渠以下路基填土进行夯实；(3) 在原灌溉渠处设置抗滑桩，采用圆形截面，开挖方式可采用旋挖，恢复的灌溉渠置于桩顶；(4) 对灌溉渠内侧破坏路基采用砂砾石换填，同时施工灌溉渠，如图7所示。

图6 方案1示意

图7 方案2示意

该方案优点：(1) 土石方规模小，基本无借方，施工工期受天气影响较小；(2) 相比传统的矩形截面抗滑桩，圆形截面抗滑桩不必采用人工挖孔，可采用机械旋挖成孔，施工快捷[14-15]。缺点：工程造价相对较高，工序相对较多。

经方案比选，结合社会经济效益综合考量，选择方案2作为最终处治方案。

3.2 处治设计

1) 抗滑桩设计

根据工程地质条件及前述分析，抗滑桩采用圆形截面，桩长h=16 m，其中受荷段h1=8 m，锚固段h2=8 m；桩心间距L=3.5 m；圆桩直径d=1.5 m；抗滑桩按弹性桩进行设计，桩底边界条件按自由端考虑；桩身内力按悬臂桩“K”法[16]计算。

当考虑库仑主动土压力时，计算高度为8 m，第1破裂角为32.760°，土压力为254.589 kN，作用点高度为2.965 m，抗滑桩桩身内力计算结果如图8所示。

(a) 抗滑桩桩身弯矩分布

(b) 抗滑桩桩身剪力分布

其中最大弯矩Mmax=5 047.998 kN·m，最大剪力Vmax=1 079.883 kN。桩顶最大位移42.87 mm<0.01×h1=80 mm。

当考虑滑坡推力时，桩身受荷段的外力分布采用矩形分布，抗滑桩桩身内力计算结果如图9所示。

(a) 抗滑桩桩身弯矩

(b) 抗滑桩桩身剪力

其中最大弯矩Mmax=7 709.014 kN·m，最大剪力Vmax=1 744.978 kN。桩顶最大位移62 mm<0.01×h1=80 mm。

经比较，滑坡推力在抗滑桩桩身产生更大的最大弯矩和最大剪力，为此，采用滑坡推力进行抗滑桩设计。根据桩身弯矩及剪力计算，得到桩身主筋选用3根钢筋为一束，在靠路侧半圆环形布置14束，间距约161 mm，每束钢筋由3根Φ32HRB400钢筋组成；临空侧桩身主要受压，桩身每束钢筋由2根Φ32HRB400钢筋组成，间距约193 mm；箍筋采用双肢箍筋，选用Φ16HRB400钢筋，间距取160 mm。配筋后的截面设计如图10所示。

图10 抗滑桩配筋横断面

2) 处治措施及施工顺序

本段路基水毁采用病害路基部分换填+抗滑桩进行处治，如图11所示。施工顺序为：(1) 以台阶开挖方式，挖除灌溉渠渠底以上变形的路基填土，挖除范围为路基后缘拉裂缝外侧4.0 m，开挖后先夯实路基填土，再施作抗滑桩；(2) 抗滑桩采用钢筋混凝土圆桩，旋挖成孔，桩径1.5 m，桩心间距3.5 m，桩长16.0 m；(3) 桩顶以上路基采用砂砾石填筑；(4) 灌溉渠采用C30钢筋混凝土浇筑，渠底置于抗滑桩顶；(5) 对路面、边沟、标线、护栏等进行恢复；(6) 恢复通车后，对路基外侧边坡进行修整，复建坡脚排水沟。

图11 抗滑桩平面布置

4 结论

1) 在详细调研该路基滑坡变形破坏特征、物质结构的基础上，分析了诱发滑坡的成因机制，并采用极限平衡法对其稳定性进行了分析。在天然、暴雨、地震3种工况下计算滑坡推力，得出暴雨工况的滑坡推力最大。

2) 采用库伦土压力和滑坡推力分别对抗滑桩桩身内力进行验算，经比较，采用滑坡推力进行抗滑桩设计。经分析比选，采用病害路基部分换填+抗滑桩+路基夯实的设计方案，抗滑桩桩身内力按悬臂桩“K”法计算，根据计算结果进行抗滑桩配筋设计。

3) 圆形截面钢筋混凝土抗滑桩可采用旋挖成孔，施工快捷，处治效果较好。该工程于当年8月初开工，12月底完工，目前已运营3年有余，未出现变形，处治效果良好。