秦鳳艷,戈海玉

(皖西學院建筑與土木工程學院,安徽 六安 237012)

山體由于受到重力、地震力、人類工程活動的影響易產(chǎn)生變形,嚴重時會形成滑坡。近年來我國地質(zhì)災害頻發(fā),其中滑坡時有發(fā)生,其帶來的危害尤為嚴重,不僅表現(xiàn)在對生命財產(chǎn)的直接毀壞,而且滑坡易導致道路堵塞癱瘓,會增加救援的難度或延誤救援時間,因此對滑坡的治理及支護結構的研究極為重要。在邊坡支護結構設計中,目前常用的支護結構有抗滑樁、預應力錨索、預應力錨索框架梁、擋土墻等。

徐青等[1-4]介紹了預應力錨索在邊坡支護中的應用,并對相應的施工技術及優(yōu)化設計思路進行了研究,主要考慮了錨索的錨固角及錨固長度。趙濤等[5-7]分析了地震作用力對邊坡的影響,針對錨索的長度及間距進行了優(yōu)化設計。邵廣彪等[8-9]介紹了抗滑樁在邊坡支護中的應用,對抗滑樁的受力特點及變形規(guī)律進行了分析。何忠明等[10]運用模糊數(shù)學理論對邊坡支護設計方案進行了優(yōu)選。已有研究成果對滑坡的治理提供了重要的參考依據(jù),但在復合支護中不同結構體系的相互影響仍值得探討,如抗滑樁與預應力錨索結合支護滑坡時,抗滑樁與錨索的間距問題等;另外,不同的工程地質(zhì)條件往往產(chǎn)生不同的結果,因此在滑坡治理中應根據(jù)具體情況具體分析。

本文針對某實際滑坡治理工程,對其支護方案進行比選,并通過分析抗滑樁與預應力錨索框架梁這兩種支護結構的相互影響,對支護體系進行優(yōu)化設計。

1 工程概況

1.1 地質(zhì)條件

某邊坡由于連日降雨,已經(jīng)產(chǎn)生滑動,滑坡后緣張裂縫清晰可見,寬度為10～40 cm,如圖1所示?；w位于山體斜坡地中下部,平均厚度12.5 m,滑動面如圖2所示。滑坡所處地形坡度20°～40°,滑坡高度約為60.5 m。該滑坡地層總體走向為NW,傾向為NE50°～60°?；轮饕獮樯喜克缮⒍逊e體產(chǎn)生滑動,邊坡原有的擋土墻支護結構已不能滿足工程需要,而且在滑坡下方有廠房和居民區(qū),所以該滑坡必須重新支護。

圖1 滑坡后緣張裂縫

圖2 滑坡剖面示意圖

根據(jù)鉆探和現(xiàn)場地質(zhì)調(diào)查,滑坡體地層由耕植土、黏土夾碎塊石組成,下伏基巖為灰?guī)r夾泥質(zhì)灰?guī)r,自上而下依次為:①耕植土,褐黃色,由黏土夾碎石組成,厚度一般為0.5 m,分布在自然坡面表層,植物根系發(fā)育,結構疏松;②黏土,黃色,土體結構較松散,含大量泥巖風化殘塊,工程性質(zhì)一般;③強風化石灰?guī)r,灰色,薄至中厚層狀夾泥巖,細晶結構,整體性較差,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅲ、Ⅳ類;④中風化白云巖,灰白色,薄至中厚層狀,隱晶-細晶結構,巖體基本質(zhì)量等級為Ⅱ、Ⅲ類;⑤弱風化砂巖,灰黃色,薄至中厚層狀,中粒砂狀結構,巖芯成柱狀,強度較好。

滑坡區(qū)內(nèi)地下水類型主要為碳酸巖巖溶水,賦存于石灰?guī)r及白云巖的巖體溶蝕裂隙中,水量受地形、巖性等因素的控制,區(qū)內(nèi)地下水總體上由北向南徑流,在地勢低洼部位以泉的形式出露地表。通過鉆孔進行水位觀測,在鉆探深度范圍內(nèi)未揭穿地下水,說明地下水位埋藏很深,在支護設計中可以不考慮地下水的影響,該邊坡安全等級為二級。

1.2 滑坡的成因及支護方案

根據(jù)現(xiàn)場勘察,產(chǎn)生滑坡的原因主要有兩個:一是滑坡由耕植土、黏土、強風化巖體組成,這部分巖土體強度低,穩(wěn)定性差;二是滑坡產(chǎn)生前該地區(qū)連續(xù)降雨多日,加之耕植土透水性較好,大量降水經(jīng)地表滲入滑體中且未能及時排出,巖土體容重及下滑力顯著增加,導致產(chǎn)生滑動?；孪扔缮喜繋r土體松動下滑,然后帶動下部巖土體滑動,該滑坡類型為推移式滑坡,按滑坡體物質(zhì)組成和滑坡與地質(zhì)構造的關系又可稱為覆蓋層滑坡。

根據(jù)該滑坡的工程地質(zhì)條件,擬采用預應力錨索框架梁及抗滑樁來支護,這兩種支護形式施工技術都比較成熟,在邊坡支護工程中得到了廣泛的應用[11]。采用3套支護方案:方案1采用預應力錨索框架梁支護；方案2采用抗滑樁與預應力錨索框架梁聯(lián)合支護；方案3采用雙排抗滑樁支護。

圖3為支護方案示意圖,方案1為預應力錨索框架梁結構,將邊坡分為二級結構,中間設置4 m寬平臺,其中預應力錨索錨固段為6 m,錨固于弱風化砂巖中,錨固噸位為30 t,錨索為4束直徑為15.24 mm的鋼絞線,間距取4 m,框架梁采用0.5 m×0.5 m矩形截面,彈性模量取19 GPa。方案2為抗滑樁與預應力錨索框架梁聯(lián)合支護方案,其中抗滑樁嵌入弱風化砂巖中7 m,抗滑樁直徑為1.2 m,彈性模量取31 GPa,抗滑樁與最下排預應力錨索錨頭距離為19.7 m,錨索參數(shù)與方案1中相同。方案3為雙排抗滑樁支護方案,抗滑樁相隔10.2 m,嵌巖深度仍為7 m,抗滑樁直徑也仍為1.2 m。

圖3 支護方案示意圖

2 支護方案比較分析

邊坡設計常采用極限平衡法,但是該方法不能得到邊坡的變形、穩(wěn)定性系數(shù)、塑性區(qū)分布情況等結果,無法綜合判斷支護方案的優(yōu)劣,且對該滑坡而言,滑坡下方有廠房及民居,因此邊坡的穩(wěn)定性及位移均應滿足設計要求。目前數(shù)值模擬手段在邊坡穩(wěn)定性評價中得到了廣泛應用[12],為了對比分析上述3種支護方案的支護效果,采用數(shù)值分析軟件FLAC3D計算出邊坡的位移、應力分布、剪應變增量等指標,來綜合分析各方案的優(yōu)劣。該滑坡原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格見圖4,滑坡巖土體物理力學參數(shù)見表1。

圖4 原始地形數(shù)值模型網(wǎng)格

表1 滑坡巖土體物理力學參數(shù)

圖5為未支護時的邊坡位移計算結果,最大水平位移為873.970 mm,最大沉降為614.940 mm,說明邊坡位移較大,穩(wěn)定性系數(shù)計算結果為1.012,邊坡為臨界狀態(tài),急需支護。計算結果與實際情況較吻合,這也說明了巖土體物理力學參數(shù)的取值是合理的。

圖5 未支護時邊坡位移計算結果(單位:mm)

3種支護方案中,抗滑樁較容易施工,對環(huán)境的影響較小,但造價略高;預應力錨索框架梁施工時不易操作,且對環(huán)境影響大,需要坡面清理等工序,會破壞原有的綠化,但和抗滑樁相比,其工期略短,造價略低。因此方案1的特點是造價低,難施工,工期長,對環(huán)境影響大;方案3的特點是造價高,易施工,工期短,對環(huán)境影響小;方案2位于兩者之間。經(jīng)過概算,方案1、2、3的造價分別為228萬元、235萬元和265萬元,從造價的角度來說方案1最佳,方案3最差。

圖6為3種支護方案水平位移計算結果,其中方案1最大水平位移為18.046 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體上部;方案2最大水平位移為23.242 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體的中上部;方案3最大水平位移為37.667 mm,發(fā)生較大位移部位主要位于滑體下部。從最大水平位移情況來看,方案1最小,方案3最大,說明采用預應力錨索框架梁支護結構要優(yōu)于其他兩種形式,其中方案2比方案1最大水平位移增大了28.79%,方案3比方案1最大水平位移增大了108.73%。

圖6 支護方案水平位移計算結果(單位:mm)

為了更好地對比這3種方案的計算結果,將邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應變增量也列入比較,結果見表2。

從表2可以看出,各項指標均顯示方案3支護效果最差。方案2與方案1相比,穩(wěn)定性系數(shù)減小了3.80%,最大沉降減小了1.13%,最大剪應變增量增大了2.82%,可見方案1和方案2相差不大,

表2 支護方案計算結果

圖7 優(yōu)化方案水平位移計算結果(單位:mm)

因此這兩種支護方案均可采用。由于抗滑樁的結構穩(wěn)定性要強于預應力錨索框架梁,即錨索隨著時間的推移會出現(xiàn)預應力損失和失效的現(xiàn)象,而且滑坡下方為一條公路和一家木材廠,更需注重支護結構的耐久性;而從造價來看,方案2只是略大于方案1,所以綜合比較宜采用方案2進行支護加固。

3 支護方案優(yōu)化設計

根據(jù)比選結果,對方案2采用的聯(lián)合支護形式進行優(yōu)化設計。優(yōu)化設計主要考慮抗滑樁的位置,設計了4種方案,見圖3(d),其中方案b與方案2相同。方案a、c、d中抗滑樁與最下排預應力錨索錨頭距離分別為30.9 m、9.6 m和1.0 m。通過計算分析這4種方案以確定抗滑樁的最佳位置。

圖7為方案a、c、d水平位移計算結果,由圖6(b)和圖7可以看出,方案a、b、c、d最大水平位移分別為32.676 mm、23.242 mm、14.012 mm、11.991 mm。從最大水平位移來看,方案d最優(yōu),但是從最大水平位移發(fā)生部位來看,方案a、b、c均位于滑坡中上部,而方案d則位于滑坡的下部,這是由于滑體下部無任何支護結構所致。雖然方案d最大水平位移值最小,但是這種支護方案存在安全隱患,抗滑樁距錨索太近,滑體下部容易再次滑動。為了詳細比較這4種方案,對邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、最大沉降、最大剪應變增量計算結果(表3)做進一步的分析,從表3可以看出,方案c穩(wěn)定性系數(shù)最大,且剪應變增量最小,雖然方案d的最大水平位移及沉降均最小,但其穩(wěn)定性系數(shù)為1.353,比方案c要小12.03%,綜合考慮,認為方案c為最佳方案,其穩(wěn)定性系數(shù)比方案1還提高了4.41%。因此最終確定抗滑樁與最下排錨索錨頭距離在10 m左右為最佳。

表3 優(yōu)化方案計算結果

4 方案實施效果

經(jīng)過方案的比選及優(yōu)化,該滑坡選擇方案c進行了支護,圖8為邊坡支護完成后的水平位移的部分監(jiān)測記錄,監(jiān)測儀器為XB338型滑動式測斜儀,根據(jù)支護后邊坡的變形特征,將監(jiān)測點的位置設于滑體中部即變形較大部位(參見圖7(b)方案c的計算結果)。1 a后邊坡最大水平位移為10.285 mm,說明支護效果良好,優(yōu)化設計是成功的。與數(shù)值模擬結果相比,目前監(jiān)測結果略小于模擬結果,因為數(shù)值模擬結果為變形的最終結果,而監(jiān)測結果為中間狀態(tài),可以看出數(shù)值模擬結果與實測結果比較吻合。

圖8 邊坡支護完成后位移

5 結 論

a. 通過比選,抗滑樁結合預應力錨索框架梁支護方案為最佳方案,能夠提供較大的安全系數(shù),有效地控制滑坡位移。

b. 抗滑樁與預應力錨索框架梁間距越近,滑坡的最大水平位移越小,但從邊坡的穩(wěn)定性系數(shù)來看,存在一個最佳間距,大于或小于最佳間距穩(wěn)定性系數(shù)均呈減小趨勢,該滑坡最佳間距為10 m左右。

c. 在比選支護結構時,不能單純地分析滑坡的位移,位移小并不代表支護效果佳,應當綜合分析滑坡的穩(wěn)定性系數(shù)、剪應變增量等因素。

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