某高速公路預應力錨索樁板墻分工況動態設計

王 宇

(中國鐵道科學研究院，北京 100081)

預應力錨索樁板墻是在擋土墻、普通抗滑樁、預應力錨索抗滑樁的基礎上發展起來的一種支擋結構，在高填方路堤加固中應用較廣泛。它由樁、板、錨索三部分構成，由樁板結構、預應力錨索、錨固地層三者共同承擔外力作用。

目前，許多學者對此種結構進行了研究與探索。主要包括4個方面:墻后填土壓力的分布及大小、樁板設計計算方法、錨索拉力大小及錨索位置的確定和施工工藝［1-5］。預應力錨索樁板墻結構可分為路堤式和路塹式。路堤式樁板墻有一個重要特性，即樁結構施工完成后，再進行填土，作用于樁板結構上的土壓力并不是恒值，而是逐漸增大的。路堤式預應力錨索樁板墻的施工工序可簡述為:樁結構施工→板施工、分層填土→施加錨索力→填土→通車。在以往的設計中，一般將填土至路面高程時的狀態視為最不利狀態進行設計，并沒有考慮施工工序對結構設計的影響。本文對一個已實施的設計實例進行分工況動態設計分析。

1 工點概況

某高速公路K213+848—K214+060段滑坡區內，地層主要為第四系全新統崩坡積低液限黏土(Qcol+dl4)，下伏基巖為侏羅系中統沙溪廟組(Js2)的砂巖和泥巖。1#老滑坡沿線路寬約110 m，長約106 m，坡面平均坡度為27°，后緣位于線路下方，前緣出口位于沖溝底部，滑體厚度為3.0～12.5 m，平均厚度為8.0 m，主滑方向為SW53°，處于蠕動階段。D8樁截面2 m×3 m，樁長35 m，錨固段12 m，懸臂段23 m，采用C30混凝土澆筑。布設4孔錨索，每孔錨索由10根φs15.2 mm的高強度、低松弛的1 860級鋼絞線組成，上排錨索長31 m，下排錨索長27 m，錨固段均為10 m。上排錨索距樁頂4 m，下排錨索距上排錨索4 m。斷面形式如圖1。

圖1 原設計斷面(單位:m)

2 預應力錨索樁板墻計算分析

2.1 預應力錨索樁板墻施工工況設置

錨索樁板墻施工順序為:施工抗滑樁→現澆擋土板(可按高2 m為一節)或安裝預制擋板→樁后夯填土至下排錨索設計高程以上2 m→下排錨索施工→錨索張拉至設計荷載的75%→填土至上排錨索設計高程以上2 m→上排、下排錨索張拉至設計荷載→填土至路面設計高程。

根據上述施工工序以及監測資料將D8樁受力狀態優化并簡化為5種工況(圖2):

工況1—填土至下排錨索設計高程以上2 m;

圖2 各工況樁受力示意(單位:m)

工況2—張拉下排錨索至設計荷載75%;

工況3—繼續填土至上排錨索設計高程以上2 m;

工況4—張拉上排及下排錨索至設計荷載;

最終工況—填土至路面高程，通車。

2.2 計算前的幾點說明

1)預應力錨索樁板墻支擋結構由于錨索的作用，限制了樁、板及填土的位移，使作用于樁、板上的土壓力大于庫倫主動土壓力，因此需對庫倫主動土壓力進行修正。本文中結構承受的土側壓力取1.4倍庫倫主動土壓力與滑坡推力中的大值。

2)進行樁計算時，樁按剛性樁考慮。

3)將錨索拉力作為外力荷載。

4)通車后的車輛附加荷載強度按《公路路基設計規范》(JTG D30—2004)規定，換算成等代均布土層厚度。

5)錨固段長度、截面大小與錨索力大小與原設計相同。

2.3 計算步驟

按照上述工況，分工況進行計算。工況1填土頂面距滑面距離為h1，計算1.4倍主動土壓力與滑坡推力，取二者中的大值E1，進行樁內力計算。工況2在(h1－2 m)處施加錨索力75%P1(設計拉力的75%)，進行樁內力計算。工況3繼續填土至h2，樁后填土荷載為E2，進行計算。工況4在(h2－2 m)處施加錨索力P2(設計拉力的100%，此時下排錨索也張拉至設計拉力的100%)，進行計算。工況5填土至設計高程，并施加車輛荷載q，樁后荷載為E3，進行計算。

h1與h2為變量，本文中擬定16 m≤h1≤23 m，19 m≤h2≤23 m。當h1＜16 m時，樁身彎矩較小，不需施加錨索。預應力錨索是群錨機制，錨索的間距不宜過大。但錨索間距太小時(受群錨效應的影響，單根錨索承載力降低，故錨索間距宜＞1.5 m或5倍孔徑，即3～6 m。故h2－h1應＞3 m。因h1與h2的不同，E1和E2也不同。

2.4 計算結果分析

2.4.1 樁上設置一排錨索時的樁內力變化

先討論樁上僅設置一排錨索的情況。隨各工況的進行，樁內力也在發生變化。圖3為h1為22 m及23 m時，工況1、工況2及最終工況樁身受力情況。圖4為h1=16～23 m時，樁身最大彎矩隨填土高度增加而變化的情況。在此只討論樁身受力變化規律，暫不考慮能否滿足結構設計的要求。

1)由圖4可以看出，隨著填土高度的增加，樁身最大彎矩增加。

2)由圖3、圖4都可以看出，施加錨索拉力可顯著減小樁身彎矩。

3)由圖4可以看出，同樣大小的錨索拉力，越靠近樁頭，樁身彎矩減小得越大。

圖3 h1=22 m，23 m各工況樁身彎矩

圖4 樁身最大彎矩隨填土高度增加而變化

4)并不是錨索越靠近樁頭效果越好。從圖4可以看出:h1=21 m的情況，樁身最大彎矩為85 709 kN·m，出現在填土高度為23 m時(最終工況);h1=23 m的情況，樁身最大彎矩為114 281 kN·m，出現在填土高度23 m且未施加錨索力時。顯然，h1=21 m的情況比h1=22 m(23 m)的情況更好。由此可知，及早施加錨索力，可使樁身彎矩得到良好的控制。

5)最不利工況并不一定出現在最終工況。從圖3可看出:h1=22 m時，工況1的最大彎矩為91 551 kN·m，而最終工況的樁身最大彎矩為84 178 kN·m;h1=23 m時，工況1的最大彎矩為114 281 kN·m，而最終工況的樁身最大彎矩為82 273 kN·m。

及早施加錨索拉力可使樁身彎矩得到較好的控制，越晚施加錨索拉力其產生的反向彎矩越大，但是過早或過晚施加錨索拉力都不能使錨索產生的有利作用發揮到最佳。布設兩排錨索時，可根據上述分析，使兩排錨索合理配合，將錨索有利作用發揮到最佳。

2.4.2 樁上設置兩排錨索時的樁內力變化

樁上布設兩排錨索時，需要進行兩排錨索位置的組合。16 m≤h1≤23 m，19 m≤h2≤23 m，3 m≤h2－h1≤6 m，h1，h2取整數，共有15種組合。經內力計算，選取能滿足結構設計的最佳的三個組合:h1=16 m，h2=20 m;h1=17 m，h2=21 m;h1=18 m，h2=21 m。圖5為這三種組合中的兩種各工況及最終工況樁身受力情況。

圖5 兩排索各工況樁身彎矩

計算結果分析:

1)兩排錨索的配合設置可將樁身最大彎矩控制在一定范圍內。

2)最大彎矩不一定發生在最終工況。h1=16 m，h2=20 m時各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為38 071 kN·m;工況2為16 779 kN·m;工況3為47 375 kN·m;工況4為10 092 kN·m;最終工況為53 260 kN·m。最大彎矩出現在最終工況。

h1=17 m，h2=21 m時各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為46 370 kN·m;工況2為23 196 kN·m;工況3為54 894 kN·m;工況4為15 039 kN·m;最終工況為49 837 kN·m。最大彎矩出現在工況3。

h1=18 m，h2=21 m時(圖略)各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為53 750 kN·m;工況2為28 668 kN·m;工況3為53 278 kN·m;工況4 為13 514 kN·m;最終工況為47 960 kN·m。最大彎矩出現在工況1。

3)h1=17 m，h2=21 m 及 h1=18 m，h2=21 m 這兩種組合，最終工況的樁身彎矩比最大彎矩小，而結構設計時以最大彎矩作為控制因素，因此這兩種組合在通車之后還有一定的富余承載空間。

3 結論

1)高路堤預應力錨索樁板墻施工過程中，路堤填土的填筑并不是一填到頂，而是分層填筑碾壓，與錨索的施工相互配合。因此在路堤式預應力錨索樁板墻設計時，應分工況進行計算。如果僅考慮最終工況，可能會造成安全度設計的不足;如設計時將填土到頂而未施加錨索的情況視為最不利工況進行計算，又勢必造成設計的浪費。因此對這種路堤填方外擋結構進行設計時，應注意隨工況變化進行動態設計或分工況進行檢算。

2)錨索力并不是以施加在樁頭為最佳，因為在填土到頂而未施加錨索力時，樁身結構可能先發生破壞。

3)及時施加錨索拉力可以使樁身彎矩得到良好的控制，但是過早施加錨索力，不能使錨索力對樁結構的有利作用發揮到最佳。

文中未考慮填土碾壓時的機械荷載，以及樁身位移引起的錨索拉力的變化。

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