使用抗滑桩墙进行滑坡病害整治的效果与分析

摘要： 2012年春，位于吉尔吉斯斯坦共和国北部的比什凯克-纳伦-土尔尕特公路上的一段旧有滑坡体发生了加速滑移，滑移面位于距地表深度4.5米至6.5米之间的天然湖积粘土层中。经过对现场情况的分析以及对设计方案的比选，滑坡处治的方法最终被选定为由67根中心距1.5米的现浇钢筋混凝土抗滑桩组成的桩墙对滑坡体进行固定和支挡。

中图分类号：P642文献标识码： A 文章编号：

在施工过程中，两根钢筋混凝土抗滑桩内被埋入了倾角传感器，现场施工结束后，我们对抗滑桩的工作表现使用上述传感器进行了验证。经过验证表明，施工后桩墙的变形在设计允许范围内。通过使用FLAC软件对本项目涉及的材料进行性能分析，尤其是对于土壤弹性模量（杨氏模量）的分析，为未来使用抗滑桩墙进行滑坡处治提供了设计依据。

1、 自然地理条件

吉尔吉斯斯坦共和国是原独联体国家，中亚五国之一。该国是内陆国，面积19.85万平方公里，北部与哈萨克斯坦毗邻，西南部与塔吉克斯坦相连，西部与乌兹别克斯坦交界，东部与东南部与中国接壤。

吉尔吉斯国土的93％在海拔1000米以上，平均海拔2750米，素有"山地之国

"之称。吉属于大陆性气候，四季分明，夏季炎热、干燥，冬季比较寒冷，昼夜温差较大，，1月平均气温－6℃，7月平均气温27℃。

2、 项目概况

2012年春，在吉尔吉斯斯坦共和国北部，距离托鲁艾格尔以西约十公里处的滑坡多发区内，穿越山谷毗连区的比什凯克-纳伦-土尔尕特公路路堤上的一段旧有滑坡体发生了加速滑移导致路基明显变形失效。滑坡发生的地区属于4级高潜在地质灾害风险区，并且处于地质“灾害风险管理计划”中，伊塞克湖国际交通项目（ET）的主动监测下。比什凯克-纳伦-土尔尕特公路是吉尔吉斯共和国最重要的国际交通线之一，这条道路连接比什凯克与土尔尕特口岸，而土尔尕特口岸是吉尔吉斯目前最大的路上贸易口岸。2011年的统计数据表明，事发路段年均日交通量为1060量，如果封闭出事道路，将导致土尔尕特口岸的进出口物资无法运输，也会使约80公里范围内的居民绕道而行。

3、 现场情况

滑坡现场主要由11 米高的路堤构成， 该段路堤跨越了一条小型季节河的谷底， 滑坡位置前后部分路基为半填半挖路基。滑坡体顶端约90 米宽，已经延伸至公路中线附近（如照片1 所示）。在边坡底部发现了明显的滑坡趾，这也提示了滑移面的大致位置。发生滑坡的边坡坡度从7 度至11 度不等，现场情况及现场布置情况如图1 所示。

2012 年7 月，受吉尔吉斯斯坦共和国交通部紧急情况司委托，我公司驻吉尔吉斯斯坦办事处组织了对现场的钻探和实验。在这个过程中，6 套气压式孔隙水压力计和倾角传感器被安装在了钻探孔中。通过地质调查，发现该地段的地质结构为2-3.5 米厚的高塑性粘土被分层填筑于高塑性原状湖积粘土上方。填方所用粘土材料疑似由临近的半填半挖路基中的挖方部分取得。经过对钻孔取得的芯样进行检测以及对在现场布署的传感器数据进行收集、汇总和分析表明，此处滑坡的滑移面位于距地表4.5-6.5 米深的原状湖积粘土层中。

经过对现场情况的分析以及钻探、取样和相关试验结果，此处滑坡的成因被确定为路基填方改变了原状土的受力状态， 并使土体稳定性变差，在这种情况下路基又受到了周期性变化的地下水位影响和弱化，最终导致路基土体破坏失效。在现场调查的过程中，还在填方边坡上发现多处路基渗水，渗水位置大致处于路面线以下两米左右。紧邻滑坡地段南侧的排水沟坡度不足，在降水后存在积水现象。滑坡路段横断面如图2 所示。

4、 现场情况分析与设计

针对本处滑坡的现状和特点，我们研究了多种可行的滑坡处治方案，但最终选定的是在边坡顶部使用单排抗滑桩墙进行支挡的方案。其原因是，这种方案对施工地区的地貌影响很小，且不会使山谷地区边坡的受力状态发生大的改变，这是在地质灾害多发区以及古滑坡体地区进行滑坡处置过程中需要着重考虑的因素。

为防止防止抗滑桩桩身在土压力作用下出现变形超限的情况，在设计过程中我们加强了桩身强度。并且考虑到如果后续出现桩身变形过大，有可能需要使用无腰梁锚固方案对整个抗滑桩墙进行加固，所以对桩身特定位置进行了局部抗压加强。

设计还包括辅助排水设施，例如通过埋设盲沟、排水管等排水设施以增加路基排水性能、优化靠近挖方边坡的排水设施以缓解路基渗水的问题等。

桩墙和桩身的结构设计采用市售的结构分析软件FLAC进行，基于有限差分法分析桩墙与滑坡土体的相互作用来提供设计参数并进行结构设计。在设计分析过程中使用到的土壤设计参数和力学性质见表1。

在设计过程中，土壤的抗剪强度这一指标是可以使用三轴压缩试验确定的，土的杨氏模量参照了三轴压缩试验的结果以及其他类似工程的设计施工实施经验确定。

通过对现场钻探和试验数据进行对比分析，发现滑移面上方和下方的土壤类型、应力应变水平以及力学性质没有可见的区别。处于滑移面位置的土体已经由于变形超过其极限应变而被剪坏，处于残余强度状态。

在设计过程中，拟定桩身混凝土弹性模量为21.4GPa，并模拟了对桩墙的破坏性试验。并且，在桩墙的初步设计中，桩与桩之间留有柱状土体，桩身的刚度和力学性质在此被按照FLAC程序中的伪3D模型进行了折减。

为确定滑坡发生前后现场条件以及土壤参数，针对滑坡区域身也使用FLAC和SLOP/W进行了验证式的分析。在使用应变软化模型进行事后分析的过程中，滑坡区域的模型也发生了小倾角滑坡，并且滑坡发生的位置和滑移角度和现场实际测量的结果相符，我们以此认定对滑坡区域的建模以及土壤参数的选定是正确的。

对滑坡地段进行修复设计的过程中，按照吉尔吉斯相关设计指南对类似工程设计工作的要求，设计安全系数必须达到1.3。在对设计进行建模的过程中，引入了强度折减系数（SRF）以确保达到规定的设计安全系数，例如土体抗剪强度采用的是实测强度除以1.3，这样近似的获得AT指南中规定的1.3安全系数。

采用1.3作为强度折减系数（SRF）的情况被列为“可能的最不利条件”，采用1.1作为强度折减系数（SRF）的情况被列为“最有利条件”。实际的情况应处于使用这两个强度折减系数建立的模型之间。但强度折减系数不能应用于土壤类型的界定上。

经过设计建模和计算，各桩桩顶位移分别为7-93毫米不等，在设计阶段判断，这种变形量被认为是在可允许范围内的，也就是说设计模型中的单排抗滑桩墙足以稳定滑坡体，并使新建的路面开裂的潜在风险最小化。

这种方案的不确定性主要体现在目前尚不能确定该方案是否能够长期抵抗土压力并稳定滑坡土体，即长期可靠性。此外，不确定性还来源于建模过程中对土壤技术参数的选择上。但影响不确定性的因素都通过对桩墙前土壤技术参数的分析以及对滑坡土体的分期调整被验证过。

在最终的设计中，抗滑桩墙由67根钢筋混凝土钻孔灌注桩组成，桩长14米，桩径1.0米，桩心间距1.5米。钻孔灌注桩配筋率2.2%，桩位布置如图1所示。在最终设计中也包含了一个对桩身进行无腰梁锚固的应急方案以抑制桩墙可能发生的超限应变，以确保安全。

5、 工程建设

工程建设于2007年12月开始。为了便于大型设备的作业以及工程的实施，在桩墙设计位置首先建造了钻孔平台，并修筑了便道进行交通导行。合同工期为５个月，分为两段进行。首先进行钻孔灌注桩墙以及其他辅助设施的施工，第二阶段进行道路路面标高以下两米范围内的施工。工期和施工方案的确定取决于相关道路的交通重要性以及完成修复工作对当地政府和居民的紧迫性。寒冷的天气对施工造成了一定的有利的影响，主要体现在低温冻结了部分软弱土层，使得我们可以更方便的进行大型设备进场工作。

钻孔灌注桩施工于一月中旬开始，共进行了10天。桩墙施工过程见照片2。

在桩墙施工过程中，环境气温在零下25度到零下40度之间，为此，我们做了大量准备工作以适应严寒地区施工的要求。例如利用沥青拌和站中的烘干桶对混凝土骨料进行加热、混凝土骨料以及成品混凝土运输均采取保温措施、选用普通硅酸盐水泥而不是当地常见的火山灰水泥、对混凝土拌合用水进行加热、混凝土添加早强剂、抗冻剂等。

在部分发生路基渗水地区进行挖孔作业过程中，遇到了道路建造时埋设的盲沟，这也体现出这条路在建设阶段就面临排水的问题以及建设阶段对路基排水所采取的对策。

距沥青混合料路面路面设计标高2米范围内的施工于2013年5月完工。在这部分路基路面的施工过程中，在适当位置埋设了由土工织物覆盖的碎石排水盲沟、塑料盲沟、渗水管等排水构筑物。

在施工过程中，大约1米宽的旧有道路因为滑坡造成的横向变形，导致路面超出了路基范围而被移除，这也反映了2012年前滑坡移动的程度。照片2反映了桩墙施工的过程，摄于2013年一月下旬。

6、 实际表现

在钻孔灌注桩施工过程中，第20号桩和44号桩绑扎钢筋笼过程中，钢筋笼中各被绑扎了一套倾角传感器，这两套传感器被浇注在混凝土中，用以测量桩墙竣工之后的桩身应变。这两套传感器分别位于第20号和44号桩身，自桩墙完工至2009年通过观测倾角传感器数据计算出的的桩身位移曲线如图3所示。

实测桩顶位移在设计阶段预计的7－93毫米以内。大部分的桩身位移都发生在2013年夏天，也就是对道路进行的最终整平、压实和铺装之前。工程竣工后，填方边坡以及重建的道路路面的开裂、桩墙墙身位移都非常有限。从项目开工开始测量的地下水变化情况与设计阶段拟定的地下水状况非常吻合。

7、 事后分析

本项目的实施为分析抗滑桩墙这一滑坡处理方案的现场表现以及对设计过程中使用的土壤参数进行验证提供了宝贵的实践机会。

我们在项目结束后组织了三个方面的事后分析，具体分析内容如下：

课题１、课题２：分别使用基于莫尔-库伦破坏理论建立的设计模型以及切线模量的线弹塑性理论对土体的强度峰值和残余强度进行交叉验证。由于对计算方法的正确性具有信心，所以在这一阶段针对剪力值并没有做类似实际设计中的调整。这一阶段分析的过程分为如下两个步骤：

第一步：事后基于SRF计算土基实际表现。

第二部：计算滑移面上方、滑移面和滑移面下方的土壤单元切线刚度。

课题３：使用莫尔-库伦破坏原理对类似邓肯-张模型的非线性弹塑性模型进行分析。

这个阶段可以通过分析土体破坏的过程初步研究基本滑移面上土体单元的刚度变化。双曲线型的应力应变模型所使用的土壤参数都可以从三轴试验和直剪试验获得。选取的参数和事后分析结果见表格2。图３反映的是倾角传感器读数（2009年4月29日）以及事后分析结果的关系。

8、 结语

上述计算和分析的主要目的是建立一套使现有的计算理论与工程实践达到最佳匹配的参数体系，以预测滑坡移在未来的发展区间。将事后分析的结果与设计阶段的技术参数拟定过程相比较，可以发现事后分析时得到的SRF值在设计计算区间之内。事后分析过程中的切线模量对于滑移面上被扰动的土体来说过低，而对滑移面一下的土体而言却显得过高。采用非线性双曲模型代替线性弹塑模型可以更好的重建滑移面上方、滑移面以及滑移面下方的土体变化特征。

鉴于使用非线性弹塑性模型计算出的理论变形大于实际的观测值，但仍在设计阶段的预计变形范围内，所以可以认为使用非线性弹塑模型进行的设计是偏保守的。

桩墙未来的表现将有助于对这种设计模型的保守程度进行精确的评估。并且再需要对桩墙进行加固时，也可以提供一个实用的锚拉模型，用以在今后可能使用的锚拉计算过程中计算桩墙需要的拉力。

在滑坡区域内的土壤类型是多样的，其弹性模量变化情况取决于滑坡区内天然土体的分布状况。但是在相同土壤类型的条件下，滑移面上的土体相对于滑移面下方的未扰动土体体现出较低的弹性模量数值。我们这一次取样和实验的数量以及覆盖面，也许无法全面的描述各类土壤刚度的变化情况，但依然可以体现出这一结论。

另一种实用可以对类似模型的现场土体刚度进行评估的途径是通过钻孔或者表面法进行剪切波速测定，或者使用表面剪切波速实验对土体的小应变剪切模量进行测定。这种方法将为使用双曲型应力应变模型或应变软化模型对大体积的土体刚度以及变形评估提供更加准确的依据。现场的取样和实验可以为评估土体强度和力学性质提供依据，但类似工程的经验在对现场宏观状况的估计方面也是不可或缺的。在勘察设计阶段，现场剪切波速实验可以为准确评估土体力学指标提供方法和依据，也可以对传统的土工试验提供有效的补充。

致谢

本文作者感谢以下人士为本项目的工程实施和研究的开展做出的贡献：感谢 Abinet Gebremedhin先生对于国际公路交通计划的领导和对本项目的大力推动；感谢William G. Clinton博士在数学模型建立方面给出的积极意见；感谢Catherine S. White教授对本项目分析和研究提出的建设性意见；感谢Goddard W. Doyle先生在施工过程中给予的支持和帮助。

参考文献

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