复杂情况下公路边坡的稳定性及抗滑桩加固分析

宋思捷

(博罗县公路事务中心，广东 博罗 516100)

1 项目概况

本项目主要针对某国省道的边坡隐患进行调查，并根据实际边坡条件制定加固方案。经现场调查确认，G220线道路边坡涉及的安全隐患主要有7处，G205线道路边坡隐患4处，主要隐患为G220线K2506+100～K2506+200、K2474+180～K2474+240等处边坡的坡面滑坡。G220线、G205线按二级公路标准建设，设计时速60 km/h。所涉隐患路段的坡面相对陡峭，边坡表层的构成主要为土层、全风化残积层，质地相对松软，下部主要为较坚硬的岩石。滑坡体的厚度在1.5～3 m不等，滑塌高度在2～25 m不等，坡面整体的稳定性较差。

2 滑坡成因与边坡稳定性分析

从边坡隐患相关路段的坡面特点来看，坡面的坡度较大，边坡主要有风化岩以及质地松软的土层构成，部分路段有结构破碎情况，虽然建设时期根据围岩应力、边坡结构等情况对边坡支护进行了合理设计，但复杂边坡条件带来的安全隐患，以及降雨等因素的作用，仍然对边坡的稳定性带来了较大的影响。G205线K2857+324、K2857+825等路段的滑塌长度在20～30 m不等。

公路滑坡有内部因素、外部因素。内部因素是诱发滑坡问题的主因，常见的因素主要为地形地貌、地质构造、岩土土质。地形地貌方面，斜坡是引起滑坡的必要条件，地形高低的落差与滑坡事件的发生概率之间有明显的相关性[1]。本项目中，有多处地段存在地形高低落差较大、坡面相对陡峭的情况，故存在较大的滑坡风险。地质构造方面，在各构造面被分割以后，边坡的围岩结构发生变化，不同岩土层之间相互交叉，形成不连续状态，此时边坡具备滑动的条件。而不同岩土层之间形成的缝隙，为水流的浸入提供了有利条件，故地质构造与公路滑坡之间有着复杂的关联。相关资料显示，各类岩土体都有构成滑坡体、引起滑坡事件的可能性，不同岩土体的结构、抗风化能力、风化程度等可直接影响到其滑坡风险，而结构松散、质地柔软的岩土体发生位移的概率更高，更容易出现滑坡现象[2，3]。分析本项目中公路滑坡的成因，不稳定边坡存在软弱土层或者风化岩结构破碎等情况，在节理层有剪切力的存在。受剪切力等内部因素的影响，公路边坡本身具有产生边坡滑动的风险。而在外部因素方面，雨水作用以及路面荷载情况等进一步加剧了边坡的滑动问题。根据本项目的调查结果，相关路段出现的滑坡事故均与雨水作用有关，地面积水经岩土体的缝隙进入地下，受水流的作用，不同岩土体之间的平衡被打破，继而在推力的作用下发生位移，导致边坡滑动。因此，公路边坡问题的出现与内部因素、外部因素的综合作用有关。

在设计之初，根据围岩结构进行支护设计，保障公路边坡的稳定性，是边坡管理的重要内容。但由于设计理念以及后期道路养护等方面存在的若干问题，以及公路自身边坡条件埋下的隐患，使得道路边坡的稳定性管理面临新的困境[4]。在发现边坡有滑坡风险或者以及出现滑坡事故以后，公路养护单位需及时采取科学的方法进行加固处理，降低损失。针对本项目发现的边坡滑坡问题，技术人员设计了如下处置措施：(1)根据坡面的滑坡情况，对碎落台进行调整，调整参数在2～4 m不等；(2)分级卸载，坡率以及分级高度根据实际滑坡情况进行设计；(3)每级平台宽2 m(必要时设置宽平台)，平台设置C20混凝土截水沟，部分平台根据实际情况设置抗滑桩进行加固；(4)坡面采用三维网植草防护。其中，抗滑桩加固是边坡治理的重点，对改善边坡稳定性条件以及防治边坡滑坡问题有重要的价值。为保证抗滑桩加固的效果，本项目对抗滑桩的加固施工进行了相对全面的分析，并验证了其对边坡稳定性的积极作用。

3 抗滑桩加固分析

3.1 抗滑桩的受力分析

抗滑桩(如图1)加固是边坡加固的常用技术，对地质条件差的边坡有良好的适应性。在工程施工领域，抗滑桩作为一种常用的抗滑处理技术，对维持结构的稳定性、减少土体滑动风险等有着良好的作用[5]。抗滑桩加固的核心是借助周围岩土结构对抗滑桩的作用，在二者之间建立起稳定关系，平衡滑坡体的推力。要实现稳定的加固效果，抗滑桩加固施工有明确的要求，即抗滑桩必须镶嵌到稳定土层中，不同于其他锚杆加固方式，在加固结构中，抗滑桩主要承受横向荷载，不稳定土体的推力是其主要承受的外力[6]。在抗滑桩的设计、施工中，受力分析是一大难点，虽然抗滑桩在建筑项目、河道工程以及公路工程等领域已经有了比较广泛的应用经验，但抗滑阻力等重要参数的计算仍然缺乏规范的计算方法，通过试桩试验总结规律，依靠经验公式、半经验公式进行受力状况的分析，是目前主流的计算方法。本项目部分路段存在比较严重的坡面滑坡，考虑到边坡稳定性的条件复杂，设计加固方案前对抗滑桩的受力情况进行了分析。

图1 抗滑桩结构示意图

本路段的边坡表层组成主要为土层、风化岩，抗滑桩的分析大致分为两个部分：(1)滑动面以上部分，参考现有的悬臂梁分析方法进行计算；(2)滑动面以下部分，参考地基梁(线弹性)分析方法进行计算。在明确分析方法的基础上，参考《建筑边坡工程技术规范》(2013版)，结合路段的地基情况，设计滑动桩的嵌入深度。岩土体物理力学参数如表1所示。

表1 项目涉及岩土体的力学参数

3.2 抗滑桩材料的选取

材料选取是抗滑桩加固施工的重难点。依材料进行划分，目前道路工程可用的抗滑桩大致可以分为木桩、钢纤维混凝土桩、钢筋混凝土桩。从材料的性能来看，木桩在施工前均通过化学处理方法增强了其腐蚀性，材料自身的特性使得整个加固施工流程更加简单、方便，通过钻孔嵌入稳定土体后，即可开始进行混凝土填充，上部通过覆盖处理、防水处理，完成加固施工；钢纤维混凝土桩是以新型复合材料制成的抗滑桩，在施工流程上与木桩的加固施工并无明显差异，但运输过程中需要注意做好防护，避免颠簸等因素影响到材料自身的强度；钢筋混凝土桩在施工期间需要使用现浇工艺，在对有不稳定土质的边坡进行加固处理时，钻孔方式不当可能引起震动问题，导致滑动体下移，影响加固施工效果。三种材料的加固效果不一，为选择最佳方案，项目加固施工前进行了加固施工的试验，即在同等路基条件下，同一路段有序设置三种材料的抗滑桩，抗滑桩外部安装精密的感应器，完成加固施工后，对不同材料制成的抗滑桩的沉降情况、位移情况进行监测，连续监测一周。监测结果如表2所示。

根据图2所示结果，在质地柔软、边坡条件复杂的项目中，公路边坡的稳定性相对较差，使用木桩抗滑桩的效果并不理想，7 d内桩体的沉降量、位移量偏大，容易对抗滑桩加固的效果以及边坡整体的稳定性产生负面影响；相较于木桩抗滑桩，钢纤维混凝土桩体的沉降量、位移量得到明显控制，但在复杂边坡中的应用效果仍然不及钢筋混凝土。综合考虑施工条件、沉降与位移情况的测定结果，本项目采用钢筋混凝土抗滑桩。

表2 不同材料抗滑桩的测试结果

3.3 抗滑桩加固的稳定性分析

为进一步了解抗滑桩的加固效果，结合道路边坡的皮面图，利用有限元软件进行建模分析。从边坡的模型结构来看，本项目所涉的边坡加固工程是简单的二元结构，上部为松软土体，主要为土层、风化严重的岩体；下部为坚硬的岩体，整体结构相对稳定。为方便后续的稳定性分析，根据某路段的边坡情况，对边坡模型进行了适当简化处理，简化后模型的物理参数见表3。抗滑桩的截面尺寸为2.5 m×2 m，间距为6 m，桩体材料为钢筋混凝土，桩板墙采用同规格材料，厚度0.2 m。岩土体选择M-C模型，支护结构选择M-C弹塑性模型，摩擦系数取0.51。考虑到上部区域岩土结构的特殊性，对有滑坡情况的区域进行强度折减。

表3 简化模型的物理参数

图2 抗滑桩沿深度方向的位移情况

根据模拟计算的结果，在工况1状态下，桩体的位移量相对较少，符合边坡加固的安全系数要求；在工况2状态下，通过强度折减计算，边坡的安全系数维持在1.1～1.2之间，符合现行标准。分析桩身及连墙沿深度方向的位移量，结果显示，在加固过程中，抗滑桩本身不会出现明显的位移现象，符合实际加固需求。本次模拟计算的结果基本验证了抗滑桩加固在改善边坡稳定性方面的积极作用，加固材料、加工方案的合理选择，能够有效保障抗滑桩加固的效果。但在实际施工中，仍然需要结合公路的实际工况以及边坡稳定性的客观要求，对抗滑桩的桩体材料、锚固长度等进行控制。以边坡材料的应用为例，本项目有公路边坡结构的特殊性，钢纤维混凝土材料的表现不及传统的钢筋混凝土材料，但其性能以及加固施工方面的优势仍然不容忽视，在条件适宜的情况下，探索新型材料的应用路径，将新材料纳入公路边坡加固处理的考虑范畴，将为边坡加固带来更加多元化的选择。

4 结 语

复杂条件下的公路边坡管理有较高的技术要求，以某路段的公路滑坡问题为例，结合既往笔者参与道路管理工作的实际经验，对公路边坡的相关影响因素进行了分析，讨论了公路滑坡的主要原因以及该路段公路滑坡问题的特殊性；从公路边坡稳定性管理的视角出发，结合路段边坡结构、边坡条件，分析了公路滑坡问题的处置方法；针对公路边坡的抗滑桩加固，分析了抗滑桩受力分析的方法以及本项目中抗滑桩加固的实际条件与必要性，以简单的实验对比了不同材料抗滑桩在相同地基条件下的加固表现，并确定了加固方案。研究结果表明，在边坡条件相对复杂的道路加固施工中，抗滑桩(钢筋混凝土)加固有良好的效果，能够基本满足土质柔软结构的加固需求，重新支护后边坡的安全系数可达到现行技术标准的要求。