微型樁組合抗滑結構在滑坡治理工程設計中的應用

張堪培，馮龍飛

（廣東省水文地質大隊 廣州 510510）

0 引言

微型樁組合抗滑結構是指由若干根微型單樁通過冠梁、連系梁在樁頂處連接起來共同承受側向荷載的抗滑結構，該結構具有樁徑小、施工快捷、對場地適應性強、經濟性好等優點，多用于中小型滑坡治理工程中。

目前針對微型樁組合抗滑結構的計算理論多采用平面剛架假設，且尚無統一的標準?；诖?，諸多學者進行了相關研究。張錄斌等人［2］基于等效法及規范方法［3］對微型鋼管組合抗滑樁進行了研究；張院生等人［4］通過模型試驗，對微型抗滑樁-連梁組合結構抗滑機理進行了研究；胡國平等人［5］提出了考慮樁土效應的微型樁組合抗滑結構計算方法；馬華等人［6］對微型樁-連梁組合結構的加固機理進行了總結，分析了微型抗滑樁內力計算的平面鋼架法、基于彈塑性模型的計算方法以及數值仿真等方法的優缺點。

本文采用數值模擬手段，分析了該結構的變形及受力特征，并研究了連系梁、錨索對組合抗滑結構的影響，總結了一些結論，并將其應用與工程設計實例，以期為類似滑坡地質災害治理工程提供參考和借鑒。

1 微型樁組合抗滑結構作用機理

與大直徑抗滑樁在樁后形成土拱效應的抗滑機理不同，微型抗滑樁只能調動滑動面附近局部土體反力，產生相對較小的抗滑力，但往往進行多排布置并通過在樁頂設置連梁形成組合結構，整體上也具有較好的抗滑性能［4］。

微型樁組合抗滑結構依靠組合群樁和周圍巖土體的共同作用維持邊坡穩定，其抗滑作用主要來源于以下幾個方面［6］：

⑴微型樁在滑面處提供較大的抗剪力。

⑵樁與土形成抗滑體，共同抵抗滑坡推力。

⑶微型樁因受剪切變形在樁與滑面相交處產生兩個塑性鉸，導致該處樁身傾角增大，樁由受剪變為受拉，充分發揮了加筋材料的受拉優勢。

⑷微型樁在滑面處的彎曲變形導致樁身產生縱向位移，在樁表面產生摩擦力，該力傳至土體中增加了滑面處的法向力，間接產生抗滑力。

2 二維有限元模型的建立

以典型設計剖面為例，采用GTS-NX 軟件建立二維平面應變有限元模型，采用地層-結構法進行計算分析，中風化巖、抗滑樁、舊擋土墻、連系梁及錨索采用線彈性本構模型，其他地層采用莫爾-庫倫本構模型［7］；分別對樁、土間及錨索錨固段與土體間設置接觸界面單元。模型尺寸設定為100 m×50 m（長×高），共計3 655個單元，如圖1所示。模型的地層參數取值如表1 所示，樁-土及錨索-巖土體接觸界面參數取值如表2所示。

表1 邊坡巖土層參數Tab.1 Rock and Soil Layer Parameters for Slope

表2 接觸界面參數Tab.2 Contact the Interface Parameter

圖1 二維平面應變有限元模型Fig.1 Two-dimensional Plane Strain Finite Element Model

3 模擬結果及分析

3.1 組合抗滑結構的變形及受力特征

組合抗滑結構變形及受力情況如圖2 所示，從數值模擬結果來看：組合抗滑結構的變形特征類似于懸臂樁，最大值出現在樁的上部（47 mm），且變形量從左（臨邊坡側）至右依次減小，各排樁的變形最大值逐漸上移，至最右側時移動至樁頂連梁附近；微型樁的最大負彎矩位于嵌固端起始位置，且從左至右依次減小。

圖2 組合抗滑結構整體位移及彎矩云圖Fig.2 Overall Displacement and Bending Moment Cloud Diagram of Composite Anti Slip Structure

由于連系梁的存在，最大正彎矩在最右側微型樁與連系梁交界位置達到極值，其余區段正彎矩依然保持從左至右依次減小的規律，三排樁的受力較為均衡［9-10］。

3.2 連系梁對微型樁的影響

取消連系梁工況下對應的微型樁變形及受力計算結果如圖3所示。在此工況下，對比圖2可知：微型樁最大變形位于左側樁頂處（53 mm），最大變形增大了約13%；且三排樁的變形均在樁頂處達到峰值，由位移矢量可見，三排樁的變形曲線均類似于懸臂樁，彼此之間不受約束。

微型樁的最大負彎矩仍出現在嵌固端起始位置，但其值相較于圖2 增大了37%，樁身正彎矩在左側樁中部達到極值，明顯大于中樁和右側樁，且其值相比圖2增大了約50%，中樁和右側樁正彎矩則依次減小，三排樁的受力情況彼此差異較大。

由此可見：連系梁可將多排微型樁連為一體，形成一種類剛架結構，對微型樁的變形起到一定的限制作用，對微型樁的受力則影響較大。

3.3 錨索對組合結構的影響

增加錨索（左側微型樁頂位置）工況下對應的組合結構變形及受力計算結果如圖4所示。在此工況下，對比圖2可知：組合結構最大變形位于左側樁頂處（31.8 mm），最大變形減小了約32%；說明錨索對組合結構位移限制作用明顯。

圖4 錨索對組合結構的影響Fig.4 The Influence of Anchor Cables on Composite Structures

由于錨索及連系梁的存在，最大正彎矩在中樁與連系梁交界位置達到極值，其余區段樁身彎矩依然為從左至右依次減小，三排樁的受力較為均衡。

4 工程設計實例

4.1 工程簡況

擬治理滑坡災害點位于廣東省龍川縣某鎮，平面呈簸箕形；滑坡兩側邊界、后緣清晰可辨，部分區段可見滑體剪出口，滑坡擴展方式屬于牽引式，如圖5 所示。坡腳處修建有厚度不等的混凝土擋墻，現狀未發現擋墻出現明顯的變形及開裂現象，擋墻泄水孔90%已失效，只有少量泄水孔有水流出，擋墻外側距離房屋最近距離不足1 m，施工空間極其狹窄，如圖6所示。

圖5 滑坡范圍全貌Fig.5 General View of Landslide Area

圖6 坡腳民房與舊擋墻實景Fig.6 Live-action of the Slope Foot House and the Old Retaining Wall

坡腳為人工削坡建房，坡面以分級式混凝土擋土墻或噴混凝土的方式護坡，擋土墻臺階面可見明顯開裂，裂縫寬約3～5 cm，局部墻面有寬2～5 mm 的裂縫，部分鋼筋裸露；噴混凝土局部有明顯開裂、鼓包現象。邊坡巖土體主要由坡殘積土及全、強風化凝灰巖構成，含水量高，土質松軟，坡面植被稀疏，受雨水沖刷，局部已出現明顯變形跡象，穩定性差；滑坡區面積約1 800 m2，剪出口位于擋墻以上平臺范圍，推測滑動面位于全、強風化凝灰巖交界面附近，厚度約5～8 m。

4.2 工程重難點分析

⑴本工程位于斷裂帶附近，受構造應力影響，邊坡地質情況變化較大，邊坡表層主要為坡殘積土，巖層以凝灰巖和花崗巖為主；其中，凝灰巖強度低，花崗巖殘積土遇水軟化，邊坡整體地質條件較差；

⑵坡腳現狀擋土墻為居民自建，截面、厚度施工質量等均差異較大，且缺少具體施工資料，擋墻質量狀況無法準確評估，成為邊坡支擋的薄弱環節，存在安全隱患。

⑶坡腳舊擋墻緊挨現狀民房，如圖6 所示，施工空間極其狹窄，現狀舊擋墻不具備加固作業條件，且邊坡周邊場地不具備大型機械設備作業條件，需考慮增加其他抗滑加固措施。

4.3 設計方案簡介

本工程擬采用“分級削坡卸荷+坡面舊支護結構破除+組合微型鋼管樁群+錨桿（索）格構+坡面生態恢復+截排水”的綜合治理方案；滑坡治理典型剖面如圖7所示。

圖7 滑坡治理典型剖面Fig.7 Typical Profile of Landslide Control

整個邊坡治理主要采用二級至三級削坡卸荷，將坡面破損的臺階式舊擋墻及砂漿抹面整個挖除，以消除安全隱患；將現狀坡腳舊擋墻作為安全儲備，增加微型樁組合抗滑結構及錨索，如圖8所示。

圖8 微型樁組合抗滑結構平面布置Fig.8 Plane Layout of Micro Pile Combination Anti Slip Structure （mm）

微型樁采用梅花形布樁，回轉鉆機成孔，成孔孔徑250 mm，內插?159×6.0 無縫鋼管，灌P.O.42.5R 純水泥漿。微型樁組合抗滑結構應進行穩定性驗算，包括剩余下滑力、結構整體抗力、沿滑面抗剪承載力、樁內力及樁嵌固長度等內容。

坡體采用錨索格構進行支護，并輔以完善的截排水系統。

5 結論

⑴ 連系梁對微型樁的變形起到一定的限制作用，對微型樁的受力則影響較大。連系梁需具備足夠的剛度，實際設計中，也可考慮采用蓋板連接的方式。

⑵微型樁組合抗滑結構的變形最大值出現在臨邊坡側后排樁的上部，且錨索對微型樁組合抗滑結構位移的限制作用明顯；因此，為更好地控制邊坡變形，在實際設計中，可在后排樁冠梁處增加一排錨索。

⑶結合滑坡防治設計規范［3］，微型樁組合抗滑結構穩定性驗算應包含如下內容：①計算剩余下滑力；②驗算結構整體抗力；③驗算微型樁沿滑面抗剪承載力；④驗算樁內力；⑤驗算樁嵌固長度。

⑷微型樁組合抗滑結構具有樁徑小、施工快捷、施工人員安全保障高、經濟性好等優點；尤其是針對施工條件受限的地質災害治理工程，可優先考慮采用。