某山区滑坡治理工程事故原因分析
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摘要：本文通过对陕西省南部山区某抗滑桩治理工程局部抗滑桩失效进行调查，列举了5中因素进行分析，结果表明抗滑桩作为主要的挡土结构，其失效一般都是在多重因素作用下发生的，地震作用起到推动作用，但不是要因，施工顺序和工程治理过程中临时排水起到主要作用。
关键词：地灾治理；抗滑桩；失效因素
中图分类号： C93 文献标识码： A
1引言
近年来由于极端天气和地震作用，致使滑坡地质灾害频发。现阶段对中浅层滑坡主要采用“削、挡、排”等手段进行治理。上世纪50年代修建宝成铁路时，铁路部门最早应用抗滑桩成功整治了几处岩石顺层滑坡。1966年成昆铁路修建中，首次采用大截面挖孔、灌注排式单桩整治大型、复杂滑坡，并初步建立了一套相应的设计、计算方法[1]。进入新世纪以来，抗滑桩在土质滑坡中运用非常广泛，并对滑坡治理起到了显著成效。然而由于多种因素的作用，在工程运行中抗滑桩失效的事故仍有发生。鲁绍宁[2] 通过对抗滑桩工作状态影响因素及受力状态进行分析，得出了抗滑桩剪断或折断、倾倒或折倒、滑出和越顶四类破坏模式。郑章清[3] 通过对某线路不同标段抗滑桩失效调查，得出了抗滑桩失效与桩体周围岩土体性质、嵌固深度、地下水和地表水流和桩顶地面封闭与否等因素有关。折学森[4] 采用有限元对抗滑桩桩体及桩间板墙进行地震作用下受力分析，认为桩和板交接处水平方向应力明显集中，桩与挡土板应力最大值均出现在外侧，地震作用下明显高于无地震时的值，剪切应力明显大于无地震的时候。
2滑坡概况及工程治理设计
2.1、滑坡概况
该滑坡位于陕西省南部秦巴山区地带，形态呈扇形长度约175m，宽度约185m，滑体厚度7.4-24.3m，主滑方向20-30°，体积约339273m3，滑坡周界明显，外形近似圈椅状。滑坡体中上部滑面位于粉质粘土与基岩接触面，滑坡体下部滑面位于强风化千枚岩。
2.2设计基本参数
（1）降雨：多年平均降雨量757.82 mm，历年小时最大降雨量87.1mm。
（2）滑坡岩土物理力学指标
① 重力密度（γ）：滑体主要由第四系粉质粘土、碎石土以及泥盆系风化炭质千枚岩组成；重力密度（γ）天然状态取20-21.0KN/m3，饱和状态取21.5KN/m3作为采用值。
② 滑带土抗剪强度参照下表勘查报告提供的指标，结合工程经验确定。计算采用指标为：粘聚力C为15（kPa），φ为25（°）。岩土体物理力学参数见表1。
表1岩土体的物理力学性质参数
地层名称 天然抗剪强度指标 饱和抗剪强度指标
C（kPa） φ（°） C（kPa） φ（°）
粉质粘土 21.0 18.0 17 15
碎石土 0 38 0 25
强风化千枚岩 22 39 19 28
2.3 设计标准
工程等级Ⅰ级，抗滑移安全系数按工况Ⅲ考虑，只载计滑体自重+暴雨+地下水，不计附加荷载，不计动水压力，不计地震荷载和动载。滑坡推力计算安全系数取1.30。
2.4治理设计
由于该县区用地紧张，投资方要求治理后规划出一定面积的建设场地用于开发，因此治理工程采用抗滑桩+削坡+土钉墙挡土板+浆砌石挡墙+浆砌石拱形骨架+锚杆格构+排水。
图1 治理工程典型平面图
图2 治理工程典型断面图
3抗滑桩失效调查
该工程2012年初动工，截至工程失效时，抗滑桩、削坡、浆砌石拱形骨架、锚杆格构、排水等主体抗滑工程完工，正在施工桩间挡土板。2013年7月23日，该县区普降暴雨，雨水瞬间汇该坡体，25日凌晨3点，该滑坡剪断4根桩滑动，坡体后缘道路整体塌陷，滑动后壁明显。2013年7月底，笔者参与了该治理工程失效事故调查， 调查中发现10#―13#抗滑桩遭到破坏，锚杆框架整体下滑，8#，9#，14#抗滑桩产生变形，其它抗滑桩完好。破坏桩体主要分布在平行道路段，破坏方式剪切破坏。详见照片1。
照片1 抗滑桩被剪断
调查中发现桩后土体中有水渗出，滑坡体上道路凹槽型塌陷，直接砸在框架梁上，致使锚杆框架梁有整体滑动，滑动体后壁明显。详见照片2、3。
照片2 道路整体塌陷
调查中发现坡面排水系统完好，无冲淤痕迹，表明暴雨期间，雨水直接从垮塌处排泄。
照片3 水泥路面砸在框架上
4.1、设计文件校核
设计报告抗滑桩配筋计算采用理正岩土（5.11版）计算。桩后剩余下滑力水平分力 754.000(kN/m)，桩间距6m，选取图2断面计算，桩身所受荷载按矩形分布计算。校核计算根据《建筑边坡工程技术规范》（GB50330-2002）附录F中等值梁方法，叠合桩后滑坡剩余下滑力和滑动面下主动土压力手算校核弯矩。设计及校核弯矩如图3所示。从图3中可以看出，设计文件中抗滑桩弯矩计算满足要求。
图3 抗滑桩计算弯矩校核图
4.2、降水因素
众所周知，降水作用是诱发滑坡产生的主要因素，即短时间的强降雨和长历时降雨，对边坡稳定影响最大。
降雨诱发边坡失稳主要有四种作用方式：①对边坡岩土体，降雨起加载作用、饱和岩土体、增大容重，产生动静水压力；②降雨侵蚀坡脚，破坏坡体，改变边坡结构：③雨水渗入，弱化岩土体，粘土矿物的水化作用导致粘聚力降低，甚至消失，降雨改变边坡力学性能；④滑动体的渐进性破坏和渗透力的作用，尽管其力学作用非常复杂，但从滑坡诱发机制上可以概括表现为促进滑移面剪应力增大及促使滑移面抗剪强度降低。
笔者在调查中发现，由于该段道路位于天然的滑坡体上，该段道路从形态上形成了自然的凹槽型，道路碾压破碎后量测雨水均汇入该坡面。此外，道路顶部居民房后侧为山体斜坡地带，汇水面积较大，雨水也流经该坡面。7月23日暴雨时，雨水下渗，形成了地表地面渗流，渗流中带走坡面土体及细小颗粒，导致混凝土路面悬空。由于瞬时大水作用，致使坡面锚杆框架梁局部拔出并发生移动，直接作用在桩顶，导致局部抗滑桩失效。
4.3、施工因素
由于该工程处于施工期，正在搭设脚手架准备施工桩间板墙，由于桩间板墙为及时闭合，导致坡顶与悬空面形成水路通道，进而形成坡体内渗流，增加了渗流压力。
治理设计文件中突出强调的要求对坡面上道路进行重新修整，做好道路排水设施，特别是要保证施工期间道路排水设施的有效工作。事故前，正是由于道路受到重载，路面和排水设施彻底破坏，大量雨水直接作用坡体上，路面垮塌冲击坡体，导致局部抗滑桩失效。
4.4、地震因素
强震作用对边坡稳定性产生巨大的影响，从而要求我们在治理高烈度地震区公路高边坡时采用一种具有良好抗震效果的支挡结构。从汶川地震后的灾害调查结果中，土木工程师们发现并没有发生抗滑桩板墙整体倒塌的现象，只是在个别地段有桩体扭转和外倾现象。本部分利用有限元数值模拟软件对抗滑桩板墙在高烈度地震区高边坡的应用进行数值分析，来探讨抗滑桩及板墙在地震作用下遭受破坏的可能。
1 地震参数
该区域抗震设防烈度为VI度，本次计算提高设防烈度采用为VIII度，设计基本地震动加速度值为0.30g，地震动反应谱特征周期为0.20秒。计算地震波采用El-centro加速度波。
图4 抗滑桩及板墙立面图
2 材料及参数
抗滑桩截面为2×3m，桩身采用C30混凝土浇筑，桩中心-中心间距为6m，取3根桩进行计算，故计算长度为18米。板挡土板为矩形板，采用丁型板； C30砼现场浇注，挡板高度10m。模型采用SOLID45八节点三维实体单元。围岩材料采用D-P准则模型，岩土体物理力学参数见表2。地震作用方式采用水平竖向共同作用。
表2岩土体的物理力学性质参数
材料名称 重度
KN/m3 弹性模量
E/MPa 泊松比
粘聚力
c 内摩擦角
滑体 20.5 100 0.29 15 25
滑床 22 2700 0.25 25 33
混凝土 24 29×103 0.2 按线弹性处理
3 有限元网格
三维计算模型，采用BEAM4梁单元单元模拟抗滑桩，用实体单元单元模拟桩间挡土板，以扫射的方式划分三维有限元网格。
图5边坡及抗滑桩板墙网格划分
4 计算结果
在地震作用下桩板的受力如下图所示：
图6抗滑桩桩板变形图
图7抗滑桩水平方向位移图
图8抗滑桩水平方向应力云图
图9抗滑桩剪切应力云图
表3 数值分析结果统计表
计算项目 极值大小 出现位置
抗滑桩最大水平应力(KN/m2) 24400 悬臂端根部外侧
抗滑桩最大竖向应力(KN/m2) 9200 板与桩连接处
抗滑桩最大水平位移（cm） 5.2 桩顶部
抗滑桩剪切应力(KN/m2) 5200 板与桩连接处
支护结构最大竖向位移(cm) 1.9 抗滑桩底部
从数值分析结果可以看出，桩水平应力最大值出现在外侧，内侧受拉达到8600 KN/m2，外侧受压达到24400 KN/m2，明显高于无地震时的值。桩和板交接处应力明显集中，剪切应力明显大于无地震的时候，但未出现塑性变形，建议在有条件的情况下应在交叉处局部加强设计；桩顶部发生了5.2cm的水平位移，明显比无地震时大，而在桩底部发的竖向位移却无多大变化，可见地震荷载主要是作用在水平方向。根据ANSYS计算结果可以看出桩侧岩土体未破坏，对抗滑桩进行抗弯，抗剪验算也满足要求。
4.5、其它因素
笔者在调查中了解到，在工程失事前，由于该滑坡前的县城主干道交通管制无法通行，车辆全部集中至该滑坡后缘的通道上，特别是大型重载车辆也在此通行。由于长时间动荷载的作用，加速土体屈服形变。同时由于重载作用，水泥土路面遭受很大破坏，道路排水系统破裂，致使雨水瞬间集中至坡体上，形成较大的动水压力。笔者从该县交通局了解到，由于该道路为民用日常便道，建造时未按照规范要求铺设垫层等防水措施，治理设计文件中明确要求重新恢复该段道路，由于修复经费迟迟没有落实，因此该段道路一直没有修缮。
4结语
本文通过对某抗滑桩治理工程失事现场调查，罗列了5种引发抗滑桩失效的因素并进行分析。结果表明：
（1）对于抗滑桩设计，在确定主滑面外，同时需要考虑次滑动面，次滑动面剩余下滑力可能较小，但作用力臂较长，可能形成更大弯矩。
（2）地震作用可能会引起抗滑桩失效，但不是主要原因。
（3）抗滑桩作为主要的挡土结构，其失效一般都是在多重因素耦合下发生的，本工程要因主要为：当地未按照设计要求修整坡体后缘道路，致使雨水瞬时汇集，同时路面超载车辆通行，最终导致抗滑桩失效。
（4）滑坡治理工程一定要遵循自上而下的原则进行施工，严禁“自下而上”施工，并重视施工期间临时排水工程。
（5）滑坡治理工程是一项技术要求高，风险大的专项工程，一定要选择具有施工资质的专业施工队伍，并加强监督工作。
参考文献
[1] 铁道部第二勘测设计院,抗滑桩设计与计算[M]中国铁道出版社,1983
[2] 鲁绍宁・抗滑桩失效模式及安全评价指标研究[D].重庆交通大学.2010
[3] 郑章清，林星，抗滑桩失效原因分析[J]. 铁路标准设计, 2001
[4] 折学森等公路高边坡抗震设计技术研究[R].长安大学，2013
[5]建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）
[6] 建筑地基基础设计规范（GB50007-2011）
[7] 建筑抗震技术规范（GB50011-2010）
[8] 铁路路基支档结构设计规范（J127-200）