科学论坛 ・ ■I 滑坡处治中抗滑桩桩位平面布局位置分析与研究 李从德 (云南交通职业技术学院云南昆明650101) [摘 要]本论文深入分析了滑坡的形态特征、岩(土)层I:程特性、地震作用影响等。根据极限平衡原理与摩尔~库仑强度准则推导出了地震作用影 响下的滑坡推力公式。特别分析计算出了非地震作用影响下与地震作用影响下的滑坡稳定安全系数和滑坡推力,从而得出本滑坡属j:大型堆积自然活滑坡。在 此基础上,首创性地引入_『滑坡推力角0的概念。经对滑坡推力角0、滑坡推力大小、滑体厚度等综合优化比选,最终确定出抗滑桩桩位的最佳平面布局位 置,达到科学且环保地治理好滑坡,使公路建设的投资效益和社会效益得到最大发挥。 [关键词]滑坡 抗滑桩 滑坡特征 地震影响 滑坡稳定安全系数 滑坡推力 滑坡推力角 中图分类号:U213.1+52.1 文献标识码:A 文章编号:1009~914X(2010)O卜0163~04 引言 滑坡是最常见的‘种病害,它般分为自然滑坡和由人为引起的滑坡。 抗滑桩在滑坡处治中是最常蹦的措施之一,在自然状态F及地震作用下,滑坡 坡体自身的受力以及抗滑桩的受力是不一样的。在『.程建设中,抗滑桩桩位 在滑坡体上的选择布嚣显得尤为重要,它决定了滑坡治理是否成功与否的关 键,也是决定经济效益和社会效益是否合理与否的关键。 表l岩土层主要参数 Tab.1 Main Parameter of Geotechnical Layer 工然重 犟簿固嚏 粘疑 枵璀值 嚣详鼋转 1工程病害实例 1 1工程背景 滑坡位于昆明市东川区刚已建好龙东格公路上K88十740处,该公路是 GD213线昆明龙潭立交经东川、格勒至巧家公路(简称龙尔巧公路)中间的一 部分,而龙东巧公路是云南入『lf和四川入滇的 条重要省际公路,全长约 l57km。该项日的建成可明显降低相关区域内的公路运营成本、能较大带动 三一眷 垦 昌 t 密-量& 0茔碧 融 ckN, 。 {j 甬汪 { P 』 tj—j 羔 i 转脖拈士 菖牿炷土 5 1 00 1}{ 1f I9 r 骨 肄 i 逼l一1 l J匿J 圆 苦楫注土 蹶 精质樯土 £[怙斗 蝣髓牺± 台糯性± 雠 特 牯土 l 0 1. 趟. i t ? ∞々 j 上 ± S I瓤 层 滑 席 【 }母臻怙士 红档土 石蕊岩 上 7 t’ 土 群 坷牯士 。 石蕊宕 1 54 :5 0 m【f - 图1滑坡平面图 Fig.1 Flat Figure of Landslide 图2 滑坡工程地质纵断面图(1--1,主滑断面图) Fig.2 Longitudinal Breaking Figure of Landslide Geology(1-1.Main Breaking Figure of Lands1ide) 科技博览l 163 科学论坛 I■ 相关区域内的农业发展、矿藏开采及对外经济交流,改善区域内少数民族经 济生活状况及加强民族团结 滑坡主滑轴总体呈N50。E方向,纵K最大275m,横宽最大107m,面积3万 多平方米。据钻孔资料统计,滑体最小厚度9.60m,最大厚度1 7.80m,平均厚 12.32m,滑体体积约41.9万立方米,平而形态大致呈纵长式瓢箕形,属于大型 的自然滑坡。详见滑坡平面图,图1。 1.2(岩)土层工程特・性 根据地表调查、钻探揭露、钻孔原位测试(标准贯入试验)和室内土工 试验成果综合分析,勘察场地在勘察钻孔控制深度范围内,滑坡地基土(岩)层 自上而下对各土(岩)层进行了划分为,具体各土(岩)层编号和名称及各种参数 见表1。 值得注意的是,不论是滑体上还是滑床上土体,土质不均匀,土石混杂,分 布无规律,主要由第四系各土层与_ll|迭系下统沉积岩(石灰岩)组成。 对于滑体上土层,由于滑体难于清除,在滑坡得到有效治理的前提下,除① 不存在利用可能。相反,它相对⑥层石灰岩来说又属软弱下卧层,设计时不容 忽视。⑧层石灰岩,岩石相对完整、强度高,是桥梁和抗滑桩较好的持力 层。现根据地质钻孔、标准贯入试验、室内土工试验等成果绘制出主滑动 纵断而图,图2。 1 3滑坡区域地震作用影响 地震,特别是强震,它是一种严重的自然灾害,会引起地面的剧烈颠簸和摇 晃,造成公路与桥梁破坏、房屋损坏或倒塌、烟囱折断、大坝溃堤、大量 人员伤亡等,供电、供热及易燃易爆等有毒物质容器的破坏,就会引起水灾、 火灾、空气污染等灾害,给人民生命财产造成巨大的损失。因此,在工程设 计中考虑地震作用的影响显得极其重要的意义。 滑坡所在公路区域地貌为深、中切割的高、中山峡谷类型,地处川滇经 向构造带与华夏系东北向构造带结合部位。项目区域属东川小江深大断裂 带,两岸地层发育,风化严重,岩体异常破碎,多为强风化浅变质破碎片岩、灰 岩及白云岩,间夹第四系灰红、灰黄红粘土、亚粘土、亚砂土或洪积砂砾 1层粉质粘土(含近地表处的种植土)因土质差不能利用,其余各土层均可作 为路基持力层:对于滑床上土层,①层粉粘质土(含近地表处的种植土)土质差 不能利用,必须清除。②~⑤土层土质偏好,均可作为路基持力层。⑥层石 灰岩,可作构造物的有效持力层。⑦层红粘上,仪一钻孔揭露到,且埋深较大, P 滑体审土条簧力 任童土条受力 图3地震作用下滑坡推力分析计算简图 Fig.3 Simple Analyzed Figure of Pushing Power under Earth quake Action Condition 表2滑坡稳定安全系数、滑坡推力计算参数 Tab.2 Calculating Parameter of Safe Stability CoeffiCient of Lands1ide and Pushing Power of Lands1ide 天然重 综合内 综台内 滑坡摊力 士f者) 力密度 摩捧角 聚力 计算安全 屡编导 士(者Y m 。 摹敬 名 件l J尾名称 (k ̄/m' ) ( ) (kPa 1 橙虚粘士 考虑到场地内早 ②一1 占粘陛土砂砾 20螗 季鞋干旱,圈此, @一1 垒牯 土砂蝌 f算时末考虑地 ④一1 j旨=雁粘十 10 9。 下水田橐 表3滑坡稳定安全系数计算结果 Tab.3 Calculating Result of Safe Stability Coeffi cient of Lands1ide \ 目 &\ F. -'0∞ P.’ F. =O.ag6 F. -0.40 备往 1、当不考虑地震影响时-滑皱稳安生定系数F.:0 9e0 2、当考虑地震髟晌时t滑坡穗定安全幂教F. 0 396. 表4滑坡推力计算结果 Tab.4 Calculating Result of Pushing Power of Landsljde 164 l科技博览 石等地层构造,暴雨时期容易形成水土流失及冲刷,导致区域内泥石流、滑 坡、塌方现象严重,公路病害多。小江深大断裂在中间部位又分为东支与西 支两个断裂带,地质构造非常复杂。 小江深大断裂为境内地质主构造带,纵贯全境,规模巨大,并其东西两 侧地质构造的发展。沿小江断裂带挤压强烈,岩石破碎,燕山期后活动加剧, 形成现代地壳的脆弱地带,致使东川为地震多发区。工作区处于小江深大断 裂带,而小江断裂带属发震断裂带,地震时必然会导致滑坡的剧烈活动。按规 范确定,工作区属抗震危险地段。 根据《建筑抗震设计规范》(GB 501 1 2001),东川地区(工作区)抗震设 防烈度为不低于9度,设计基本地震加速度值不小于0.40g,从而据此设防。 因此,在地震发震区大型土木工程建设考虑地震作用力的影响意义重大。 2滑坡工程结果计算与分析 2 1滑坡推力公式 (1)不考虑地震作用影响时 折线滑动面土坡稳定分析在《公路路基设计规范》(JTG D30—2004)采 用不平衡推力传递法。其公式为: P 一 W sin a+P 一I 一WlCOS 0tan eiL.。,.当P.<0时,应取 P =0。式中: .——传递系数, =COS(a,.一Ⅱ,)一Sin(a 一.一a.) tan中P P.,.第i和i 1滑块剩余下滑力(kN/m):F ——稳定系数。 这是目前我国工程界广泛采用的方法,也是国际及各行业规范推荐的方 法。山区一些土坡往往覆盖在起伏变化的基岩顶面上,土坡失稳多沿这些界 面发生,形成折线滑动面,对这类土坡在无地震作用影响下的稳定分析可采用 不平衡推力传递法。 (2)考虑地震作用影响时 水平地震荷载的公式有多个,我们选用相关行业中的公式: F =(ah/g)w =kW 式中:a ——地震动峰值(水平)加速度(m/s ):g一 重力加速度(g=9.8m/s ̄):w——土条实际重力(水上用湿容重,水下用饱 和容重计算)(kN/m):k——(水平)地震系数(k-a /g):求出各土条重心处的 水平地震荷载F ,根据极限平衡法原理,加入水平地震荷载F 来考虑地震对 土坡稳定性的影响。 现加入了水平地震荷载F ,在折线滑动面的条件下来推导滑坡剩余下滑 力P 和稳定安全系数F 的公式,如图3。 对任 一土条,根据极限平衡原理、稳定安全系数定义和摩尔一库仑破坏 准则、联列求解简化得: P ’-F ’(w sin d上F CO SⅡ)+P 一1’ll, 一(w COSⅡ一,,。F sin a )・ tan中c.,L。式中:1lr ——传递系数,1l, =COS(a 一I—q )一sin(a 一a )tan Pi’、Pi一1’——考虑地震作用影响时第i块、第i—l块滑体的剩余 下滑力(kN/m):F ——水平地震荷载(kN):F ’——稳定系数:w ——第i滑块 的白重力(kN/m):a.,q,.——第i和i一1滑块对应滑面的倾角(。): , 第i滑块滑面内摩擦角(。):c——第i滑块滑面岩土粘聚力(kN/m):L 第i滑块滑面长度(m)。 在求解时要先假定F ,然后从坡顶第一条开始逐条向下推求,直至求出 最后一条的推力P 。P 必须为零,否则要重新假定F 进行试算,最后算 出F一 值。 因为土条之问不能承受拉力,所以任何土条的推力P 如果为负值,此时 P 不向下传递,而对下一条土条取P一 为0。本法也常用来按照设定的安 全系数,反推各土条和最后一条土条承受的推力的大小,以便确定是否需要和 如何设置挡土结构物。 对于F,值:验算时,高速公路、一级公路安全系数应采用1.1O~1.25: 二级及二级以下公路安全系数应采用1.O5~1.15。 2.2滑坡稳定安全系数与滑坡推力计算 (1)滑坡稳定安全系数F计算 作业区域地形坡度较大,滑体表面起伏不平,处 当地侵蚀基准面上,滑面 为折线滑动而。滑坡上缘上侧有一学校及村予,下缘下侧有小江,拟建公路只 科学论坛 滑坡推力 { h【na s(、1 ence an(i To(hi ̄ology Revj OW 啊l 滑攘雾 ^ ∞∞∞∞∞∞一帅姗姗撇撇 25oo 2ooo 1§oo looo j骨体条块号(n) (k, ^) ¥00 图4 在滑坡推力与滑坡条块关系线中抗滑桩桩位平而位置布局 Fig.4 Flat Arranging Location of Slide resi stant Pi le among O 路申 ・5OO 路申 (b)考虑地震作用影_I时滑坡稳定系数Fs =0,396 1S∞ 1o00 500 3 滑坡推力 l : 3 4 5 6 7 l 滑城挂力 姗, ㈣ , 蝴 2滑城精力 一 2 姗 l ㈣ 1 一 o ' I : , 4 5 5 7 丑 9 j瞢体荣坟号 (a)不考虑地震作用影穗时滑坡 篆窟系数Fs 0.982 滑俸条块号 fd)满虎地蕾作用 ■删墟礁窄幕,茔F0 =I.2O ¥000 7000 鎏一 蒡一 《k置,I)∞∞ 3ooo 25000 20000 2000 lO。o O I 2 j ● S 6 7 8 9 IS0oo ^) loooo 滑体条块号 5OOO (c)不:穆虑地震作用影响时}l壤稳定裹教F¥ml。2O O I 2 , ● , 6 7 8 , 滑体条坟号 (f)考虑地震作用髟_I时 城穗定幕觳F曹’:O.99 4500 4000 滑’湖 攀:,J 5蛐000 叫-)2Ooo lsoo 1000 5OO O I 2 3 ■ 5 6 7 8 9 体蕞块号 (e)不考忘地震作用影响时灌埴{基定系披F‘・O.99 图5 不同状态下抗滑桩桩位平面布局位置 (‘)考虑地震作用髟晌时滑壤豫定系敲Fs =O.40 Fig5.Fiat Arranging Location of S1ide—resi stant Pile under Deferent condition 科技博览l 165 科学论坛 I■ 能选由滑坡中部通过。场地内无统 地下水位,日作业区域位F小江深大断 裂带上,地震烈度大于等于9度,属强震区。故滑坡稳定安全系数和滑坡推力 就采用不考虑地震作用影响下的不平衡推力传递法公式与考虑地震作用影响 的滑坡稳定分析公式进行计算。 滑坡稳定系数F 计算步骤: (1)在主滑纵断面图上将滑体分成9条条块 (2)计算每一单宽土条的重量w: (3)根据公式按每一一土条参数w 、L,、n.、 .、c ,逐 计算每一 土条的滑动推力。综合内摩擦角 和综合内粘结力c的取值,其对滑坡稳性 计算和抗滑工程设计是一个不可缺少的参数,它的正确与否直接影响到滑坡稳 定性计算的正确性和抗滑工程设计的合理性。最后,根据试验结果和经验调 查综合选取滑动面的C、 值。现将滑坡备:i=层综合参数列于表2(滑坡推 力计算时同样采用此表中的综合参数)。 (4)经反复试算,将不考虑地震作用影晌和考虑地震作用影响的滑坡稳定 此滑体条块处布置抗滑桩也较佳。现根据前面计算分析出的不同的滑坡推力 及滑坡条块号的相应结果关系就可确定自然状态下与地震作用影响状态下(或 不同滑坡稳定系数下)的各条块处的抗滑桩桩位,见图5. 本滑坡属于大型的自然活滑坡,在其治理时,在公路上方和下方各采用了 排抗滑桩,选定上下排抗滑桩平面位最时由前面的滑坡推力折线图(图5)及 主滑纵断面图(图2)可看出:在老公路滑体条块4处的滑坡推力比条块1、2、 3、5处的滑坡推力增长缓慢,而且此处的滑坡推力角0较小,同时在老公路 处滑体厚度相对较薄~一些,故上排抗滑桩就选在滑坡条块4处为佳。综合考 虑了桩土共同作用力后,上排抗滑桩由16根组成,它对上面滑体的稳定起到了 至关重要的作用:在滑体条块7处,不考虑地震作用影响时滑坡推力出现明显 陡降,同时滑坡推力达到两峰值之间的最小处。考虑地震作用时滑坡推力在 不断增长趋势下出现明显降缓,同时滑坡推力角也非常小,且在该条块处滑体 厚度相对较薄,故下排抗滑桩就选在滑坡条块7处。下排抗滑桩由16根组成, 它对公路的稳定及中部滑体的稳定起到了加固保护作用。上下排抗滑桩的平 一安全系数F 与F 的计算结果列于表3。 滑坡稳定性计算结果显示,滑坡稳定安全系数:当不考虑地震作用影响时 F :0.982,当考虑地震作用影响时F =0.396,此两者均小于1。得出滑坡 目前正处于滑动状态,是属于大型堆积自然活滑坡。 (2)滑坡推力P的计算 根据《公路路基设计规范》(JT6 D30 2004)规定高速公路、一级公路 抗滑稳定安全系数应采用1.2O~1.30,考虑地震力、多年暴雨等附加作用影 响时安全系数可适当折减0.05--0.10。本滑坡采用F 1.2O时进行滑坡推力 计算,计算结果列于表4。 2.3抗滑桩桩位布置优选分析 对滑坡整治工程,抗滑桩原则布置在滑体的上部,即在滑动而平缓、滑体 厚度较薄、滑坡推力小、锚同段地质条件较好的地方,同时也要考虑到施工 的方便:对地质条件简单的中小型滑坡,’极在滑体前缘布置一排抗滑桩,桩排 方向应与滑体垂直或接近垂直:对于轴向很长的多级滑动或推力很人的滑坡, 可考虑将抗滑桩布置成两排或多排,进行分级处治,分级承担 对滑坡推力特别 大的滑坡,可考虑采用抗滑排架:对 轴向很长的具有复合滑动面的滑体,应根 据滑面情况分段设立抗滑桩,或采用抗滑桩与其他抗滑结构相结合的布置方 案。当采用矩形截面的抗滑桩时,桩的长边须平行滑坡移动方向,以确保护壁 和桩身不产生扭转。 现根据对不考虑地震作用影响时(即自然状态下)与考虑地震作用影响时 滑坡稳定安全系数与滑坡推力的计算结果,我们可以通过滑坡推力的大小、 滑坡推力角0的陡缓(大小)来确定抗滑桩或是桩群的平面位置布置,选择抗滑 桩最合理的布桩区域,从而能有效治理好滑坡。抗滑桩 般布置在滑坡推力 小、滑坡厚度薄、能抵抗整个滑体推力达到稳定的位黄为妙。在相邻滑体 条块间滑坡推力大小变化不太明显时,抗滑桩.般布置在滑坡推力角0值小或 滑坡推力变化不太忽然、滑体条块厚度较薄的位置为佳。 在图4中,在滑体条块1、2、3、4……对应滑坡推力段AB、BC、 cD、DE……,它们有相对应的滑坡推力角8,、e 、e 、e ……。在滑坡 推力与滑坡条块关系线图中:在滑坡推力增长段,滑坡推力角e.、e 、e 、e 之间存在有e <8 <e <e 的关系,滑坡推力角8,是最小的,而且Bc段其 滑坡推力增长非常缓慢,同时若滑体条块2处的厚度相对于其它条块处较薄, 故抗滑桩平面桩位选在滑体条块2处比较理想:对于滑体条块5、6、7处, 在滑体条块6处(即G点处)滑坡推力出现陡降,若此处滑体厚度也不太厚,在 图6滑坡抗滑桩平面布置图 Fig.6 Flat Arranging Figure of S1ide resistant Pi1e in Landslide 166 l科技博览 面布置见抗滑桩平面布置图,图6。 结语 (1)滑坡位于全闺有名的东川小江深火断裂带上,此断裂带属多发强震 带。故在地震作用影响下的抗滑桩桩位的平面布局位置分析与研究意义非同 寻常。 (2)根据极限平衡原理与摩尔库仑强度破坏准 0,推导出了地震作用影 响下的滑坡推力公式:P 一 (W Sin Q +F COSⅡ.) , 1Ir 一(W COS a FI KsinⅡ )・tan 一c L 此公式具有广泛的实际应用价值。 (3)通过对滑坡稳定安全系数计算得出:不考虑地震作用影响时F=0. 982,考虑地震作用影响时F =O.396。此两者均小于1.0,故得出滑坡为大 型堆积自然活滑坡。 (4)首创性地引入了滑坡推力角0的概念,它与滑坡推力大小、滑体厚度 等因素为非地震作用影响下与地震作用影响下的抗滑桩桩位平面布局位置确 定提供了一个可靠有力的依据保证,对有效治理滑坡具有重要的实用意义。 参考文献 [1]中华人民共和国建设部.岩上翻璺勘察规范(GB 50021—2001).北 京:中国建筑工业Ⅱ5版社,2002 [2]中华人民共和国建设部.建筑地基基础设计规范(6B 50007—2002). 北京:中国建筑工业出版社,2002. 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