公路分級開挖樁板擋墻治理及有限元分析

劉 杰

(中煤科工集團重慶設計研究院，重慶400016)

1 樁板擋墻的特點

樁板式擋土墻至今已在巖土工程領域獲得較快發展，并顯示出其安全可靠、經濟適用等特點，已廣泛應用于鐵路、公路以及其它支擋工程中［1］。樁板式擋土墻是由錨固樁發展而來的，常用于超高的支擋結構，也用于邊坡處理，當路基邊坡采用懸臂式錨固樁支擋時，可采用樁間懸掛板形成樁板墻。樁板墻結構能夠有效地將上部巖土體和下部錨固段連接成一個共同體，將上部變形體的下滑推力傳遞到下部巖體，利用其自身強大抗彎剛度和抵御變形的能力，阻止土體滑動，同時能夠限制上下巖土體變形差異。樁板墻能有效的運用在路塹邊坡的分級開挖之中，分散開挖引起的坡腳應力集中現象［2］。

2 樁板擋墻的計算方法

目前，基于不同的假設條件，不同的理論方法對樁板墻樁身內力和變位、錨固段長度和樁周巖土體被動抗力提出了各自的計算方法。應用比較廣泛的理論方法主要有以下兩種［3］:

(1)靜力平衡法:這種方法假定樁身懸臂段后方巖土體處于被動土壓力狀態，而錨固段樁身前后的巖土體均處于被動土壓力狀態。樁體最小錨固長度可根據水平力平衡方程和對樁底的彎矩平衡方程求解，然后求出樁身各截面的內力。

(2)懸臂樁法:該方法將滑動面以下樁身所承受的樁后巖土體推力和樁前巖土體抗力視為已知外力，并假定兩者的分布形式相同，然后根據滑動面以下巖土體的地基系數計算錨固段的側向應力和樁身內力。

3 工程背景及穩定性計算

某公路在勘察過程中發現基巖埋深平均10m左右，上覆有雜填土及坡積土。在路基開挖過程中，采用分級開挖，依次開挖為2m，4m，4m。其右側發生變形，發現樁板墻后土體開裂，隨即進行穩定性計算與驗算。

3.1 該路塹邊坡影響因素

3.1.1 地形地貌

原地形線路為兩坡谷之間，縱向地形略有起伏，橫向坡角為10°～35°，下伏土與巖層界面傾角10°～25°;開挖回填后(現狀)地面為臺階，回填高度5～15m，地形突變、下伏土與巖層界面傾角局部因開挖擋墻基槽變陡等，是造成土體變形的邊界因素之一。

3.1.2 地表水的滲入

2010年12月1日～6日連續6天降雨，地表水滲入地下填土孔隙，使填土飽水，地下水排泄不暢，場地內軟弱夾層、軟弱土進一步軟化，降低軟弱帶抗剪強度，從而使巖土體失穩產生變形，因強風化基巖極不均勻，裂隙貫通性較差，造成地表裂縫不連續，連續降雨滲入強風化基巖裂隙中對變形體穩定性起決定作用。

3.2 設計參數確定

雜填土:天然重度19.50 kN/m3，飽和重度21.00 kN/m3。弱風化砂巖:天然重度 25.37 kN/m3，飽和重度 25.47 kN/m3。滑面抗剪強度變形體處于蠕滑階段，取穩定性系數Fs=1.07～1.08進行反算。巖石水平抗力系數:200 MN/m3內力計算時，滑坡推力、庫侖土壓力分項(安全)系數=1.20。

對下滑力計算安全系數的說明:《公路路基設計規范》(JTG D30－2004)滑坡地段路基滑坡穩定性評價中規定，驗算時高速公路安全系數采用1.20～1.30，考慮地震力、多年暴雨的附加作用影響時，安全系數可適當折減0.05～0.1。

根據處治措施計算出支擋結構處的滑坡推力見表1所示。

綜合考慮現場地形、地貌、工程地質及水文地質條件、施工現場的具體情況，該段路塹采用人工挖孔抗滑樁+分級開挖擋板支護+護坡綜合處治［4］、［5］。

抗滑樁樁徑1.6m×2.0m，樁長15m，樁頂標高與出洞口C25鋼筋混凝土頂標高齊平;樁必須采用人工開挖，禁止放炮，并且須全樁護壁。樁間距6.0m，樁頂標高與原始地面齊平，樁間設置C30混凝土擋板，擋板尺寸為5.2m×0.6m×0.32m、4.7m×0.6m×0.32m，板后設置厚2m滲水性強的砂礫、碎(礫)石、級配碎石材料，抗滑樁外側設置排水溝。

樁的長度根據現場地質情況應作調整，保證樁的錨固段須置于完整基巖面、根據勘察報告確定的可能的滑面下占樁長的1/3～2/5，且抗滑樁錨固段不小于4m、位于軟弱夾層標高下不小于4m。

4 開挖及抗滑樁支擋有限元分析

該路塹開挖過程中是采用的樁板支檔結構，對分級開挖穩定性起決定作用的是抗滑樁的設計參數，而且本文采用的是二維平面應變模擬，依據抗滑樁的影響范圍，以道路中線為邊界，選取道路右邊坡進行模擬分析，模型長18m，高15m，抗滑樁嵌入基巖5m，樁底固定端約束，依據實際的三步開挖，依次開挖2m，4m，4m。設置抗滑樁，樁長15m，樁截面尺寸為1.6m×2m，受荷段和錨固段長分別為10m和5m，計算參數選取如表2所示。

表2 模型參數

采用Plane42平面單元來模擬巖土體，鋼筋混凝土抗滑樁采用Beam3單元。材料本構模型時采用DP模型。計算工況主要為三級開挖及各級開挖下的樁后土體水平位移及塑性應變，分別如圖1～圖4所示。

圖1 第一步開挖土體x位移

圖2 第二步開挖土體x位移

圖3 第三步開挖土體x位移

圖4 第三步開挖后土體塑性應變

表1 支擋結構下滑力

可見采用人工挖孔抗滑樁后，達到開挖路基表面時，樁后巖土體內的塑性區擴展是懸臂段樁長的1/3左右，說明樁板擋墻支擋是安全的，滿足規范的要求，該設計能有效阻擋坡體變形，保證工程安全。

5 小結

本文通過對樁板擋墻在工程中的應用的總結以及在公路開挖中的運用做了分析計算和有限元模擬，可以得出以下結論:

(1)樁板墻能有效的運用在路塹邊坡的分級開挖之中，分散開挖引起的坡腳應力集中現象和減小上部拉應力，避免巖土體，因過大的應力集中而導致塑性破壞。

(2)抗滑樁施工工程量小，針對于下滑推力比較大、滑動帶較深時，支擋更加有力，樁位設置靈活，可以單獨使用，也可與其他支擋結構聯合使用。

(3)間隔開挖樁孔，減小對坡體狀態的擾動，利于整治正在活動中的滑坡，利于搶修工程。

(4)采用二維有限元對開挖坡體和抗滑樁支擋模擬能進一步驗證該支擋結構的安全穩定性。

［1］ 羅一農．抗滑樁設計中幾個問題的商榷［J］．路基工程，1997(2)

［2］ 熊治文．深埋式抗滑樁的受力分布規律［J］．中國鐵道科學，2000，21(1):48－56

［3］ 李敏．邊坡支擋結構的長期穩定性分析方法探討［J］．路基工程，2006(2)

［4］ 馬惠民，王恭先，周培德．山區高速公路高邊坡病害防治實例［M］．北京:人民交通出版社，2006

［5］ 黃志全．邊坡工程非線性理論及其應用［M］．河南:黃河水利出版社，2005