CN102733354B - 桩-墙复合抗滑支挡治理结构 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种桩-墙复合抗滑支挡治理结构，包括悬臂抗滑桩和挡土墙，悬臂抗滑桩下部锚固在滑床中，多根相互间隔的悬臂抗滑桩并列成排，挡土墙设置于所述多根悬臂抗滑桩顶端；悬臂抗滑桩位置处的挡土墙重心线位于悬臂抗滑桩的重心线内侧、靠近次生滑坡体的位置处，滑坡体的作用力在悬臂抗滑桩上产生一正弯矩，挡土墙的作用力在悬臂抗滑桩上产生一与正弯矩方向相反的负弯矩。本发明与现有技术相比，有益效果在于：由于悬臂抗滑桩为钢筋混凝土结构，挡土墙为混凝土和石料复合的砌体结构，不受地下水周期性浸泡侵蚀的影响。挡土墙向悬臂抗滑桩施加可以抵消滑坡体的负面作用的负弯矩，可显著减少悬臂抗滑桩的尺寸，大大节省工程造价。

Description

桩-墙复合抗滑支挡治理结构

技术领域

本发明涉及大型、特大型涉水滑坡地质灾害防治领域，具体涉及一种桩-墙复合抗滑支挡治理结构。

背景技术

我国是一个多山的国家，山地丘陵占国土总面积三分之二以上，显著的地貌分异、复杂地质环境、频繁灾害性天气，使我国成为世界上地质灾害广泛发育、致灾严重的国家之一。地质灾害是指有损于人类生存环境的一切动力地质过程及地质现象，包括崩塌、滑坡、泥石流、地面沉降、岩溶等类型，其中崩塌、滑坡、泥石流（简称“崩滑流”）占地质灾害总数的80%以上。

值得指出的是，对于诸如三峡水库岸坡的滑坡灾害而言，由于滑坡体整体或局部受到库水周期性浸泡（三峡水库的库水位一年一度变化于145m至175m之间，变化幅度30m），土体物理力学参数劣化严重，且水库水位变化过程中，滑坡体内地下水位响应滞后明显，必然会出现较大的渗透力，加速滑坡稳定性衰减。如2003年三峡水库第一次蓄水诱发了著名的千将坪滑坡，从2008年9月28日三峡水库进行175m蓄水试验至2009年3月18日，受试验性蓄水和退水的影响，三峡水库重庆库区的巫山、巫溪、奉节、云阳、开县、万州等14区县发生了166处地质灾害灾情，崩滑体总体积约6024万立方米，塌岸长度约14520m。所发生的166处灾情点中，新生突发性灾（险）情点121处，占水库诱发灾情的73%，如云阳的凉水井滑坡。

对于滑坡灾害，目前主要采用清方减载、回填反压、悬臂抗滑桩、锚索抗滑桩、锚索格构、挡土墙、排水沟、截水沟等治理方法，其中采用悬臂抗滑桩（图1）和锚索抗滑桩（图2）是主要的滑坡治理技术类型，使用频率占60%～70%。对于诸如三峡水库岸坡的滑坡而言，滑坡体内地下水丰富，尤其是地下水变幅频繁，不能采用预应力锚索抗滑桩，悬臂抗滑桩或者挡土墙是比较理想的滑坡灾害治理技术。而从悬臂抗滑桩受力特性分析，悬臂段越长，在滑坡推力作用下悬臂段的弯矩急剧增大，导致抗滑桩截面尺寸成倍增大、配筋量成倍增加，投资急剧增大；而对于挡土墙而言，相关技术规范强制性规定，高度超过8m后，挡土墙结构的安全性显著降低，工程上严禁采用。因此，对于涉水滑坡治理而言，尤其是厚度较大的涉水滑坡，悬臂抗滑桩或者挡土墙单独使用均存在明显缺陷。目前，我国水利水电工程提速建设，三峡水库、黄河小浪底水库等大型、特大型水利水电工程相继建成运行，库岸滑坡数量日渐增多，尤其出现了众多厚度深、方量大的大型特大型滑坡，探索库岸大型特大型滑坡灾害的有效治理方法，具有重要现实意义。

发明内容

针对背景技术中的问题，本发明提出了一种桩-墙复合抗滑支挡治理结构，包括悬臂抗滑桩和挡土墙，悬臂抗滑桩下部锚固在滑床中，多根相互间隔的悬臂抗滑桩并列成排，挡土墙设置于所述多根悬臂抗滑桩顶端；悬臂抗滑桩位置处的挡土墙重心线位于悬臂抗滑桩的重心线内侧、靠近次生滑坡体的位置处，滑坡体的作用力在悬臂抗滑桩上产生一正弯矩，挡土墙的作用力在悬臂抗滑桩上产生一与正弯矩方向相反的负弯矩。

采用前述结构后，滑坡体的作用力作用到悬臂抗滑桩上后，会在悬臂抗滑桩上产生一正弯矩，由于挡土墙的重心线位于悬臂抗滑桩的重心线内侧、靠近次生滑坡体的位置处，这就使得挡土墙的重量可以对悬臂抗滑桩产生一与正弯矩相反的负弯矩，用以抵消正弯矩所带来的负面效应，从而使悬臂抗滑桩的桩顶挠度减少50%～60%，同时还可使悬臂抗滑桩桩身所承受的最大弯矩降低40%～50%，从而降低对悬臂抗滑桩的结构强度的要求，使抗滑桩造价降低30%左右（用于制作悬臂抗滑桩的材料成本和施工成本大大高于制作相同体积的挡土墙，悬臂抗滑桩一般采用钢筋混凝土结构，而挡土墙可采用施工地区就近采集的碎石，通过混凝土浇筑形成石料和混凝土结合的砌体结构）；除了前述的效果外，挡土墙还可以对次生滑坡体（次生滑坡体是由悬臂抗滑桩顶部对土体的水平剪切造成的）起到阻挡作用，使悬臂抗滑桩的高度可以得到缩减。

针对前述方案，本发明还提出了如下的优选结构：所述挡土墙下端面的一部分与悬臂抗滑桩顶端连接，挡土墙下端面的另外一部分悬置，挡土墙上的悬置部分位于悬臂抗滑桩和次生滑坡体之间。挡土墙上的悬置部分的重力作用到挡土墙和悬臂抗滑桩的连接部，这就使作用到悬臂抗滑桩上的负弯矩得到了进一步增大；

进一步地，本发明还对前述结构作了如下改进：相邻两根悬臂抗滑桩之间的间隙处设置有桩顶梁，桩顶梁两端分别与两根悬臂抗滑桩固定连接；挡土墙上位于相邻两根悬臂抗滑桩之间的悬空段置于桩顶梁上，且悬空段与桩顶梁固定连接。桩顶梁可以更加有效地将挡土墙悬空段的作用力传递到悬臂抗滑桩上，使负弯矩的效果得到进一步加强。

与现有技术相似的是，本发明还在悬臂抗滑桩上方位置处的挡土墙结构体上设置了沉降缝，缝宽3～5cm。

沉降缝的设置位置可采用如下的优选实施方案：每间隔两根悬臂抗滑桩设置一沉降缝。

基于前述方案，本发明还提出了如下的优选挡土墙结构：挡土墙截面为直角梯形，直角梯形的直角边靠近次生滑坡体。

本发明还提出了如下的优选结构尺寸确定方式：挡土墙和悬臂抗滑桩之间水平方向上的结构尺寸关系由下式确定：

$e_0=\frac{1}{3}(2B-a)-0.5h+\frac{\mathrm{aB}}{3(b+B)}$

同时，上式中的参数a、B、h还应满足如下关系：B＝h+1、a：B的比值取0.5~0.8；

式中：e₀为挡土墙的墙重心线和悬臂抗滑桩的桩重心线之间的水平距离，b为悬臂抗滑桩宽度，h为悬臂抗滑桩厚度，a为挡土墙顶宽，B为挡土墙底宽；前述尺寸参数的单位均为米。

挡土墙和悬臂抗滑桩之间竖直方向上的结构尺寸关系如下：

悬臂抗滑桩1高度为L，挡土墙2高度为H，当3m≤L≤10m时，H取3m，L＞30m时，H取8m；当10m＜L≤30m时，L：H的比值取4～5。

本发明与现有技术相比，有益效果在于：由于悬臂抗滑桩为钢筋混凝土结构，挡土墙为混凝土和石料复合的砌体结构，不受地下水周期性浸泡侵蚀的影响。挡土墙向悬臂抗滑桩施加可以抵消滑坡体的负面作用的负弯矩，可显著减少悬臂抗滑桩的尺寸，大大节省工程造价。

附图说明

图1、单独采用悬臂抗滑桩治理滑坡时的结构示意图；

图2、采用预应力锚索抗滑桩治理滑坡时的结构示意图；

图3、本发明的结构示意图一；

图4、本发明的结构示意图二；

图5、本发明结构的剖面示意图；

图6、设置有挡土墙和未设置挡土墙时，悬臂抗滑桩的重心线的变形曲线比较示意图；

图7、单独采用悬臂抗滑桩治理滑坡时，悬臂抗滑桩的桩身所承受的弯矩示意图；

图8、本发明结构中，悬臂抗滑桩的桩身所承受的弯矩示意图。

其中所示标记分别为：悬臂抗滑桩1、挡土墙2、桩顶梁3、滑坡体的滑动面4、滑坡体5、滑坡体的滑动方向6、滑床7、挡土墙的重心线8、悬臂抗滑桩的重心线9、未设置挡土墙结构时滑坡体推力作用下的悬臂抗滑桩重心线变形曲线10、设置了挡土墙结构后滑坡体推力作用下的悬臂抗滑桩重心线变形曲线11、未设置挡土墙结构时桩身弯矩区域12、设置了挡土墙结构后桩身弯矩区域13、次生滑坡体14、次生滑坡体的滑动面15、次生滑坡体的滑动方向16。

具体实施方式

本发明的方案是：一种桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：包括悬臂抗滑桩1和挡土墙2，悬臂抗滑桩1下部锚固在滑床7中，多根相互间隔的悬臂抗滑桩1并列成排，挡土墙2设置于所述多根悬臂抗滑桩1顶端；悬臂抗滑桩1位置处的挡土墙2重心线位于悬臂抗滑桩1的重心线内侧、靠近次生滑坡体14的位置处，滑坡体5的作用力在悬臂抗滑桩1上产生一正弯矩，挡土墙2的作用力在悬臂抗滑桩1上产生一与正弯矩方向相反的负弯矩。

采用本发明结构后，由于挡土墙2的重心线位于悬臂抗滑桩1的重心线内侧、靠近次生滑坡体14的位置处，这就相当于在悬臂抗滑桩1上施加了一与正弯矩作用方向相反的负弯矩，正弯矩和负弯矩的相互作用下，就抵消了滑坡体对悬臂抗滑桩1造成的负面效果，使悬臂抗滑桩1可以提供更大的支挡力，反之，在提供相同支挡力的条件下，可以使悬臂抗滑桩1的尺寸得到大幅缩短；同时，现有技术中为了避免因悬臂抗滑桩1桩顶的剪切作用而出现次生滑坡，需要将悬臂抗滑桩1的高度制作得足够高，而采用本发明结构后，挡土墙2客观上对次生滑坡体起到了支挡作用，这就节省了悬臂抗滑桩1的高度；这种结构除了前述的好处外，由于结构上未使用金属锚固件，这使得本发明结构还具有不受地下水周期性浸泡侵蚀影响的优点，使用寿命更长，同时也使得悬臂抗滑桩1的支挡效果得到了最大限度的利用。

本发明中由挡土墙2产生的负弯矩的作用效果，可通过如下方法来进行验证：

为了便于计算，我们不妨以截面为直角梯形的挡土墙2来进行说明，直角梯形的直角边靠近次生滑坡体一侧，则由直角梯形结构的挡土墙2所产生的负弯矩M₀的数值可由下式计算得出：

式中：a为挡土墙2顶宽，单位：米；B为挡土墙2底宽，单位：米；H为挡土墙2高度，单位：米；γ_挡土墙为挡土墙2圬工材料容重，单位：kN/m³；S为悬臂抗滑桩1的间距，单位：米；e₀为挡土墙2重心线与悬臂抗滑桩1重心线之间的水平距离。

设某滑坡体厚度15m，推力为1500kN/m，则滑动面处由滑坡体作用力形成的正弯矩大小为11250kN.m，采用普通抗滑桩治理，抗滑桩上仅悬臂段长度就需要15m才能满足支挡要求，实际桩长还要考虑锚固段长度，则抗滑桩桩长肯定大于15m，桩横截面尺寸b×h为2m×3m，这种尺寸的钢筋混凝土抗滑桩工程造价在8万元左右；采用本发明结构后，悬臂抗滑桩1高度仅需10m，由悬臂抗滑桩1顶端的水平剪切作用形成的次生滑坡体仅需再设置3m高的挡土墙2就可满足支挡需求，以L=10m、H=3m、b=2m，a=3m，B=4m为例，可求得e₀=1.33m，代入上式，可进一步求得负弯矩M₀=1485kN.m，负弯矩占正弯矩的13.2%，据此，采用本发明方案后，桩身锚固段最大弯矩降低了近20%，悬臂抗滑桩1的悬臂段长度仅为10m，与现有技术相比减少了（15-10）/15=30%左右的长度，单根悬臂抗滑桩1造价降低到6万元左右。采用本发明方案后，悬臂抗滑桩1桩长可显著减小，成本显著降低，同时，本发明可在地下水位升降变化频繁的地区采用，完全不受地下水周期性的侵蚀影响。

基于前述的方案，本发明还提出了如下的优选结构方式：所述挡土墙2下端面的一部分与悬臂抗滑桩1顶端连接，挡土墙2下端面的另外一部分悬置，挡土墙2上的悬置部分位于悬臂抗滑桩1和次生滑坡体14之间。挡土墙2悬置部分的作用力可以有效地增大负弯矩的效果；

相邻两根悬臂抗滑桩1之间的挡土墙2上存在悬空段，为了使挡土墙2上的悬空段的作用力能够更加有效地传递到两侧的悬臂抗滑桩1上，本发明还作了如下改进：相邻两根悬臂抗滑桩1之间的间隙处设置有桩顶梁3，桩顶梁3两端分别与两根悬臂抗滑桩1固定连接；挡土墙2上位于相邻两根悬臂抗滑桩1之间的悬空段置于桩顶梁3上，且悬空段与桩顶梁3固定连接。

本发明在前述方案的基础上，还在本发明的结构体上布置了现有技术中普遍采用的沉降缝：悬臂抗滑桩1上方位置处的挡土墙2结构体上设置有沉降缝，缝宽3～5cm。每间隔两根悬臂抗滑桩1设置一沉降缝。

基于前述的方案，本发明还提出了一种优选的挡土墙2结构：挡土墙2截面为直角梯形，直角梯形的直角边靠近次生滑坡体14。这种结构的挡土墙2，其重量大部分都集中在直角梯形上的直角边一侧，使挡土墙2的重量有效地转化为负弯矩，降低结构冗余；

基于前述的直角梯形结构形式的挡土墙2，本发明还提出了如下的方案来确定结构体上的各种参数：挡土墙2和悬臂抗滑桩1之间水平方向上的结构尺寸关系由下式确定：

$e_0=\frac{1}{3}(2B-a)-0.5h+\frac{\mathrm{aB}}{3(b+B)}$

同时，上式中的参数a、B、h还应满足如下关系：B＝h+1、a：B的比值取0.5~0.8；

式中：e₀为挡土墙2的墙重心线8和悬臂抗滑桩1的桩重心线9之间的水平距离，b为悬臂抗滑桩1宽度，h为悬臂抗滑桩1厚度，a为挡土墙2顶宽，B为挡土墙2底宽；前述尺寸参数的单位均为米。

挡土墙2和悬臂抗滑桩1之间竖直方向上的结构尺寸关系如下：

悬臂抗滑桩1高度为L，挡土墙2高度为H，当3m≤L≤10m时，H取3m，L＞30m时，H取8m；当10m＜L≤30m时，L：H的比值取4～5。

本发明的结构可采用如下的施工步骤，（1）针对库岸滑坡地带，根据滑坡体的地形地貌条件和滑坡推力大小，选定抗滑支挡部位，按照设计的悬臂抗滑桩1尺寸进行施工；（2）在悬臂抗滑桩1桩顶施工建设桩顶梁3，桩顶梁3采用C20或C25钢筋混凝土制作，按照目前国家相关技术标准和规范进行桩顶梁3配筋，与悬臂抗滑桩1桩顶钢筋搭接后现场浇筑；（3）按照设计尺寸制作挡土墙2。

Claims (5)

1.一种桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：包括悬臂抗滑桩（1）和挡土墙（2），悬臂抗滑桩（1）下部锚固在滑床（7）中，多根相互间隔的悬臂抗滑桩（1）并列成排，挡土墙（2）设置于所述多根悬臂抗滑桩（1）顶端；

悬臂抗滑桩（1）位置处的挡土墙（2）重心线位于悬臂抗滑桩（1）的重心线内侧、靠近次生滑坡体（14）的位置处，滑坡体（5）的作用力在悬臂抗滑桩（1）上产生一正弯矩，挡土墙（2）的作用力在悬臂抗滑桩（1）上产生一与正弯矩方向相反的负弯矩；

所述挡土墙（2）截面为直角梯形，直角梯形的直角边靠近次生滑坡体（14）；挡土墙（2）和悬臂抗滑桩（1）之间水平方向上的结构尺寸关系由下式确定：

$e_0=\frac{1}{3}(2B-a)-0.5h+\frac{\mathrm{aB}}{3(b+B)}$

同时，上式中的参数a、B、h还应满足如下关系：B＝h+1、a：B的比值取0.5～0.8；参数a、B、h的单位为米；

式中：e₀为挡土墙（2）的重心线和悬臂抗滑桩（1）的重心线之间的水平距离，b为悬臂抗滑桩（1）宽度，h为悬臂抗滑桩（1）厚度，a为挡土墙（2）顶宽，B为挡土墙（2）底宽；

挡土墙（2）和悬臂抗滑桩（1）之间竖直方向上的结构尺寸关系如下：

悬臂抗滑桩（1）高度为L，挡土墙（2）高度为H，当3m≤L≤10m时，H取3m，L＞30m时，H取8m；当10m＜L≤30m时，L：H的比值取4～5。

2.根据权利要求1所述的桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：所述挡土墙（2）下端面的一部分与悬臂抗滑桩（1）顶端连接，挡土墙（2）下端面的另外一部分悬置，挡土墙（2）上的悬置部分位于悬臂抗滑桩（1）和次生滑坡体（14）之间。

3.根据权利要求1所述的桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：相邻两根悬臂抗滑桩（1）之间的间隙处设置有桩顶梁（3），桩顶梁（3）两端分别与两根悬臂抗滑桩（1）固定连接；挡土墙（2）上位于相邻两根悬臂抗滑桩（1）之间的悬空段置于桩顶梁（3）上，且悬空段与桩顶梁（3）固定连接。

4.根据权利要求3所述的桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：悬臂抗滑桩（1）上方位置处的挡土墙（2）结构体上设置有沉降缝，缝宽3～5cm。

5.根据权利要求3所述的桩-墙复合抗滑支挡治理结构，其特征在于：每间隔两根悬臂抗滑桩（1）设置一沉降缝。

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