红黏土边坡滑坡治理中预制桩的应用分析

崔世敏

（山西省交通物流集团有限公司,山西 太原 030021）

0 引言

近年来，随着工程科技的不断进步，公路工程建设取得显著成就，有效推动了经济发展。但由于公路工程线长面广、地质多变，施工中难免会遭遇红黏土等不良地质，工程特性较差，极易产生路基边坡滑坡病害。传统边坡滑坡治理通常采用现浇抗滑桩技术，不仅施工工艺复杂、工期长，并且会对原始土体造成破坏，存在较大局限性[1-3]。为此，该文结合实际工程案例，提出预制桩加固工艺，以期能有效提升红黏土边坡稳定性，达到预期边坡滑坡治理效果。

1 边坡土体基本物理力学性质

该工程路基边坡滑坡区域分布大量红黏土，此类土体含水率高、孔隙比大、稳定性差。在滑坡段现场提取土样，根据现行《土工试验检测技术规程》相关规定实施力学性能检测[4]。对各土层土样实施直剪试验，得到各层土体在法向应力依次为100 kPa、200 kPa、300 kPa、400 kPa 条件下，不同含水率下土体峰值强度剪应力与垂直压力关系曲线，具体如图1 所示。

图1 峰值强度剪应力与垂直压力关系曲线

根据摩尔－库伦理论公式（1）能够看出，土体抗剪强度与内摩擦角、黏聚力密切相关。相关研究显示，红黏土力学性能与土体含水率有关。

式中，τ——土体抗剪强度（kPa）；σ——内摩擦角（°）；c——黏聚力（kPa）；φ——垂直压力（kPa）。

通过直剪试验测得不同含水率条件下红黏土抗剪强度指标如表1 所示。

表1 不同含水率下抗剪强度指标

2 滑坡稳定性分析

现场测得该工程路堑边坡高40 m，滑坡顶与边坡顶部高差为26 m，滑坡滑动面近似于半径41.6 m 圆弧，边坡破坏长度达56 m。根据路堑边坡滑坡实际情况，构建有限元分析模型，按照含水率差异实施土层划分，构建1 ∶1 边坡滑坡模型[5]，具体如图2 所示。

图2 滑坡几何模型

边坡滑坡会导致边坡滑动面产生剪切破坏，原始土体抗剪强度逐渐降低，但当其滑动位移小于强度下降临界状态时，始终认为未达到极限，土体抗剪强度仍旧能够按照表1 中相关指标进行计算，并以此值对边坡滑坡稳定性实施计算，详细结果如表2 所示。

表2 边坡稳定性指标

通过表2能够看出，该路基边坡现状安全系数为1.25，滑坡基本处于平衡状态。现场调查发现，该滑坡体后缘位置存在大量细小裂缝，若遇降雨天气，遇水渗透会显著增大滑坡自重，导致下滑力急剧增加，并且雨水沿表面裂缝进入滑动面，使内部土体软化，从而造成滑坡进一步恶化。由此可见，亟须对边坡实施加固处理。根据该工程滑坡实际情况，经综合研究决定，采用预制抗滑桩加固方案。

3 治理方案

3.1 预制抗滑桩的设计

预制抗滑桩选用预应力高强混凝土实心方桩，桩长20 m，桩体混凝土强度为C80，轴心抗拉强度标准值f1=3.11 MPa，桩体截面尺寸如图3 所示，边长B=600 mm，预应力筋布设位置BP=505 mm。钢筋选用35 级低松弛预应力螺旋钢棒，其规格为φ12.6 mm，抗拉强度为1 420 MPa，单桩共设24 根，采用等间距布置。箍筋为冷拔低碳钢丝，规格为φ6 mm，布设间距100 mm，抗拉强度320 MPa。为有效确保抗滑桩抗剪能力，通过焊接方式将箍筋均匀布设于钢棒外侧[6]。同时，为减小抗滑桩施工对周边土体的影响，可在抗滑桩底部设置密闭式桩尖。

图3 桩身截面示意图

3.2 桩身抗剪性能计算

按照现行《预应力混凝土实心方桩设计规范》的相关规定，桩体剪力设计标准值计算式如下：

式中，V——桩体剪力设计值；λ——剪跨比，一般为λ=a/h，其中，a——集中荷载部位与支点之间的距离，通常取1.0B，得到λ≤1.5，此处取λ=1.5；ft——桩体抗拉强度设计值；b——桩体截面宽；h0——桩体有效高度；fyv——箍筋抗拉强度设计值；Asv——箍筋截面积；s——箍筋间距；Np0——计算部位混凝土法向预应力为0 时纵筋合力：Np0=σp0Ap，当Np0>0.3fcA0时，取Np0=0.3fcA0，其中，fc——桩体抗压强度设计值；A0——换算面积；Ap——预应力筋截面面积；σp0——预应力筋合力位置混凝土法向应力为0 时的预应力。按照公式（2）计算得到实心方桩剪力设计值，如表3 所示。

表3 剪力设计值计算结果

3.3 抗滑桩桩位优化分析

路基边坡滑坡体各滑动面位置的下滑力和抗滑力存在显著差异[7]。当下滑力超过抗滑力时，便会导致滑坡进一步恶化，而通过设置抗滑桩能显著增强滑动面整体抗滑能力，使抗滑力高于下滑力，从而有效阻止边坡滑动；当抗滑力越大时，边坡安全系数越高，边坡更加稳定。由此可见，抗滑桩布设位置对边坡稳定性具有重要影响[8]。根据该滑坡实际情况，将滑坡体沿纵向平均分为七部分，抗滑桩布设间距为3 m，桩体长度为20 m，抗滑桩顶部与边坡临空面高度相同，抗滑桩布设形式如图4 所示。

图4 抗滑桩布置示意图

对GE05 抗滑桩实施受力分析，并增加一排抗滑桩，桩体截面为正方形，边长0.6 m，抗滑承载力沿桩体均匀布置，抗滑力最大值为桩体剪力设计值V=841.41 kN，抗滑力垂直于桩体设置，详细计算数据如表4、图5 所示。

表4 边坡稳定性指标

图5 桩位与安全系数关系曲线

通过图5 能够看出，桩位在16~31 m 范围内，边坡安全系数呈递增趋势，超过31 m 后开始呈现下降趋势，因此最优桩位位于31 m 位置处，该条件下的边坡安全系数为1.280，相较于未加固前边坡安全系数1.13，增加了13%。

3.4 桩间距优化分析

按照公路工程相关施工技术规范，路基路堑边坡安全系数Fs ≥1.3 的规定，必须对抗滑桩布设间距实施优化，以有效提升边坡稳定性[9]。以31 m 位置作为最优桩位，依次计算0.5 m、0.6 m、1 m、2 m、3 m、4 m、5 m、6 m桩间距工况下的边坡安全系数，详细结果如表5、图6所示。

表5 边坡稳定性指标

图6 桩间距与安全系数关系曲线

通过图6 能够看出：①桩间距为0.5~3 m 时，边坡安全系数呈下降趋势；②桩间距为3~6 m 时，随间距的不断增大，安全系数下降趋势逐渐变缓；③由曲线可以看出，相关标准规定的安全系数不低于1.3 对应的桩间距位于为2~3 m 范围内[10]。因此，综合考虑经济性、安全性等各个方面，确定最优桩间距为2.5 m。

4 结论

综上所述，该文结合实际工程案例，对红黏土边坡滑坡治理中预制桩的应用进行综合探究，通过边坡稳定性分析，设计了抗滑桩加固方案，并通过数值模拟计算，确定了最佳施工参数，具体结论如下：

（1）利用直剪试验，得到滑坡土体力学指标，并确定含水率对土体抗剪强度的影响。

（2）通过边坡稳定性分析，确定抗滑桩加固方案，并借助数值模拟计算，验证了预制抗滑桩在红黏土边坡滑坡加固中的可行性。

（3）通过对桩位、桩间距优化分析，确定了该工程滑坡加固抗滑桩最佳桩位为31 m，布设间距为2.5 m，取得了显著加固效果。