红黏土广泛分布于湘中及湘南碳酸盐类岩石地区, 这种土质在竖向分布上具有“上硬下软”特征, 天然状态下强度较高, 降雨后则膨胀软化, 失水干缩开裂易形成张拉裂缝, 抗剪强度和稳定性明显降低, 力学性质变化较大。近几年, 湖南地区降雨强度大、持续时间长, 常常导致红黏土地区发生滑坡地质灾害, 因此红黏土的性质研究及红黏土地区滑坡整治技术受到广泛关注。目前, 关于红黏土性质方面已有较多学者对其进行了研究, 周远忠等^[1]用试验方法阐述了含水量和含铁量对红黏土力学强度的影响。傅鑫晖等^[2]从胶结作用入手分析黏聚力对红黏土抗剪强度的影响。龙万学等^[3]采用三轴试验对贵州地区非饱和红黏土物理和强度参数的关系进行研究。为分析降雨对红黏土边坡稳定性的影响, 王培清等^[4]针对红黏土边坡建立非饱和土渗流模型, 研究表明降雨使边坡安全系数大幅降低。王玉民^[5]针对益阳红黏土边坡, 探讨边坡失稳机理和破坏特征。柳齐林等^[6]将考虑降雨入渗的改进Bishop法应用于郴州缓开挖红黏土边坡稳定性评价。在红黏土边坡治理技术方面, 也取得了一些研究成果, 方薇等^[7]通过数值分析方法模拟红黏土边坡加固过程, 模拟结果表明桩板墙是坡脚加固的有效方法, 加设锚索能进一步改善桩身位移和弯矩。时南翔^[8]根据红黏土基坑和边坡工程地质问题采用不同复合结构方案对边坡进行治理, 复合结构可在一定程度上降低治理成本。董红娟等^[9]针对一具体高速公路红黏土滑塌工程提出两种整治方案比选, 方案中均采用了放坡卸载, 并结合抗滑挡墙和排水等综合治理措施。从上述研究可知, 红黏土边坡稳定性已经受到高度关注, 但是红黏土地区抗滑桩的施工难点问题鲜有相关研究报道, 本文以衡阳某滑坡工程整治过程中的工程技术和经济难点为出发点, 分析抗滑桩的优化措施, 为类似微晶石灰岩地区红黏土滑坡治理工程抗滑桩施工设计优化提供参考。

滑坡地处侵蚀构造低山丘陵地貌单元, 地势总体呈东北高、西南低, 山坡坡度为15°~25°, 坡顶呈锥形, 植被一般发育。受多次暴雨影响, 山体斜坡发生滑坡, 滑坡后缘拉张裂隙发育, 裂缝长5~25m, 缝宽0.1~0.3m, 深3~6m, 滑坡周界主要根据坡面拉张裂隙确定。

滑坡体平面大致呈“凸”形 (见图1) , 滑坡前后缘高差约15m, 纵长约50m, 横宽约120m, 体积约4.8万m³, 根据勘察, 滑体为黏土和红黏土, 滑带主要为红黏土, 滑床为红黏土, 滑床下部基岩为微晶灰岩。

滑坡前缘剪出口地面隆起变形破坏特征明显 (见图2) , 隆起高差10~20cm, 坡脚挡土墙和建筑物围墙挤压开裂变形。滑坡自发生以来, 一直处于蠕动变形阶段, 为保护坡脚生命财产安全, 对该滑坡进行治理, 治理方案采用坡顶卸载结合嵌岩悬臂矩形抗滑桩, 滑坡后缘和坡面平台设置排水沟。

原治理方案中嵌岩悬臂桩的设计高、宽尺寸为1.8 m×1.5 m, 嵌入基岩深度≥3.5 m, 由于滑坡处于蠕滑状态, 且邻近建筑物, 严禁放炮施工, 抗滑桩施工空间有限, 且工作量较小, 机械成孔施工条件无法满足, 因此抗滑桩施工采用人工挖孔桩, 土层开挖采用200mm厚钢筋混凝土护壁, 建设单位要求在雨季来临前完成治理方案。在方案施工过程中, 主要存在以下3个方面的难点。

1) 西侧抗滑桩桩孔开挖至基岩面以下1 m深时, 由于岩体较完整, 岩石施工机械反复跳动反弹, 开挖难度和机械维修量大大增加, 成孔进度严重滞后, 嵌岩深度无法满足设计要求, 无法保证雨季前完成治理。另外, 成孔过程中扬尘也威胁井下作业人员健康, 受到相关部门关注, 要求停工整顿。

2) 南侧抗滑桩施工前, 为清理材料运输通道, 施工队对坡脚局部挡墙进行拆除。桩孔开挖深度约0.8m后受连续暴雨影响, 滑坡复活, 拉张裂隙进一步拉大加深, 导致南侧桩孔和方形护壁严重挤压变形, 桩孔无法继续施工, 临时采取反压卸载处理。

3) 由于该滑坡治理工程为专项资金, 方案变更导致施工经费远超预算。

该方案存在安全和经济双重要求, 为了在经济限制条件下保证施工安全, 达到治理效果, 采用以下优化措施对方案进行优化。

由于抗滑桩嵌岩深度无法满足要求, 抗滑桩的抗倾覆能力和抗滑能力必然下降, 为了增大抗滑桩的抗滑能力, 借鉴地下室工程抗浮措施中抗浮锚杆的设计, 在西侧抗滑桩孔中采用钻机钻孔。抗滑桩纵筋最大直径28mm, 设计钻孔孔径75mm, 将纵筋锚入基岩1.5m深, 作用机理类似于“抗浮桩”提供拉拔力。抗滑桩受力时, 内侧主要受拉, 因此在计算时考虑靠土侧锚固钢筋提供的抗滑力和抗倾覆力。

单根锚固钢筋的抗拔力承载力特征值根据文献[10]中式 (8.6.3) , 计算公式如下:

式中:d₁为锚固体直径 (m) ;l为锚固长度 (m) , 取1.5 m;f为砂浆与岩石间黏结强度特征值 (k Pa) , 根据勘察报告取550k Pa。锚固钢筋提供的抗滑力F和抗倾覆弯矩M计算如式2所示:

式中:n为锚固钢筋计算总根数;μ为抗滑桩混凝土与基岩的摩擦系数, 取0.5;h为钢筋距离抗滑桩背土侧的水平距离 (m) , 本次取值1.7m。

根据式 (1) , 单根锚固筋的计算抗拔力取0.8×3.14×0.075×1.5×550≈155.4 k N。考虑9根靠土侧纵筋, 则锚固钢筋提供总抗滑力约为699k N, 提供总的抗倾覆弯矩约为2 378k N·m。

抗滑桩底嵌入基岩1m深, 考虑锚固钢筋的抗滑力和抗倾覆弯矩, 认为桩底为1个铰支座, 为改善抗滑桩的桩身弯矩内力和桩顶位移, 在桩顶冠梁处设置1排锚索, 从而使抗滑桩由一端固定支座的悬臂梁变为两端铰支的简支梁^[11], 可大大改善桩身内力, 桩身背侧最大弯矩由原来的6 912k N·m减小至1 317 k N·m, 桩身最大剪力由2 091 k N减小至730 k N, 使抗滑桩的用钢量较为经济。西侧抗滑桩优化后的剖面如图3所示。

在滑坡推力作用下, 矩形抗滑桩水平方向的承载力和抗弯刚度均优于圆形抗滑桩。从施工安全角度出发, 开挖过程中圆形桩的“成拱效应”有利于防止孔壁坍塌^[11], 圆形护壁承载力优于矩形护壁, 更适用于不稳定滑坡体治理。考虑上述两个因素, 本段采用大直径圆形抗滑桩, 桩径为2.0m, 桩间距保持不变。为改善桩顶弯矩受力, 借鉴悬臂式挡土墙的设计, 在桩顶设置3m高钢筋混凝土板, 厚350 mm, 南侧抗滑桩优化后的剖面如图4所示。

抗滑桩主要承受侧向滑坡推力, 均匀配筋必然导致浪费。若采用均匀配筋, 南侧抗滑桩通长全断面配筋面积为17 280mm²。为合理节约钢筋、避免浪费, 圆形截面抗滑桩采用非均匀配筋方式较为合理, 在120°夹角范围配置受拉钢筋^[12]。按照非均匀配筋, 在靠土侧120°范围内桩身不同高度截面计算配筋面积为6 283~9 710mm², 背土侧不同高度截面钢筋计算配筋面积3 770~5 825mm², 背土侧配筋间距≥250mm。通过非均匀配筋, 圆形抗滑桩用钢量更为合理。

南侧抗滑桩治理地段为滑坡复活地段, 为分析本侧抗滑桩的受力特性、保障治理效果, 采用岩土专业有限元软件MIDAS/GTS NX对南侧滑坡治理方案进行有限元模拟。

考虑抗滑桩和滑坡的影响范围, 本次分析采用长×宽=100m×50m二维数值模型, 滑坡模型土体采用平面单元和莫尔-库仑本构模型, 抗滑桩和挡土板采用梁单元和弹性本构模型。模型采用位移约束, 底部施加水平和垂直方向位移约束, 左、右两侧施加水平方向位移约束。网格划分后模型如图5所示, 计算单元数量为3 617个。

根据勘察报告提供的土层信息及试验参数, 结合工程经验, 综合确定材料参数如表1所示。

通过有限元分析计算, 滑坡整体稳定性安全系数为1.352, 满足规范要求。数值模拟主要为了分析抗滑桩受力状态和治理效果, 因此主要选取有限元分析位移云图、抗滑桩位移图及抗滑桩弯矩图, 如图6所示。

对方案位移的分析, 有限元分析结果优于解析计算结果。南侧抗滑桩按照弹性解析法计算, 桩顶最大位移为83mm, 抗滑桩一般要求桩身最大位移≤100mm。从图6a和6b所示模拟结果可知, 滑坡整体位移为56mm, 抗滑桩桩顶最大位移为30.8 mm, 抗滑桩对滑坡位移控制作用明显。

南侧抗滑桩背土侧最大弯矩值经解析方法计算结果为3 887k N·m。从图6c可知有限元计算结果中, 抗滑桩背土侧最大弯矩为4 159k N·m。二者计算结果较为接近, 与解析模型相比, 有限元模型没有考虑桩顶冠梁顶覆土产生的抗倾覆弯矩。对抗滑桩内力的计算, 采用弹性解析法计算的结果用于工程实际比较合理。

1) 经后期位移观测结果显示, 抗滑桩用于红黏土滑坡效果显著。方案优化不仅满足工程安全和施工工期要求, 同时变更费用仅增加17万元, 施工总造价控制在合理范围内。

2) 岩土较硬或风化程度低地区, 抗滑桩嵌岩成孔困难, 抗滑桩结合锚固钢筋和增加锚索方法可取得较好效果。

3) 圆形抗滑桩采用120°区域内布置受拉钢筋的非均匀配筋法可作为工程方案经济优化的有效手段。

4) 建议滑坡整治方案中宜采用2种或2种以上计算方法对方案进行分析, 并对结果进行比较。