專治滑坡的土木工程結構——抗滑樁
0.引語
最近一個月內不斷有由山體滑坡導致河流斷流並形成堰塞湖的新聞：10月10日西藏白格村附近發生山體滑坡，堵塞金沙江幹流河道並形成堰塞湖，並且在11月3日發生二次滑坡；10月17日西藏加拉村附近發生山體滑坡，堵塞雅魯藏布江幹流河道並形成堰塞湖。
在這幾次山體滑坡引發的災害里，科研人員及時確定災害規模，政府及時宣布災害級別，技術部門拿出解決方案，行政部門迅速轉移群眾，下游水庫執行統一調度安排，一切都顯得井然有序從容不迫。「等待江水自然溢流」的提案是現場專家組給出的最優解，不過這個最優解稍微顯得當前人類技術的無可奈何，畢竟這幾次事件中的堰塞湖以及山體滑坡規模巨大。而滑坡作為分布最廣、危害程度嚴重的地質災害也可見一斑。
既然對大規模滑坡無能為力，那麼，對於規模不那麼大的滑坡，工程界的技術人員們都有哪些防患於未然的常用手段呢？
這裡我們先給出滑坡的嚴謹定義：滑坡是岩質或土質斜坡的局部穩定性無法維持，在重力或其他荷載作用下，岩土體沿其軟弱破裂面整體下滑的地質災害[1]。上述的幾次大規模滑坡明顯都是在重力作用下發生的。而由自重引起的滑坡，內在因素就無非是岩土鬆軟、地勢陡峭、乾濕交替、構造面發育之類的要素。
在土木工程界，至今為止出現的針對滑坡的支擋與加固措施有：擋土牆、錨桿擋土牆、加筋土擋土牆、錨定板擋土牆、土釘牆、抗滑樁、預應力錨索等等 [2]。而這篇文章討論的是其中的抗滑樁。
抗滑樁（anti-slide pile）是穿過滑坡體深入於滑床的樁柱，也就是說在陡坡或者可能出現滑坡的地方，用鋼筋混凝土等材料澆築成巨大的柱形，並使之立足於穩定岩層之中，從而抵抗岩土體的下滑。
1.抗滑樁的各方面概況
1.1抗滑樁的類型
前文提到由於岩土鬆軟、地勢陡峭程度等狀況多種多樣，為了應對多種多樣的滑坡狀況，工程師們因地制宜開發出了多種類型的抗滑樁。如果按結構形式來分類，抗滑樁大致分為：單排抗滑樁、椅式樁牆、Ⅱ形剛架樁、排架抗滑樁、預應力錨索抗滑樁、微型樁群加錨索等。除此之外還可以根據樁身材料（鋼筋混凝土、鋼筋等）、施工方法（挖孔、貫入、沉井等）、斷面形式（圓、矩形、正方形）來分類。
以筆者所在工地的隧道邊坡為例，工程中最常用的抗滑樁類型為：單排結構、鋼筋混凝土材料、挖孔施工、矩形斷面。
1.2抗滑樁的優勢
作為邊坡支擋結構界的勞模，抗滑樁相較於其他類型的支擋結構具有以下優點：
(1) 以較小的圬工量取得較高的抗滑能力。「圬工量」一般用來指大體積結構物（例如用混凝土澆築成的大塊體）的體積，由於邊坡支擋結構通常規模巨大，因此圬工量往往成為工程造價的決定性因素。相較於依靠自重來平衡岩土壓力並因此圬工量巨大的擋土牆，合理利用鋼筋抗拉性能的常見的鋼筋混凝土柱抗滑樁則很好地削減了圬工量，同時又具有不俗的抗滑能力。因此在設計慣例中，當樁後滑體推力低於20噸時可考慮採用擋土牆；高於20噸時可考慮採用抗滑樁。
(2) 樁位可根據需要靈活布置。抗滑樁是由一根根柱子按照一定間距排列而成，不像擋土牆那樣只能連續布置成一道牆。因此我們可以將抗滑樁布設於滑坡體中最有利於抗滑的位置，對症下藥地解決滑坡問題。
(3) 施工設備較為簡單，施工便捷、安全，工期短。當前樁基施工體系已非常成熟，成排的抗滑樁可以按照一定間隔同時進行施工，且施工工作面富餘；並且由於圬工量不多，因此施工過程中土方開挖量較少，從而盡量減少施工過程中邊坡突然失穩下滑的可能性。
(4) 開挖樁孔的同時可直接校驗地質情況。開挖樁孔時可以對取出的岩土體進行各項力學特性的試驗，試驗結果能夠對地質勘察設計文件進行檢驗，從而能及時發現問題並根據需要實施補救措施，最大限度保證施工安全、滑坡體穩定和結構受力條件的合理性。
1.3抗滑樁的適用條件
前面也提到了抗滑樁是邊坡支擋結構界的勞模，因此抗滑樁的適用範圍非常廣。不過細心的朋友一定發現了，由於抗滑樁是由一根根柱子按照一定間距排列而成，也就是說樁與樁之間存在間隙，因此需要依靠土拱效應避免土體從間隙跑出來。除此之外，抗滑樁有兩種途徑來承擔由岩土體形成的推力，一種是依靠抗滑樁樁下部嵌入的岩土體的側向阻力，另一種是抗滑樁另一側的岩土體的被動抗力。
基於以上兩點，使用抗滑樁應滿足以下條件：
(1) 滑坡具有明顯滑動面。
(2) 滑坡體不具有流塑性，樁能形成土拱效應。
(3) 滑動面以下應為較完整岩層或密實土層，能夠提供足夠的錨固力。
2. 抗滑樁的設計和計算簡介
本節較為全面而簡略地闡述抗滑樁設計計算的原理。這部分涉及具體的設計理論，沒興趣的朋友可以選擇跳過。
2.1 抗滑樁的布置
布置抗滑樁的時候一般要考慮以下幾點：
（1）前面提到為了對症下藥解決滑坡問題，一般將抗滑樁布設於滑坡體中最不利位置。
（2）為了形成側向土拱效應，樁間距宜為6~10米。如此設置樁間距還可保證一定的施工工作面，避免由於空間狹小而挪展不開手腳並因此浪費時間。
（3）樁的截面形式一般採用矩形截面，這是因為矩形截面有利於抗彎和抗剪。
（4）抗滑樁的布置應為了滿足承載力要求以及規範的其他要求而加以調整。
2.2 抗滑樁的荷載
既然抗滑樁是抵抗滑坡的結構，那麼抗滑樁受到的荷載自然就是滑坡體的下推力。除此之外，上文提到過抗滑樁抵抗下推力的兩種途徑，也就是嵌固段的岩土體的側向阻力和另一側岩土體的被動抗力。因此在設計抗滑樁時主要考慮上述三種荷載。相對地，樁側壁摩阻力、樁底反力、樁身自重等次要的荷載可忽略不計。
（1）計算滑坡體的下推力時，先把滑坡體抽象成數學物理模型。根據滑面的產狀和岩土性質的不同，將滑體沿滑動主軸方向劃分為若干鉛直條塊，即圖2-1所示的滑塊。計算中假定滑塊為連續而無壓縮的剛塑性體，其橫向寬度按每米計算，並忽略剛塑性體兩側的摩擦阻力。在各滑塊分界面之間由後向前依次傳遞的剩餘下滑力，即為該滑塊所受的滑坡體下推力。
任取一滑塊作極限平衡下的靜力分析，則作用於滑塊上的在任何情況下必須考慮的力系包括：滑體自重，滑面抗滑力，滑面支持力，上一滑塊傳遞來的剩餘下滑力，下一滑塊傳遞來的剩餘下滑反力，如圖2-2所示。
（2）嵌固段的岩土體側向阻力的定義是：抗滑樁將滑坡推力傳遞至滑動面以下錨固段地層時，滑動面以下樁周岩土體受力後發生變形，進而產生作用於樁身的錨固段岩土體側向阻力。
錨固段岩土體側向阻力作為待定的未知量之一，其量值取決於岩土體力學性質及其與樁身的相互作用。一般通過解算錨固段樁身的撓曲線微分方程，得到錨固段樁身任意位置的變位，進而根據文克勒地基梁理論，求解得沿樁身分布的岩土體側向阻力。
（3）另一側岩土體的被動抗力的含義是：抗滑樁將滑坡推力傳遞至滑動面以上樁前滑體時，樁前滑體受力後發生變形，進而產生作用於樁身的樁前滑體反力。根據設樁位置及樁前滑坡體的穩定情況，抗滑樁可分為懸臂式和全埋入式。
當樁前不存在滑體或者滑體存在滑移的可能性時，則不應計及其抗力，而應將抗滑樁受荷段視為懸臂樑進行計算。
當樁前滑坡體足以保持穩定，則抗滑樁屬於全埋入式，此時根據對樁前滑體反力處理方式的不同，有兩種計算方法：①將樁前滑體反力視為已知荷載，取設樁處滑塊在穩定係數下剩餘下滑力與被動土壓力的較小值，並取其分布形式與樁前滑坡推力的分布形式保持一致；②將全樁視為彈性地基上樑，根據滑動面以上及以下的地基係數求解沿樁身分布的樁前滑體反力。實踐中常採取較為簡便的第一種方法。
2.3 抗滑樁樁身設計計算方法概述
抗滑樁設計計算方法可分為：懸臂樁法、地基係數法、有限元等數值分析法。
(1) 懸臂樁法：將抗滑樁在滑動面以上部分視為承受樁後滑坡推力、樁前滑體反力的懸臂樑，將抗滑樁在滑動面以下部分視為固定端並採取彈性地基梁法進行計算。首先根據抗滑樁在滑動面以上部分承受的樁後滑坡推力、樁前滑體反力作為已知力系，計算滑動面以上部分樁身內力；隨後以滑動面處樁身彎矩值和剪力值作為已知力，根據滑動面以下樁周岩土體地基係數，計算滑動面以下樁身內力和變位。
(2) 地基係數法：將全樁視為彈性地基上樑，根據滑動面以上及以下的地基係數求解沿樁身分布的樁前滑體反力和錨固段地層抗力。由於未考慮滑面對受力情況的影響，因此僅當求出的樁前滑體彈性抗力低於樁前滑體實際具有的抗力時，地基係數法可求解得到合理結果。
(3) 有限元法：將抗滑樁及樁周岩土體離散化為以一定方式連接成的眾多單元，隨後建立整體剛度矩陣並求解得出所需的力學參數。以有限元為代表的數值分析法能藉由計算機的運算能力得到較為精確的結果。
2.4樁身結構承載力設計
抗滑樁樁身結構承載力設計部分，實際上與土木工程專業本科教材《混凝土設計原理》里的方法並無二致。只要將抗滑樁視為受彎構件，按部就班進行正截面抗彎承載力和斜截面抗剪承載力計算即可。
由於抗滑樁屬於大斷面地下結構，由樁身裂縫過大引起的鋼筋局部鏽蝕對樁身強度影響較小，故無特殊要求時，可不進行正常使用極限狀態驗算，僅按照承載能力極限狀態進行設計即可。
2.5抗滑樁加固滑坡穩定性分析
滑坡穩定性通過穩定係數和安全係數進行定量分析。其中，滑坡穩定係數是指沿假定滑裂面的抗滑力與滑動力的比值；安全係數指滑坡治理後應該達到的穩定程度，是一個主觀目標值[3]。具體計算就不在這裡展開了，有興趣的同學可移步相關資料。
3 國內外研究動態
岩土工程發展至今，已有許多國內外學者致力於抗滑樁的研究並取得較多研究成果。這些研究主要集中在5個方面：邊坡穩定分析、邊坡可靠度分析、抗滑樁設計計算、抗滑樁的土拱效應、抗滑樁加固邊坡動力響應。由於這部分內容主要是文獻綜述，對此不感興趣的朋友可以選擇跳過。
3.1邊坡穩定分析研究概況
至今已有許多國內外學者致力於邊坡穩定分析研究，並已取得較多研究成果。根據分析理論的不同，邊坡穩定分析方法主要有：基於條分法的極限平衡法、有限元法、基於塑性理論的極限分析方法等，其中前兩種方法應用較多。
基於條分法的極限平衡法遵循莫爾-庫倫強度準則且僅考慮靜力平衡條件。Bishop[4]發展了基於條分法的極限平衡法，並定義滑坡穩定係數為滑裂面抗剪強度與滑坡推力之比；Chen等[5]提出安全係數解析法，從根本上解決了數值分析的收斂問題；沈蒲生等[6]提出了基於邊坡穩定分析普遍極限平衡法原理的數值積分解法。
有限元法方面，Kim等[7]研究全滑面安全係數，並利用有限元應力場求解各高斯點的應力，提出對非圓弧滑面的改進搜索。史恆通等[8]採用有限元法對安全係數的定義方法進行探討。
極限平衡法：Woodward等[9]採用有限元法研究三種不同坡角下護坡對剛性地基上邊坡穩定性的影響，並用條分法對結果進行驗證對比。劉金龍等[10]分析了各種失穩判斷依據的合理性，採用強度折減有限元法進行邊坡穩定性分析，並與極限平衡法所得結果進行對比。
3.2邊坡可靠度分析方法研究概況
抗滑樁設計計算中需充分考慮抗滑樁與滑坡岩土體相互作用，由於岩土體受力變形的複雜性，可靠度方法逐漸應用到抗滑樁結構設計中。針對抗滑樁的結構功能函數難以獲得顯式解析解，國外學者Wong[11-12]、Faravelli[13-14]等提出結構可靠度分析的響應面法。隨著研究的深入，響應面法先後得到學者們的改進，如Bucher等[15]。
隨著可靠度理論的發展和對岩土工程認知的深入，國內學者逐步將新理論應用到邊坡穩定可靠度分析中。蘇永華等[16]利用試驗數據對安全係數計算方程進行擬合，並建立近似極限狀態方程；黃超等[17]推導了下滑力安全係數的顯式表達式並給出邊坡可靠度分析的極限狀態函數；呂璽琳等[18]建立了模糊隨機可靠性分析模型並推導了模糊隨機可靠度計算公式。
3.3抗滑樁設計計算研究概況
針對抗滑樁設計計算方面的研究大多著眼於抗滑樁與滑坡岩土體之間的相互作用。Begemann等[19]根據試驗結果及工程經驗，假設無樁時滑體推力並將其作用於樁身，進而計算樁身內力和變位，Jinoh Won等[20]分別樁身視為等值板牆模擬，求解其內力和變位。戴自航[21]根據抗滑樁現場試驗資料，提出滑坡推力和土體抗力分布函數，依據滑坡岩土體性質選取適宜的分布函數，優化抗滑樁設計。楊濤等[22]提出以定點剪出穩定性核算為基礎的滑坡推力分布形式分析計算方法；自上而下逐點計算滑坡推力，得到相鄰兩點間滑坡推力增量，按照自上而下順序確定樁身滑坡推力分布形式。
3.4抗滑樁土拱效應研究概況
隨著數值模擬方法的普及以及試驗手段的發展，針對抗滑樁土拱效應的研究日趨增加。
Vermeer P A[23]利用PLAXIS程序對樁后土拱效應進行二維有限元模擬，所得主應力分布圖中可明顯觀測到土拱效應的存在。向先超等[24]利用PFC程序對影響抗滑樁各類因素進行離散元模擬，得出土拱在破壞後尚存在參與強度。崔海浩等[25]通過建立室內模擬箱，對懸臂式抗滑樁土拱效應進行研究，得到較為直觀的成拱形狀，並根據試驗觀測數據分析土拱形成過程及其機理。
3.5抗滑樁加固邊坡動力響應研究概況
地震是誘發邊坡失穩的主要因素之一，為此較多學者對抗滑樁加固邊坡動力響應進行研究。Al-Defae等[26-27]採用土工離心機進行抗滑樁加固砂質邊坡的離心試驗，並對預製混凝土和彈性樁在受力性能及穩定性等方面進行對比。汪鵬程等[28]對地震作用下抗滑樁結構進行數值模擬受力分析，計算得到抗滑樁應力和變位並與擋土牆在相同工況下的應力和變位進行對比分析；雷慶蘭等[29]採用ABAQUS對地震作用下有抗滑樁邊坡與無抗滑樁邊坡進行對比，結果表明設有抗滑樁的邊坡具有較高的抗震性能。
4 抗滑樁發展趨勢
4.1結構形式發展趨勢
抗滑樁的結構形式發展至今，已從早期的單排抗滑樁，發展出了椅式樁牆、Ⅱ形剛架樁、排架抗滑樁、h型排架抗滑樁、預應力錨索抗滑樁、微型樁群加錨索、底部加設錨桿的抗滑樁等結構形式。
椅式樁牆由內樁、外樁、承台、上牆和拱板共計5部分組成，由拱板支撐樁後滑坡體，並通過內外兩排樁傳遞至錨固層地層。內外兩排樁通過剛性承台組成框架並共同受力，可承受較大彎矩，在軟弱地層尤具優越性。
Ⅱ形剛架樁、排架抗滑樁、h型排架抗滑樁均為內樁受拉、外樁受壓的內力分布模式，每排樁由兩根豎向樁和一根橫樑組成，可承受較大推力。這三種結構形式略有差異，分別適用於不同地質條件。
預應力錨索抗滑樁通過在樁頂附近設置預應力錨索，改變了懸臂的受力狀態，使得抗滑樁受力更為合理。
微型樁群加錨索由預應力錨索、微型樁和L形混凝土壓梁組成，屬於輕型抗滑結構。
底部加設錨桿的抗滑樁在結構分析中可認為樁底為固定端，進而使抗滑樁受力更為合理。
4.2研究發展趨勢
對於抗滑樁的研究發展趨勢如下：
(1) 針對抗滑樁加固滑坡效果的研究方法日漸多樣化。數值分析程序在各類岩土工程問題分析中得到廣泛應用，使得對複雜岩土工程問題的研究變得相對簡單、分析問題也更加深入細緻；監測儀器的研發和改進有利於獲取現場監測數據，而通過監測手段和模型試驗研究抗滑樁加固效果的方法也越來越廣泛被採用，研究結果也更加符合實際工程情況。
(2) 數值模擬方法推動抗滑樁加固滑坡效果的研究。基於有限差分法和有限單元法，在抗滑樁加固滑坡的穩定性評價、樁土相互作用、樁間土拱效應等方面的研究取得大量成果。隨著試驗儀器和測試水平的提升，加之水土耦合理論的發展，更加真實的材料參數及本構模型會被廣泛地應用於抗滑樁數值模擬分析，使得計算結果更為接近實際工程情況。
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