抗滑桩治理滑坡的应用技术研究 ■张培旭 （福州市公路设计室，福州 ３５０００２） 摘要本文通过闽江岸边ｘｘ县道边坡滑坡治理工程实例，深入探讨了抗滑桩的 计算参数的选取，建立滑坡和抗滑桩的简化力学模型，采用传递系数法，给出了滑坡推 力的计算方法，对桩位、桩间距的合理设置进行了阐述，并对桩长的合理确定做分析比 较，同时对滑坡治理效果监测的方法进行描述。 关键词 滑坡治理抗滑桩 悬臂桩法监测 １ 前言 本文通过闽江岸边ＸＸ县道Ｋ３０＋９６５￣Ｋ３１＋０５５左侧 路基滑坡整治工程实践，阐述了滑坡成因、加固方案的 拟定、抗滑桩结构设计过程中几个重要环节：滑动面的 ２．１产生滑坡的主要原因 （１）冲刷凹岸岸坡形成水下临空面使斜坡失去支 撑，易引发滑坡。 （２）闽江水频繁升降、长期浸泡及降雨使坡体岩土 确定；计算参数Ｃ、‘Ｐ的选取；桩位、桩间距、合理桩 长的设计及桩尖嵌入岩层的悬臂桩桩身内力计算。 抗剪强度降低，同时导致土体的重度增加，增大了下滑 力，也加剧斜坡失稳。 ２工程背景 滑坡灾点位于闽江岸边ＸＸ县道Ｋ３０＋９６５￣Ｋ３１＋０５５ 段。滑坡区地处闽江凹岸，属闽江岸坡冲积阶地。坡顶 （３）近年河床下切，水动力条件改变，加剧临空面 的形成，根据水下地形勘测资料显示，近３年该处河床 下切１￣２ｍ，局部达到３ｍ，形成岸边淘空，加剧边坡失稳。 为东西走向的ＸＸ县道，距公路边沟右侧上方约５￣６ｍ为 外福铁路。滑坡后公路路面可见长约７０ｍ的塌陷，滑坡 后壁贯通，最大下错４￣５ｍ。滑坡前缘约９０ｍ，主滑段约 ７０ｍ，滑坡体中部坡面上有多处贯通的拉张裂缝。该滑 坡类型属浅层牵弓１式土质滑坡。其滑动面在滑坡后缘沿 ３加固方案拟定 滑坡治理的目标是提高堤坡的抗滑稳定性，使它满 足规范要求，达到除险目标。提高堤坡抗滑稳定性的措 施主要有：削坡减载、坡脚反压、抗滑挡土墙和抗滑桩 支挡以及排水等，根据本处滑坡路基滑坡特点及地貌条 杂填土和粉质粘土呈圆弧形，在滑坡中部、前沿则沿粉 土与残积砂质粘性土界面滑动。 件，最终拟定本滑坡的治理采用抗滑桩方案：在边坡主 滑段Ｋ３０＋９７３￣Ｋ３１＋０４６范围内采用双排钢筋砼抗滑桩， 梅花形布置，排间距为５ｍ，单排抗滑桩间距为５ｍ，桩 径１．６ｍ，桩长２０ｍ并要求进入中风化岩不小于ｌｍ．桩顶 布置整体式冠梁，共布置抗滑桩２８根，滑坡体内增设盲 沟以利于排水。 抗滑桩结构布置图参见图２。 图１ 滑坡现场图片 图２抗滑桩结构布置图 福建交通科技２０１１年第３期 Ｉ．．．．．．．＿＿Ｊ ４抗滑桩设计 ４．１抗滑桩设计应满足的要求 （１）整个滑坡体具有足够的稳定性，即安全系数满 足设计要求，保证滑坡体不越过桩顶，不从桩间挤出； （２）保证桩周的地基抗力和滑坡的变形控制在容许 范围内： （３）桩身要有足够的强度和稳定性，配筋合理，满 足桩的内应力和变形的要求； （４）抗滑桩的间距、尺寸、埋深等应适当，保证安 全方便施工，节约成本。 ４．２滑动面确定 由于滑坡上口已出现裂缝或下错，比较容易确定， 而下口可根据对地层钻探资料的分析判断。根据钻探资 料初步确定滑动面，结合采用瑞典圆弧法计算机自动搜 索最危险滑动面的计算结果可判断主滑动面可能产生在 ⑤层和⑥层之间的界面或接近与分界线处。 ４．３滑坡推力计算 ４．３．１计算参数取值 滑坡体计算强度指标应依据实验资料和滑坡的变形 破坏特征反算综合给出。第一次钻孔取样室内试验残余 强度Ｃ＝２４．９７ｋＰａ、‘Ｐ ８．５ｏ，将此值代入公式反算，滑 体出口不等于零。反算分析采用的基本公式为： Ｆ。∑ｗ。ｓｉｎｉｘｉ－ｔａｎｑ￣ＸＷ。ＣＯＳＸＩ。 Ｉ一一一 Ｌ ／Ｆ。 Ｗ．ｓｉｎｉｘ．－ＣＬ＼ ‘ｐ＝玳乜“Ｉ— 一Ｊ 复用初始滑动剖面令Ｆ ＝１，反算滑面抗剪指标得 Ｃ＝２２ｋＰａ，‘ｐ＝６ｏ，该值与第二次钻孔取样室内试验ｃ＝ ２２．３ｋＰａ，‘ｐ＝６．５ｏ相似，故确定用反算法求得值。最后 根据现场实际情况，强度指标选取为粘聚力Ｃ＝２２ｋＰａ， 内摩擦角‘ｐ＝６ｏ。 ４．３．２计算方法选取 滑坡推力的计算有多种方法，在本项治理工程中按 桩前滑体可能滑走的最不利情况，采用了剩余下滑力方 法计算滑坡推力。如图３，根据滑动面的变坡点和抗剪 强度指标变化点，将滑体分成若干块，从最上一块开 始，逐块计算剩余下滑力，抗滑桩桩后最后一块的剩余 下滑力即为滑坡推力。 ４．３．３计算公式及荷载大小 计算滑坡推力时应考虑的荷载：滑体重力、滑坡体 上建筑物产生的附加荷载，地下水产生的荷载、动荷载 （如汽车、火车）等永久荷载，以及地震水平作用力、 作用在滑体上的施工临时荷载。 第一块的剩余下滑力为： Ｔ１ ＦｓＷ１ｓｉｎｉｘ１一（Ｗｌｃｏｓｘｉ１ｔａｎｑ＞１＋ｃ㈩Ｌ） 其余各块的剩余下滑力为： 图３剩余下滑力计算简图 Ｔ。 ＦｓＷｉｓｉｎｉｘ ＋ ｉＴ １一（ＷｉＣＯＳＸＩｉｔａｎｑ￣。＋ｃ Ｌｉ） ｉ ｃｏｓ（Ｉｘｉ一１一仪。）一ｓｉｎ（Ｉｘｉ一１一（３／．ｉ）ｔａｎｑｏ。 式中：Ｔ，、Ｔ ——第ｉ和ｉ＇ｌ滑块剩余下滑力（ｋＮ／ｍ）； Ｆ ——稳定系数； ｗ－为第ｉ滑块的自重力（含其它荷载换算为等 载土体重量）（ｋＮ／ｍ）； ，、０【 ——第ｉ、ｉ－１滑块对应滑面的倾角（ｏ）； ‘Ｐ；——第ｉ滑块滑面内摩擦角（。）； ｃ——．第ｉ滑块滑面岩土粘聚力（ｋＮ／ｍ）； Ｌ——，第ｉ滑块滑面长度（ｍ）； ——．传递系数。 利用理正岩土计算设计软件计算得出： 滑坡推力＝８８１．７５ｋＮ 滑面处的剪力Ｑ ＝７６８．７３ｋＮ 滑面处的弯矩Ｍ ＝１６２４．３２ ｋＮ・ｍ ４．４抗滑桩要素设计 ４．４．１桩位选择 合理的桩位应使作用在桩结构物上的滑坡推力尽可 能小 ，又要使滑坡在桩的作用下得以根本控制。抗滑桩 一般应设置在滑坡前缘抗滑段滑体较薄处，以便充分利 用抗滑段的抗滑力，减小作用在桩上的滑坡推力，减小 桩的截面和埋深，降低工程造价，并应垂直滑坡的主滑 方向成排布设。本处滑坡由于滑坡的外侧紧邻闽江，受 到条件约束，抗滑桩的设桩位置即在滑坡的主滑段上。 ４．４．２桩间距的确定 （１）采用抗滑桩来防治滑坡加固工程时，首先要解 决桩距问题，合适的桩间距应该使桩间滑体具有足够的 稳定性，在下滑力的作用下，不致从桩间挤出。在实际 工程中，应以桩间土体与两侧被桩所阻止的土体的摩擦 力大于桩间滑坡推力来控制并进行估算，有条件时可通 过模拟试验考虑土拱效应，取得土体能形成土拱效应的 桩间距值，并结合实践经验来综合考虑桩间距。 （２）理论上的设计原则应是抗滑桩的间距恰好Ｉ１，￣１１ 土拱作用能充分发挥，这时桩间块体传递给桩前下一条 块的荷载恰好为零。根据有关资料介绍 ］，土拱作用 与桩间距及滑动面深度的关系为：崔托维奇认为滑动面 圈福建交通科技２０１１年第３期 深度约为桩距的２．５倍，太沙基则认为约为桩距的２倍。 建议粘性土采用前者，砂性土则采用后者。 ４．４．３桩长的设计 桩长设计的原则是必须保证在任何桩长情况下都要 使地层的稳定系数大于或等于设计安全系数。如果达不 到安全系数，桩就可能出现越顶破坏，即桩虽未拉断或 剪断，但地层已经失稳，表明桩长不足。下面通过工程 算例来说明合理桩长的设计。 滑坡体为前面提到的闽江岸边ｘｘ道路Ｋ３０＋９６５～ 抗滑桩为桩尖嵌入岩层的悬臂桩。如图４所示。因抗滑 桩的刚度较大，当抗滑桩的桩端嵌入较完整的岩层时。 可形成铰端，桩身只能绕桩底中心旋转。 ． １２（Ｍｏ＋Ｑｏｈ） ＋４ＣｏｄＷ 。Ｂ 土的侧向应力： ０＿ｖ＝ｍｙ（ｈ—ｙ） 桩身的剪力： ２（３ｈ－２ｙ） Ｑ，：ｑｏ一—Ｂｐｍ￣ｙ——Ｋ３１＋０５５左侧路基滑坡堆积体的一个典型地质剖面，如 图２所示，计算参数见表１。 表１ 材料物理力学参数 ＿—一桩身的弯矩： ｙ３（ ２ｈ－ｙ） Ｍｙ：Ｍｎ＋Ｑ０ｙ一—Ｂｐｍ６ —材料 簸髓比 内 角 桩底岩层最大和最小应力 仃．（ｋｎ／ｍ３） （ＭＰａ） ＝ ±ｃ。ｄ￣＝——士 ｂ／２ ｎⅡｎ Ｆ 式中，Ｂ厂桩的计算宽度，对于圆形桩Ｂ ＝０．９（ｄ＋ １），ｍ； ｒｎ一由于计算是为了研究桩长与安全系数之间的关系， 所以锚固断的长度简设为９ｍ。桩的埋设位置位于公路 下方，抗滑桩的长度分别为１６、１８、２０、２２、２３．５ｍ。 经相关专业软件计算得出了在不同桩长情况下的边坡稳 定系数见表２。 表２同一桩位。桩长与边坡安全系数之间的关系 地基系数随深度变化的比例系数，ＫＹ／ｍ４； 为桩底岩层的ｃ０值； 滑坡推力在竖直方向的分力，ｋＮ； ｗ—一桩底的截面模量，Ｗ＝Ｂｄ２／６，ｍ３； ｃ ｖ１一Ｎ＝Ｎｏ＋ＶＴ，ＮＧ桩身自重，ｋＮ； Ｆ＿一桩底截面积，Ｆ＝订・ｄ２／４，ｍ２。 该种情况下的稳定条件如下： 桩底最大竖向应力６一≤［６］，式中［６］为地基容 许承载力： 土的侧向应力应满足下列条件： 如表２所示，桩的长度为１６ ｍ、１８ ｍ、２０ ｍ时， 滑坡体的安全系数从１．１７增加到１．２６，这说明增加桩长 ６ ≤［６］ ＝ ｊｃｏｓ‘ｐ ｔａｎ‘Ｐ（即该点的主被动土 压力之差） 可以增加滑坡体的稳定安全系数；继续增加桩长（桩长 为２２ ｍ，２３．５ ｍ），滑坡体的稳定安全系数仍然保持在 １．２６，表明此时增加桩长并不能增加边坡的稳定安全系 数，既此时增加桩长并不能提高边坡的稳定性。按前述 式中，６ｈ 一滑面－Ｆｙ＝ｈ／３处土的侧向压应力，ｋＰａ； 原则，可以根据设计要求的安全系数来确定合理桩长。 如本工程中设计安全系数为１．２５，由表２可见其合理桩 长为２０ｍ。 ４．５悬臂桩桩身内力计算 抗滑桩的内力计算，分为刚性桩和弹性桩两种情 况，滑面以上的下滑力和桩前下滑力均视为外力，按一 般力学方法，可以较容易地由桩顶向下分别计算出桩侧 应力盯 和桩身内力Ｑ 、Ｍ ，这里不在赘述，本节主要介 绍滑动面以下桩身内力计算。 本工程设计抗滑桩按桩前滑体可能滑走的最不利情 况即按悬臂桩考虑，根据地质钻探资料，本工程设计的 福建交通科技２０１１年第３期 ｒ—－一１ ［６］ 广滑面－Ｆ＇ｙ＝ｈ／３处土的侧向容许承载力， ｋＰａ； ‘ｐ——滑床土的内摩擦角，度； 滑床土的容重，ｋＮ／ｍ。； ｈ ，——桩前滑体（悬臂桩时不存在）土换算 为滑床土的高度，ｍ。 本工程案例将各有关参数代入相应公式计算得： ６～＝６２３．４６ｋＰａ￣＜［６］＝１２００ｋＰａ ６ｈ／３＝１１９．８３ｋＰａ￣＜［６］￣＝１２９．６３ｋＰａ 计算结果均满足要求。 ５监测与评价 为评价滑坡治理方案的有效性，应在滑坡治理方案 实施后，对滑坡体的各部分位移的方向、速度及裂缝发 展以及抗滑桩承受压力、拉力、位移等进行监测，以便 及时分析和评价治理方案的有效性。 ５．１抗滑桩的监测 ５．１．１ 滑坡推力和桩周土抗力监测 在抗滑桩靠山侧和靠河侧护壁外与岩土接触处设两 排土压力盒，按预计的压力大小选不同的压力盒，上下 间距１．５￣３ｍ，如图５所示。 图５抗滑桩监测元件布设图 ５．１＿２桩身内力监测 桩身内力监测是在靠山和靠河侧的钢筋上埋设钢筋 计进行监测，其间距２￣３ｍ。如图５所示。 ５．１．３桩顶和桩身位移监测 在桩顶设位移监测点，与地表位移一起监测桩顶位 移。桩身位移则采用在桩中心埋设测斜管。用钻孔测斜 仪监测桩身的变位。 ５．２滑坡体的监测 ５．２．１ 裂缝监测 最简单的一种方法是在滑坡周界两侧各选择在动体 和不动体上各打入一根桩（钢筋或木桩），埋人土中的 深度不小于ｌｍ，定时测量两点间距离，即可求出两桩 间距变化。 ５＿２＿２位移的方向、速度监测 根据裂缝监测的方法，若在不动体上设两个桩，滑 动体上设一个桩，形成一个三角形，从三边长度变化即 可求出滑动体的移动方向和速度，如图６所示。 图６简易监测桩示意图 ６结论 ． （１）滑面岩土抗剪强度指标Ｃ、‘ｐ的取值，从滑面 岩土室内试验资料中获得的数值还应通过极限平衡公式 反算求出的抗剪强度值进行对比综合分析。结合滑坡可 能出现的最不利情况进行分析确定，否则可能出现ｃ、 ‘Ｐ取值偏大，导致计算得出的滑坡推力偏小而造成滑坡 治理的失败。 （２）滑坡体的安全系数与桩长并非呈线性比例关 系，既安全系数并不是随着桩长增加而一直增大，如本 文前述，可见采取合理的桩长才是最经济合理的。 （３）当滑体规模较大时，单排桩需较大截面，投资 较大，采用双排抗滑桩，较单排桩经济且结构上更合 理。双排抗滑桩之间采用横向联系梁形成一个框架，横 向联系梁抗弯刚度越大，桩顶转动可能性愈小，使桩身 应力愈趋于合理化分布，能显著减小桩身最大弯距值。 （４）由于滑坡产生往往是多个因素共同作用的结 果，采用单一的加固措施往往治标不治本。因此采用综 合治理的方案可以尽可能的排除一切不利于滑坡稳定的 因素，如在滑坡体内增设盲沟等，以求彻底根治。 参考文献 ［１］交通部第二公路勘察设计院主编．公路设计手册一路基（第二 版）．北京：人民交通出版社． ［２］ＪＴＧ Ｄ３０－－２００４，公路路基设计规范．北京：人民交通出版社． ［３］郑颖人，等．边坡与滑坡工程治理（第二版）．北京：人民交通 出版社．２０１０．６． ［４］刘金砺．桩基础设计与计算［Ｍ］．北京：中国建筑工业出版 社．１９９０． 圈福建交通科技２０１１年第３期