小口径组合抗滑桩加固技术应用研究

洪俊展，廖立平

(湖南省地质矿产勘查开发局四零九队，湖南 永州 425000)

抗滑桩支护是滑坡地质灾害防治的重要方法和步骤[1]，传统大口径抗滑桩在中深层以及非塑流性滑坡治理工程中应用较为普遍[2]，传统抗滑桩施工速度慢，成本高，对施工环境破坏大，难以满足快速阻碍滑坡发展的要求[3]。小口径组合抗滑桩由于其施工快捷、安全、经济性好，在滑坡抢险应急治理工程中有广泛应用[4]。目前，传统抗滑桩滑坡治理设计方法较为成熟，工程应用较多，但关于小口径组合抗滑桩滑坡治理设计的文献相对较少[5]。伍永仟等[6]采用传递系数法分析边坡稳定性，采用理正岩土软件计算边坡的剩余下滑力，为同类工程设计提供了参考。胡国平等[7]基于平面刚架假设，对微型桩组合抗滑结构的变形及内力计算公式进行推导，采用差分法对附加推力引起的前桩的变形和内力进行计算。张录斌等[4]基于等效法将微型钢管组合抗滑桩群与岩土体作为一个柔性抗滑挡墙，介绍了微型钢管组合抗滑桩的一般设计步骤。胡时友等[8]通过不同桩距下三排微型桩加固碎石土滑坡室内模型试验，研究了微型桩受力变形特性和滑坡推力传递规律。在上述研究成果的基础上，开展了小口径组合抗滑桩加固技术在某滑坡应急治理工程的实际应用，取得了一定的效果，验证了设计的科学性、经济性和可靠性。

1 工程概况

永州市冷水滩区某滑坡始发于2017年7月，连续暴雨导致坡面土体饱和沿岩土交界面发生滑坡。滑坡平面呈箕状，滑坡后缘位于斜坡顶部分水岭一带；前缘剪出口位于坡体下部鼓胀裂缝或岩土交界面处，相对高差为26.0 m。主滑方向为230°，整体坡度约为20°，滑坡长约75 m，宽约145 m，平均厚度约为8 m，滑坡面积1.09×104m2，体积8.72×104m3，规模为小型。该滑坡严重威胁下方居民200多户约1 500人，潜在经济损失约5 000万元。滑坡防治工程等级为Ⅰ级。

1.1 滑体

组成滑体的岩土层自上而下主要可分为2层：第1层为卵石层，分布于滑体表层。卵石层厚度为0～8.6 m，呈黄色，密实度为中密，级配不良，颗粒形状以圆形及亚圆形为主，粒径20～160 mm，约占总质量的58%，母岩成分主要为砂岩，黏性土填充。第2层为粉质黏土层，广泛分布于整个滑坡区域，厚度3.50～12.80 m，呈紫红色，硬塑-可塑，含少量中等风化泥质粉砂岩碎石，含量为10%～15%，切面较光滑，稍有光泽，摇振反应中等，干强度中等。其中卵石天然重度20.1 kN/m3，饱和重度22.0 kN/m3。粉质黏土天然重度19.0 kN/m3，饱和重度19.3 kN/m3。

1.2 滑带

滑带为强风化泥质粉砂岩与粉质黏土二者的交界面。其岩性表现为可塑的粉质黏土，呈紫红色，土体韧性较高，土体湿润，含水量丰富，用手捻有滑腻感，易黏手，无摇振反应。该层厚度一般在0.1～0.3 m，据钻孔揭露，地下水在此层富集，故易沿层面产生滑动。粉质黏土的天然抗剪强度C=22.5 kPa，φ=8.5°；饱和抗剪强度C=19.0 kPa，φ=8.1°。

1.3 滑床

滑床为白垩系下统神皇山组(K1s)泥质粉砂岩。岩层产状为250°∠32°，强-中等风化，呈紫红色，粉砂质结构，中厚层状构造，主要由铝、铁等硅酸盐矿物成分组成，含白色云母碎片，强风化层节理裂隙很发育，裂隙面多被黑色薄膜包裹，断口凹凸不平，中等风化层节理裂隙稍发育，岩芯多呈柱状，岩质软-极软。

1.4 地下水

根据地下水赋存条件及含水岩组特征，区内地下水类型划分为第四系松散岩类孔隙水和红层基岩裂隙水。其稳定水位深一般3.8～17.5 m，位于泥质粉砂岩强风化和粉质黏土界面附近，即滑坡滑带附近。地下水不断使得泥质粉砂岩发生软化、泥化，故易形成软弱层，即滑带。地下水位埋深受地形地貌及降雨影响，稳定水位变化较大，坡顶水位埋藏较深，坡脚较浅。

1.5 地质构造与地震

根据区域地质资料分析和实地调查，滑坡区内褶皱不明显，总体上为单斜构造，岩层产状250°∠32°。断裂构造较发育，对边坡岩土体的完整性有一定的影响。

根据《中国地震动参数区划图》(GB 18306—2015)，勘查区地震基本烈度为Ⅵ度，地震动反应谱特征周期值为0.35 s，地震动峰值加速度为0.05g，属弱震区，工程设计地震分组为第一组。

2 滑坡稳定性分析

2.1 滑坡形成机制分析

根据滑坡形成的条件、影响因素，结合滑坡变形特征分析，该滑坡是自然状态下，多种因素综合作用形成。

1)滑坡物质的形成：勘查区在新构造运动中，地表缓慢抬升、溪河下切，形成了长且宽的山坡，河流洪冲积水作用形成的卵石层堆积于山坡表面，构成滑体物质的一部分；同时，由于构成山体的岩性为红层，在山顶易风化剥蚀，风化物堆积在坡面平缓地带，构成了滑坡物质的主体。

2)滑带的形成：在长期大气降水的渗透与地下水浸润作用下，岩石软化，加速风化，土体饱水、松软，受下伏基岩粉砂岩的阻水作用，地下水在岩土交界面处富集，黏粒在基岩面上相对积聚，形成相对隔水层；雨水下渗后，在该土层上积聚，致使地下水位抬升，而泥质粉砂岩遇水极易发生软化、泥化，故在二者交界面处形成软弱层，即滑带，为滑坡提供了润滑作用。

3)剪出口的形成：居民在斜坡前缘建房切坡，使得坡体前缘出现临空面；加之连续大气降雨或突降暴雨增大了坡体孔隙水压力与坡体重度，地下水浮托力增加，滑带土抗剪强度降低，使斜坡沿岩土体内软弱层(滑带)发生变形滑动。

2.2 滑坡破坏模式分析

经现场调查和综合分析收集资料，滑坡属于重力推移式滑坡。结合滑坡发展过程和现场调查，滑坡体后缘裂缝切割角度大，前缘裂缝具剪出特征，坡下地表变形微弱，滑坡正处于蠕动变形阶段，属于重力推移式滑坡。

3 工程加固设计与治理

3.1 设计依据

3.1.1 抗剪强度指标反演分析

滑带岩土抗剪强度参数的反算法目前应用广泛，根据滑坡实际稳定状态提前假设稳定系数及滑面、荷载等条件，反算滑面的岩土抗剪强度参数[9]。滑坡反演分析依据的原理是，当荷载条件和滑面抗剪强度参数与滑坡的实际情况一致时，相对应的最危险滑面，与滑坡的实际滑面一致。滑面抗剪强度指标反算的是整个滑面的抗剪强度平均值，虽不是某种具体强度指标(如天然强度、饱和强度、峰值强度、残余强度)，但可以作抗剪强度指标校验之用。

影响滑坡稳定的岩土体物理力学参数主要指标为滑体(带)土的容重和抗剪强度。滑体容重的确定主要根据土工试验，其取值相对较准确。因设计工况滑体位于地下水位以上，滑体重度取天然重度进行计算。滑动面C、φ值的取值需要根据室内试验、原位测试、敏感性分析、反演分析、工程类比及参考地区经验综合确定，综合取值见表1。

表1 滑坡区岩土体物理力学参数推荐值表

3.1.2 滑坡推力计算

受筹措资金和工期的限制，本滑坡应急治理设计主要考虑采用小口径组合抗滑桩进行应急处置[1]。拟采用小口径组合抗滑桩的滑坡加固形式，设在滑坡体中前部，工程设计见图1。

图1 滑坡工程设计剖面

小口径组合抗滑桩设计前先对桩后滑体推力和桩前滑体抗力进行计算。设计时，取桩前抗滑力和桩前被动土压力中的较小值作为桩前滑体抗力，取桩后剩余下滑力和桩后主动土压力中的较大值作为桩后滑体推力，考虑滑坡安全系数K=1.2、K=1.3进行推力计算。

滑坡稳定性及滑坡推力计算方法采用传递系数法进行计算，参考《建筑边坡工程技术规范》(GB 50330—2013)，采用隐式解。计算公式如下(具体参数含义同规范)：

Pn=0

(1)

Pi=Pi-1φi-1+Ti-Ri/Fs

(2)

φi-1=cos(θi-1-θi)-sin(θi-1-θi)tanφi/Fs

(3)

Ti=(Gi+Gbi)sinθi+Qicosθi

(4)

Ri=cili+[(Gi+Gbi)cosθi-Qisinθi-Ui]tanφi

(5)

滑坡推力计算剖面见图2，共划分条块13个，拟设小口径组合抗滑桩群位于第11块条块。

图2 基本荷载工况滑坡计算剖面

取C=22.5 kPa，φ=8.5°，K=1.2，得到计算结果见表2。

表2 K=1.2时滑坡推力计算结果

基本荷载工况下，取C=22.5 kPa，φ=8.5°，K=1.3，得到计算结果见表3。

表3 K=1.3时滑坡推力计算结果

由表(2)～(3)可知，K=1.2时，滑坡推力为288.41 kN，拟支挡位置滑坡推力为1 022.49 kN，拟支挡位置桩前抗滑力为569.52 kN；K=1.3时，滑坡推力为523.64 kN，拟支挡位置滑坡推力为1 232.14 kN，拟支挡位置桩前抗滑力为569.52 kN。

通过理正岩土软件计算求得桩前桩后土压力[6]。不同安全系数条件下，计算得到的滑坡推力和桩前抗力，结果见表4。

表4 滑坡推力和桩前抗力计算结果

经验算，处置后安全系数达到1.2时，需要的抗滑桩群抗滑力约为360 kN；处置后安全系数达到1.3时，需要的抗滑桩群抗滑力约为710 kN。

3.2 小口径组合抗滑桩设计

根据《滑坡防治设计规范》(GB/T 38509—2020)附录F提供的小口径组合抗滑桩计算公式，分别对小口径组合抗滑桩进行沿滑面抗剪验算、结构抗力验算计算(具体参数含义同规范)。在拟布置小口径组合抗滑桩位置设置三排桩，采用Q235无缝钢管，C30细石混凝土灌注，桩距1 000 mm，桩径200 mm，梅花形布置，桩长进入中风化砂岩不小于5 m。

3.2.1 沿滑面抗剪验算

P≤Rfa

(6)

Rfa=nτfa

(7)

τfa=βa[τ]As

(8)

经验算，处置后安全系数达到1.2时，需满足As≥2 029.60 mm2；处置后安全系数达到1.3时，需满足As≥4 002.82 mm2。考虑项目资金和工期限制，选择安全系数1.2进行结构抗力验算。

3.2.2 结构抗力验算

拟采用外径114 mm，壁厚6 mm的钢管，计算基准面至桩顶的距离L=12 m。此时，As=2 034.72 mm2>2 029.60 mm2，满足沿滑面抗剪验算要求。抗力验算如下：

Kp=tan2(45°+13.43°/2)=1.605

(9)

(10)

(11)

(12)

(13)

(14)

(15)

Rt=413.4 kN>360 kN，满足结构抗力要求。

3.3 小口径组合抗滑桩施工

综合成本及工期等方面因素，本治理工程在滑坡中前部共布置了314根桩直径200 mm的小口径组合抗滑桩，桩长17～30 m。受力筋采用外径114 mm，壁厚6 mm的Q235无缝钢管。桩体采用C30细石混凝土灌注，细石混凝土骨料粒径5～10 mm。桩顶通过钢筋混凝土联系梁连接成整体，从而提高承载力和抗剪力。经钻孔、钢管制安、灌注混泥土和浇筑联系梁等工序最终完成施工。

3.4 滑坡应急治理效果

滑坡应急治理完成后，在滑坡体上布置了专业监测点对滑坡进行监测。在对滑坡进行应急治理后，本滑坡各监测点在2017年7月3日至2019年3月17日期间的综合位移情况见图3。除监测点X01因设备天线被人破坏，设备倾倒导致数据有比较大的变化以外，滑坡趋于稳定。通过本方法设计的小口径组合抗滑桩，可以较好地运用于实际工程，加固效果较好。

图3 滑坡监测点综合位移曲线

4 结 论

1)永州市冷水滩区某滑坡应急治理工程，采用了小口径组合抗滑桩加固技术。通过反演分析确定了滑带岩土体物理力学参数指标，通过软件计算得到了不同安全系数下滑坡推力，并进行沿滑面抗剪以及结构抗力验算。

2)综合时效性、安全性和成本等因素，本滑坡应急处置后安全系数达到1.2，虽未完全满足规范要求的安全储备，但对阻碍滑坡的发展起到了明显的效果，建议后期进行综合治理，彻底消除滑坡隐患。

3)滑坡治理工程实际应用效果表明，小口径组合抗滑桩达到了预期的效果，结合截排水工程应急治理后，滑坡裂缝变形得到了有效制止，监测数据也表明滑坡趋于稳定。