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高速公路滑坡治理中旋挖钻孔灌注桩的应用

2020-12-01 282 上传者：管理员

摘要：针对福银高速公路运营期发生的滑坡病害，分析其成因及稳定性，通过室内试验、监测及极限平衡反算值综合分析确定岩土体力学参数，对处治措施进行多方案比选分析，提出旋挖钻孔灌注圆形抗滑桩治理措施，并简要介绍设计要点。结果表明该治理方案是可行的，较传统的人工挖孔桩在运营期公路及抢险工程中具有一定的优势。

关键词：
坡体变形
抗滑桩
旋挖钻孔灌注圆桩
滑坡病害
高速公路
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福银高速公路(G70)宁夏境同心至沿川子段于2011年建成通车，为山岭重丘区双向四车道高速公路，设计速度80km/h。项目通车运营两年后，青石嘴段出现蠕动变形，2013年7月，8月份由于连续降雨影响，坡体变形呈加速状态，如遇强度较大的降雨或其他诱发因素，滑坡体可能产生整体剧滑，故必须对该段滑坡进行工程治理，确保高速公路的正常运营及交通安全。

1、滑坡概况

该段路线以半填半挖形式从坡体中部通过，右侧挖深0m～3m，左侧填高2m～5m，滑坡体前缘出现连续裂纹，并逐渐贯通，中部高速公路部位沉降及推移发育明显，左侧路肩处沉降达40cm，路面形成宽度10mm的弧形裂缝，其中K171+766处涵洞下游洞口的八字墙被推移超过10cm的裂隙，排水沟处亦可见明显的错断裂缝。形成的滑坡体宽66m，纵长105m，分布于公路里程K171+704～K171+770范围内，滑体厚5m～13m，总体积大于4万m3，为一中型牵引式滑坡。滑坡现场情况见图1。

2、工程地质条件

项目位于六盘山东麓，在区域地质构造上处于固原～泾源向斜轴部附近，同时地处六盘山东麓一条(NNW向)长期活动的逆冲断裂段的东侧(下盘)，该断裂切割了古生代以来所有的地层，近期活动较强烈，该段主构造线方向为近南北向，与路线方向基本一致，在开挖边坡的坡面上，发现多组与路线走向平行的构造面，倾向临空，倾角约18°～20°，因此易产生沿构造面的滑移破坏。本区出露的地层上覆第四系黄土，下伏第三系渐新统清水营组泥岩。

图1滑坡现场

(1)第四系黄土(Q4al)分布于坡体表层，据钻探资料，厚度3.0m～7.0m，褐黄色，可塑，土质较均匀，结构松散，见虫孔和针状孔，砂质含量较高。

(2)粉质黏土分布于粉土层下，该层在斜坡范围内呈透镜状分布，灰黑色，饱和，软塑，局部流塑，土质不均，结构松散，含大量腐殖质斑点和砂粒，具腥臭味。

(3)第三系渐新统清水营组(E2S)泥岩分布于坡体下部，泥岩为红褐色、深灰色、灰白色，岩层受构造及外动力地质作用影响，产状变化较大，总体上基岩向东缓倾，倾角约10°。岩体风化强烈，软弱，强度较低。

区内相对降雨量偏多，坡体表层为粉质土，地表水极易下渗，第三系地层砂岩透水储水，泥岩隔水，地下水较为丰富，主要由降水补给，孔隙水主要赋存于第四系松散覆盖层和全风化砂泥岩中，裂隙水主要赋存于较松散的第三系泥岩和粉砂岩中。

3、滑坡形成条件及其诱发因素分析

1)活跃的地质构造。本区地处新构造活动活跃地区，构造断裂十分发育，在第三系地层中形成众多缓倾角且倾向临空的构造面，开挖后易沿构造面产生变形滑动破坏。

2)特殊的岩土性质。滑坡范围内上、下部所夹的第四系粉质黏土层为易滑地层。该层为饱和、软塑状态，局部流塑，固结程度较低，持水性强，被水浸泡易软化，从而为滑坡创造了有利的物质条件。

3)降雨及丰富的地下水。六盘山地区降雨量较大，降雨集中，且多暴雨及连阴雨，雨水易于下渗，泥岩产状较平缓，相对隔水，形成局部潜水层，一方面降低了岩土抗剪强度，致使抗滑力减小，另一方面受动水压力、静水压力作用，增加了下滑力，导致滑坡的产生。

4)公路行车荷载的影响。高速公路位于滑坡体中部，重载车辆的频繁作用是滑坡产生的最直接诱发因素。

4、设计参数的选取及推力计算

滑动带岩土强度参数值的选取直接影响稳定性评价及工程处治措施，为取得滑动带强度参数，现场布设了3组断面共12个钻孔，在滑体不同位置取样进行室内剪切试验，得出滑带土的峰值或残余强度室内试验参数。根据滑坡体变形迹象及特征分析，通过极限平衡条件反算滑动面抗剪强度指标，按照受力变形过程，分下滑、阻滑、抗滑段分别赋值进行试算[1]。综合反算分析、室内试验及工程类比得出的参数，选取更符合工程实际的强度指标，其强度指标取值见表1。

表1滑动面抗剪强度值

该滑坡为沿风化界面的滑动，为折线形滑动变形破坏，设计计算方法采用剩余推力传递系数法计算[2]，采用静力法计算地震作用，且只考虑水平地震作用[3]。计算模型见图2。

图2滑坡体计算模型

其中，Ti,Ti-1分别为第i和i-1滑块剩余下滑力，kN/m;Fs为稳定安全系数;Wi为第i滑块的自重力，kN/m;αi，αi-1分别为第i和i-1滑块对应滑面的倾角，(°);ψi为传递系数;φi为第i滑块滑面内摩擦角，(°);Ci为第i滑块滑面岩土黏聚力，kN/m;Li为第i滑块滑面长度，m。

其中，Ehsi为土体重心处的水平地震作用，kN;Ci为抗震重要性修正系数;Cz为综合影响系数;ψj为水平地震作用高度增大系数;Ah为水平向设计基本地震动峰值加速度;Gsi为土体重力，kN。

高速公路滑坡设计稳定安全系数正常工况取Fs=1.25，非正常工况取Fs=1.15，区域地震动峰值加速度为0.20g，地震动反应谱特征周期为0.40，相应的地震基本烈度为8度，抗震重要性修正系数取Ci=1.7，综合影响系数取Cz=0.25。采用理正软件分三种工况(天然状态下的工况、暴雨或连续降雨状态下的工况、地震作用下的工况)分别进行计算，以滑坡推力最大的地震作用状态下的工况进行抗滑设计，滑坡推力见表2。

表2滑坡推力计算结果

5、工程处治方案

滑坡体上部较平缓且坡体较高，从滑坡推力计算结果分析，上部1号、2号块剩余下滑力仅占总下滑力的22%，削方卸载起不到根治滑动作用且有可能引起后缘以上部分的次生滑动。滑坡体前缘位于自然坡体中部，无堆载反压条件。考虑到滑坡体推力最大处位于3号块端部，结合地形地质情况，在填方坡脚(3号、4号块结合部)采用抗滑桩或框架锚索最经济合理。滑动面以下全风化泥岩性状软弱，强度较低，不利于作为锚固层，如锚固于其下部的强风化泥岩层，所需的锚索长度超过50m，施工工艺复杂且质量难于控制。经综合分析比较各种处理措施，采用抗滑桩处理该段滑坡最为适宜。

6、抗滑桩设计

福银高速公路(G70)为国家高速主干线，处于通车运营中且交通量大，传统的人工挖孔方桩施工周期长、施工效率低、安全性差，挖孔长时间的暴露容易引起滑体加速变形及塌孔等情况的发生，设计采用施工速度快、成孔安全的旋挖钻孔灌注圆桩。根据滑坡体下滑力计算结果，在下滑力最大处(3号、4号结合处)填筑施工平台，沿下滑力垂直方向设置两排抗滑桩形成复合土拱效应[4]，按梅花形布设，桩径2m，桩间距4m，桩长20m，共设置34根。抗滑桩平面布置见图3，横断面布置见图4。

图3抗滑桩平面布置图

计算中假定荷载按矩形分布，桩底支承条件为铰接，桩体嵌入滑动面以下10m，采用GB50010—2002混凝土结构设计规范中推荐的M法进行计算[5]，挡土侧最大弯矩20793kN·m，距离桩顶12.4m，最大剪力3771kN，距离桩顶15.6m，桩顶最大位移83mm。桩体内力计算结果见图5。

图4抗滑桩横断面图

图5桩体内力计算简图

图6桩体配筋图

根据桩体内力计算结果，抗滑桩主筋采用非对称布置，桩背侧(靠山体受拉侧)主筋加密，受拉侧120°范围内主筋间距136mm，其余范围主筋间距272mm。桩身长度范围内主筋非等长布设，1号主筋通长布设;1'加强筋自桩顶起向下5.5m处开始对纵向主筋加密，加密长度12.5m;1″加强筋自桩顶起向下8m处开始对纵向主筋加密，加密长度8m。桩体配筋见图6。

7、方案合理性对比分析

同样的工况下，如采用抗弯刚度大的人工挖孔桩，需设置2×3m矩形桩13根，桩间距6.0m。人工挖孔方桩较旋挖钻孔圆桩工程费用低12%，但施工工期却增加了3倍。对于新建工程，人工挖孔方桩经济优势明显，但对于运营中的公路及抢险工程，旋挖钻孔圆桩施工工期短、对滑体蠕变影响小、施工方便、安全性好，大大减小了封闭及绕行对交通的影响，虽然造价较高，但综合分析看，采用旋挖钻孔圆桩是合理的。

8、结语

目前国内抗滑桩绝大多数以人工挖孔矩形桩为主，圆桩工程实践较少，缺少相关研究，究其原因，主要是圆桩桩后土拱效应难以形成，有效截面惯性距较小，计算较为复杂。工程中可以通过梅花形布桩，非均匀布筋等措施予以优化，从而充分发挥机械化快速施工，安全高效的优势。该项目滑坡治理后，通过连续2年多的变形和应力监测，结果显示滑坡体已处于稳定状态，表明旋挖钻孔圆桩在治理运营中的公路及抢险工程滑坡是适宜的。

参考文献：

[1]陈松,陈国金.公路滑坡滑带土力学参数分析[J].公路,2008(4):20-23.

[2]JTGD30—2015,公路路基设计规范[S].

[3]JTGB02—2013,公路工程抗震规范[S].

[4]任开亮,黄天贵.抗滑桩桩间距计算探索[J].公路交通技术,2013(2):12-14.

[5]GB50010—2002,混凝土结构设计规范[S].

张建鹏.旋挖钻孔灌注桩在高速公路滑坡治理中的应用[J].山西建筑,2020,46(23):111-113.