土体滑坡治理的合理设计与计算.pdf

s 一 。 } 第 3 1 卷第 2期 2 0 0 0年 4月 中南工业大 学学报 J C E N T．S OL I f f UN I V T E C HNO L Ⅷ3 l№2 AⅢ丑2 0 0 0 土体滑坡治理的合理设计与计算 戴自 航 ． 彭 振 斌] ’ 以 双 一 一 中南工业大学 资源环境与建筑工程学院， 湖南 长沙4 1 0 0 8 3 [ 摘要] 针对我国滑坡治理设计现状， 提出了在设计与计算中应充分考虑的因素； 此， r ， 在对某滑坡实例治理成琦的 经验基础上． 讨论 了抗滑桩的设计方法． 并编写了设计计算程序． 结果表明 在克分考虑有关因素的前提下， 能确保 滑坡治理经济而有效． 从而提高了滑坡治理水乎 ， 霁 T；U煎73 5 8 ； 镁 04 [中 圈 分 类 ] [文 献 标 识 码 ] [文 章 编 号 】 10[巧一 2∞ 002_0098一 。 滑坡治理是一个复杂的岩土工程问题 ． 虽然到 目前为止 ， 国内外 在整治滑坡方面已取得 了许多成 功的经验 ， 在滑坡 机理分析和治理设计方面不断取 得进展 ， 但远未成熟 ， 存在的技术问题仍较多 ． 在 我国， 对大多数滑坡 的治理是成功的， 只有少数 由于 设计错误和人为 因素等原因而失败， 但这并不意味 着我国滑坡治理水平就很 高， 很多滑坡治理之所 以 成功， 是保守设计的结果 ， 安全储备太大 ， 而不是理 性分析研究的结果 ． 造成这种现象 的原因是多方面 的 ， 主要 表现 在 a ．某些设计人员对滑坡机理认识不足， 凭经验 或主观臆断确定治理方案， 缺乏充分 的理论根据 b ．一些施工单位为节省设计费用 ． 不委托设计 部门进行治理方案设计 ， 而仅根据 以往的所谓经验 盲 目确定治理方案 ， 或生搬硬套别人的成功经验 ． c ． 部分设计人员不清楚设计 时， 对应需哪些基 本资料 ， 应做哪些勘察和试验工作 ， 测试哪些水工和 土工参数等缺乏专业性认识． 由于上述原因 ， 致使很多滑坡治理水平偏低 ． 其 结果要么是过 于保守， 以经济为代价 ； 要么就 是失 败 ， 造成很大的经济损失． 甚至危及人 民生命财产安 全 ． 因此 ， 要提高我国滑坡治理整体水平 ， 就应克服 以上问题 ， 以理论指导实践 ， 减少主观性和盲 目性 ， 使对滑坡的治理真正做到经济合理 、 安全可靠． 1 滑坡机 理分 析与治理设计时应充分 考虑的因素 1 ． 1 勘察和试验 对 已滑边坡应在现场仔 细勘察滑坡破坏状况 [ 收穑日期】 1 9 9 9 - 0 9 - 2 5 [ 基盒疆目】 国家教育部博士点基金资助项日 9 4 5 3 3 o 5 【 作者筒舟】 戴自 航 1 9 6 6 一 ， 男． 中南工业大学博士研究生 测绘滑坡体 的地形图 ， 用钻探法或物探法确定滑坡 区域各土层分布情况、 地 层结 构、 滑 动面位置 及形 状 ． 采用钻探法时， 应根据滑坡大小， 沿滑动主轴断 面布设 2个以上探孔 ， 力争获取原状土样 以进行水 工、 土工试验， 以了解地下水是否对混凝 土有腐蚀性 及各土层的物理力学性质 ； 对滑带土体 ， 则应采用重 复剪切试验测定其残余抗剪强度指标 c 残余粘聚 力 和 ， 残余内摩擦角 ， 以供设计计算时参考． 1 ． 2 滑坡稳定分析和滑坡推力计算 对 已产生过 滑坡的边坡 ， 其撮危 险滑动 面已经 形成， 其位置和形状理应通过钻探或物探法确定 ． 在 缺乏这方面的勘察资料时， 可按计算机程序用搜索 法 或撮优化法 搜索确定 ． 滑坡 体稳定分析方法 目前仍 以各种极 限平衡条分法 为 主， 如 F e l l e n i u s 法 、 B i s h o p 法 、 J a n b u法 、 M o r g e n s t e m a n d P r i c e 法等． 大 量计算结果表明， 在最危险滑动面处 ， 各种方法的计 算结果差别不大， 但 滑坡体安全系数 K 和滑坡 推 力大小 ， 随 特别是 的变化 ， 反应很 敏感 ， 对厚 度较大的大 、 中型滑坡尤其如此 ． 因此 ， c 和 的 准确与否 ， 对设计计算结果影 响甚大 ． 目前， 国 内外 在确定 c f 和 时 ， 仍以反算为主 ， 再据参考试验数 据和经验选定 ． 滑坡推力通常按分块传递系数法 确定 ， 并根据计算结果 ， 分析判 断牵引段、 主滑段 和 抗滑段的位置， 为抗滑结构位置设计提供合理依据 ． 1 ． 3 抗滑结构的设计位置及其所受外力 抗滑结构合理设计位置 ， 是 主滑段与抗滑段 的 分界面处． 为准确计算抗滑结构 的内力， 应充分考虑 维普资讯 第 2期 戴 自航 ， 等 土悻滑坡治理的合理设计与计算 各种外力荷载 ， 包括设计位置处滑坡体的下滑力 、 土 压力和各种附加荷载 如滑坡体后缘平台之上的动 、 静载临时性堆载或重型车辆 、 房屋荷载， 孔隙水 压力、 地震作用所产生 的附加惯性力等 ． 1 ． 4 抗滑结构的内力计算 在通常情况下， 抗滑结构 如抗滑桩 为超静定 结构， 主要承受 横向荷载 ． 内力计算较 复杂 ， 与结构 物周围土体抗力关系密切 ， 应提高确定 土体抗力的 准确度， 以提 高结 构物 内力计 算精 度． 为使问题简 化 ， 在进行 内力分析和计算时 ， 一般将抗滑结构按其 受力特点分滑动面上 、 下两部分分别进行考虑 ， 滑动 面以上按悬臂 梁处理 ， 滑动面 以下按弹性地基梁处 理 ． 在内力计算中 ， 应保证结构弯矩的计算精度． 2 实例 基于对上述因素的充分考虑 ， 于 1 9 9 8年采用抗 滑桩对某滑坡进行了成功 的治理 ． 关于该滑坡 ， 原施 工单位技术员作过初步治理方案设计 ， 主体工程拟 采用重力式抗滑挡墙 ， 加上排水 、 护 面， 总 预算费用 约为 4 2万元 ． 笔者发现 ， 其设计计算多处欠妥． 故重 新进行设计． 经 比较 ， 对主体工 程采用抗 滑桩 型式 ， 总预算费用 3 0万元 ， 实际治理费用 2 8万元 ． 可见 ， 经济效益显著． 2 ． 1 滑坡稳定性分析计算 本计算采用的强度指标为含碎石牯土的残余强 度 和 c ， ． 因土工试验中未做该土层的重复剪切试 验 ， 即未实测 和 c f ， 故根据粘性滑带土残余强度 的试验分析结果” ， 残余 内摩擦角 按下列线性回 归方程进行计算 l g , 2 ． 4 2 7 81 ． 2 2 7 9 1 g l 一 0 ． 1 1 7 3 1 9 1 L 0 ． 1 1 6 5 1 式 中， I p为原状 土的塑性 指数 本例取 2 0 ； 为原状土的液性指数 本例取 ， 0 ． 2 4 ． 综合考虑 滑坡 的破 坏 状 况， 可 算得 ， 1 1 o 原 状 土 1 4 ． 5 。 ； 残余粘聚力可以 ， 为引数， 查取 C T - IO L 的关 系曲线得到 c 2 5 k P a 原状土 c 4 0 k P a 计算中考虑的附加荷载为该 滑坡体后缘平 台之 上的学生宿舍楼的部分静载 根据基础的型式 、 埋深 及此处滑动面深度， 计算时取线荷载的 1 ， 3 ． 因地下 水位于滑动面 以下， 故不考虑孔隙水压力 ． 根据钻探 揭露和滑坡体破坏状况 ， 滑动面接近 圆弧 ． 按 F e l l e ． a i m 圆弧{ 去 见图 1 计算滑坡体稳定安全系数 见表 1 ． 表 1中 批 为第 i 条块重力； 为第 i 条块重力 的切向分力 ； 为第 i 条块的摩擦阻力； L为滑动 圆 弧总长． 由于滑坡体稳定安 全系数 K 0 ． 9 3 ， 故该 滑坡仍处于潜在不稳定状态 ， 需及时治理 ． 口2 5 4 圈 1 滑坡稳定分析 厦滑坡推 力计算 示意图 表 1 滑坡稳 定分析计算 结果 注第 9 ． 1 0块 附加 荷 茕 巳计人 中； 总粘 橐力 c ， L8 0 1 7 ； 始 敷 墨 _ 0 _ 9 3 ． 2 ． 2 滑坡推力的计算 将滑动体分为 6个块体 见 图 1中的圆括号序 数 ， 按分块传递系数法计算滑坡推力 ， 公式为 一】 。 s i na 一 ’ c o s 口 ’ t a n g 一 L 2 其中 K为安全系数； 为第 n块滑动体 的剩余下 滑力 ； 为第 n块滑动体 的重力 ； a 第 n块滑动体 的滑动面与水平面的夹角； ， 亿 分别为第 n块滑动 体的滑动带上土的粘聚力和内摩擦角； L 为第 块 精动体 的精动带 的长度 。 计算时考虑到该宿舍楼几 百名学生的人生安全， 取安全系数 K1 。 2 5 ， c c 2 5 k P a ， 钆 1 1 。 ， 可由表 1对应条块的土 体重量相加得到。 可在图 1上量取 ． 计算结果见表 2． 维普资讯 l 0 0 中南工业大学学报 第 3 1 卷 衰 2滑坡推 力计 算蛄果表 注 表 中 E1 ． K W, 锄 口 ． ； E 2 ⋯ L 厩o o l 帅 ； E一 1 卜I ， 日 ． 由表 2可见 ， 滑坡体总推力为 3 7 3 ． 1 0 k N． 块体 l 虽出现裂隙， 但并未完全贯通， 应属牵引段 ； 块体 2 4由于 自身下滑力 E 。 均大于其阻滑力 E ， 应为主滑 段 ； 而块体 5及块体 6自身下滑力 E ． 均小于其阻滑 力 B ， 故应属抗滑段 ． 2． 3 抗滑桩的设计及内力计算 由滑坡推力计 算结果和分析可知 ． 抗滑桩宜设 在块体 4和块体 5的分界面处 ． 此位置 的桩后滑坡 推力为 7 8 6 ． 3 k N ／ m， 桩前剩余抗滑力为 4 1 3 ． 2 k N ／ m． 根据此滑坡推 力， 设计选择桩 径为 1 ． 3 m的圆截面 钢筋混凝土抗滑桩 ， 桩心距 2 ． 3 m， 桩长 1 4 n 1 ． 锚 固在 滑动面以下 8 m， 深入基岩 2 m左右 ． 依滑坡体影响 范围共布桩 7根 ． 按桩拱效 应 ， 每根 桩上 承受 的 滑坡推 力 E l 8 0 8 ． 5 k N． 同时考虑桩土共同工作原理． 计及桩问 土体主动土压力的 7 O ％ 由土拱传递 给桩 ， 则每根 桩上承受的主动土压力 E ， 5 2 ． 2 k N． 由于设桩后 ， 桩前滑动面以上土体不滑走 ， 故应考虑计及部分被 动土压力； 又由于桩前土体呈三角楔体状， 取被动土 压力的 l ， 2作为计算反力 ． 按桩的计算桩径可算 得每根桩承受的被动土压 力 E 9 1 6 ． 8 k N ， 最后可 算得滑动面处桩截面所受水平推力 风 9 4 3 ． 9 k N， 弯 矩 Mo 3 6 9 6 ． 3 k N n 1 ． 在计算桩身 内力时， 滑动面以上按 弹性支承的 悬臂粱计算， 电算结 果如表 3所示 ． 滑 面以下 ， 将桩 视为 Wi n k l e r 弹性地基梁 ， 其挠曲微分方程为 一 k b 0 3 1 1 7 , 式中 为桩身抗弯刚度 ； b 为桩 的计算宽度 ． 本例 中， 取 b 。 0 ． 9 d1 2 ． 町 m． 土体抗力模数 按 双参数法表达式确定 J ， 即 m ．g 4 式 中， m 和 1 ／ n都是待定参数 ， m0 ， l t n ≥O ． 定义桩的相对柔度系数 横向变形系数 n为 口 m b o l- 5 于是 ， 可得到微分方程 3 的幂级数解析解⋯． 将 风 9 43． 9 k N， M o 3 6 9 6． 3 k N ’ m，b 0 2． 町 m，E／ 3 3 3 6 7 2 3 ． 8 2 k N m 2 ， 0 ． 5 3 4 m输入 电算程序 ， 则 可算得滑动面以下桩身内力 ， 见表 4 ． 衰 3 抗 滑桩滑面阻上桩 身 内力计算结果 衰 4 抗 滑桩滑面阻下桩 身 内力计算结果 根据表 3和表 4 ， 可绘 出桩身截面内力图 见 图 2 可见， 最大弯矩 f 一 4 5 2 6 ． 3 k N m， 位于滑动面 以下 1 ． 4m左 右 ． 一 ‘lf 0 一0 l 1 ． 7 l ＼ 4 5 3 8 ． 8 2 卜 ． 8 1 1 4 0 ． 2讣 6 勰． 1 9 9 ． 0 4 卜_ 啦 4 2 7 6 7 ． 0 5 卜 9 1 6 7 3 g 6 9 ’ 6 9 4 3 ．9 三 4 3 7 6 7 一。 ． 。 ， ．⋯-／ _ 1 8 ％i 10 8 - _ 1 9 3 2 1 ． 61 2 3 1 ． 1 0 1 17 6 5 1 0 2 4 ． _ _ 1 1 1 ，3 0 0 ．2 7 3 3 5 ＼ I l 2 1 3 5 48 ．4 H 1 3 1 4 5 1 0． 6 L 1 4 围 2 抗滑桩桩身截面 内力图 2 4 抗滑桩的结构设计 钢筋混凝土抗滑桩结构设计中 ， 桩身砼采用 c 混凝土， ， 衄1 3 ． 5 N t n u n 2 ． 纵向受力钢筋采用 Ⅱ级热 扎带肋钢筋， 3 1 0 Mn l T n 2 按 圆截面受 弯构 件配 ’ 1 2 3 4 5 6 7 8，Ol 2 维普资讯 第 2 期 戴 自航． 等土体滑坡 治理的合理设计与计算 筋n o ， 混凝土保护层厚度 口 5 0 m m， 钢筋面积计算 公 式为 A [ 一 { A { s in 3 a ] ， I- I s ir s i I 廿 c a ] 口 ． 1 ． 2 52 a 6 式中 A 为全部纵 向钢筋 的截面 面积 ； M 为弯矩设 计值 ； ， 分别为混凝土抗压强度和钢筋抗拉强度 设计值； A为抗滑桩截面面积 ； r ， 分别为桩截面半 径和纵向钢筋所在圆周半径 ； a ， 口 分别为对应于受 压区混凝土截面面积 的圆心角与 2 的比值 和纵向 受拉钢筋截面面积与全部纵向钢筋截面面积之比． 采用迭代法 ， 经计算机程序计 算， 需配置 3 8根 直径为 3 2 n 一 的纵筋， 沿 圆周均 匀分布 ， 通长配置 ， 配筋率 2 ． 3 ％． 经验算， 桩身能满足斜截面抗剪 强度 要 求， 故 全 桩 按 构 造 要 求 布 置 箍 箭 ， 采 用 稍 2 0 0 螺旋箍 ． 每隔 1 ． 5 m布置 1 根直径 1 6m m的 焊接加强箍筋 ， 以增强钢筋笼的整体刚度 ， 便于钢筋 笼 吊放 ． 3 结论 a ． 在进行滑坡治理设计与计算时应充分考虑相 关因素． 实践 证明， 基于这些 考虑， 能经济而有效地 治理滑坡 ， 以提高滑坡治理水平 ． b ． 将滑带土的残余抗剪强度指标 c 和 纳人 精坡稳 定分析和滑坡推 力计算， 能提 高计算结果的 可靠度 ． c ． 采用双参数法进行抗 精桩桩身 内力计算 ， 计 算精度高于常规的单一参数法 ． d ． 治理后的滑坡变形监测结果表明 ， 滑坡得到 了有效控制 ， 说 明该滑坡的治理设计是成功的． [ 参考文献】 I ] 王恭先． 抗滑支档建筑物的发展动向[ A ]滑坡文橐缩委会． 滑 坡文集 第十三集 [ c ] ． 北京 中国铁道出版社， l 9 9 8 ∞一 矾． [ 2 J c } z h u - R m l i n s d m nk- L 0 0 f q 瞄 【 J J c 瞳 氇 d i丑 ⅡC ． e r * c a l J a Ⅱ ．1 9 9 2． 2 9 2 2 5～2 3 3 L 3 c 眦 N E m 妇 面 妇d 唧 山 [ A ] I n P ∞d i g - o f 【b e 6 山 u 姐山 扑 №wz 阻 l 瓤l 0 一 目 - ． d i L c ] ． 捌 md d u ， 1 9 9 2 4 2 6 ～ 4 31 [ 4 ] 陈仲颐． 周景星． 王洪瑾 土力学[ M]北京 清华太学出版社、 1 9 9 7 [ 5 铁道部第二勘蔼设计院 抗精桩设计与计算[ M] ． 北京 中国铁 道 出版社． 1 9 8 3 【 6 ] 隆威， 黄树华． 岩土工程预决算指南[ M] ． 长抄 中南工业太学 出版杜 ． 1 9 9 7 7 ] 李妥德 ． 谌壮 丽 ． 张颡 钧 牯性 滑带土的残余 强度与界 限音水量 的关系[ A _ ． 滑坡文集编委会 滑坡文集 第三集 [ c ] 北京 中 国铁道 出版社 ． 1 9 8 2 1 0 6 1 0 8 [ 8 橹凤鹤 用桩拱墙整治精坡[ A ]滑墟文集偏委会 滑坡文橐 第 三集 [ c ] ． 北京 中国铁道出版社 1 9 g 2 1 3 6 t 4 2 ． [ 9 ] 昊恒立． 计算推力桩的综合刚度原理和双参散法[ M]北京 人 民交通 出版杜 ． 1 9 9 0 ． [ 1 O ] 施岗青． 傅德炫 钢筋混凝土圆形环形截面构件程序设计和计 算用表[ M ]北京 地震出版杜． 1 9 9 2 ． Th e r e a s o n a b l e d e s ig n a n d c a lc u l a t i o n o f c u n n g e a r t h s l id e s D A I zi - , e， P E NGZ ∞- 6 G 0 Ⅱ o f I t e B 0 u n e s ， E n ．． ,i m e a e n t 删C i v i l E n n e e r Ig ，C e n t r a l s m J 【 l I U n i v e e i t y 0 f 山 d。 ， 0I Ⅲ 8 4 1 0 0 8 3 ，C h i 【 A b s I f a dJ T h e p p e r p I l bf 0 a f le w o f f a e t Q r s t h a t o u l d b et a k e ni n t oU ll t t | I o I I g } I 舢 yi n d e s i l岬 锄d e a l c u 一 r Ig i r I gt ot h e p r e s e n t s i t u l i o n o f e a ] s l i d e C U r “ i n 0l i n a ．Me ． w h i l e ，t h e d e s i g n a 1 1 d e a l e u l m e t t o f s l i d e ． r 翳i s n t p i l e s i s p r e s e n t e d i n d e t a i l b a s e d o n t h e s u c c e s s f u l e x p e r i e n c e o f c u r i n g a p r a c t i c a l s l ／ d e ．T h e c a l c 山 6 鲫 me o di p mg r a e d ，I t p mv e st h a t b a s e d o nt h e p n i s e o f c a r e f u l c o n s i d e r a fi o n o f f a c t o r sⅡ l e 6 0 n e di n p a p e r ， e e o e a l a r I d e t e t i v e s l id e c u I e c a l 1 b e e n u r e d．T n e r e f o r et h e] e v e l o f e i n g s l i d e s c a n b ei mp r o v e d ． 【 w o r d s ] s li d e ； s li d e c u r e ； s l id e - 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