某錨索抗滑樁板墻工程補強措施及負效應初探

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

某錨索抗滑樁板墻工程補強措施及負效應初探

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

介紹了高填方邊坡治理工程補強措施，針對補強措施的負效應問題進行了力學分析，從巖土及工程力學角度探討了負效應產生的原因，并就構件安全性及負效應的控制問題提出了個人見解。

錨索;抗滑樁板墻;應力;彎矩;樁身配筋;負效應

在巖土治理工程中，由于設計、施工或地質原因，有時可能會出現一些事先預想不到的情況，其結果可能使治理工程結構物出現異常，如支擋結構變形過大、構造物開裂甚至損傷等。此時需要工程參與者尤其是工程技術人員盡快查明原因，找出對策，及時調整設計或進行設計變更，以遏制不利情況繼續發展。筆者在主持某重要工程過程中，親歷了這種情況，在此作簡要總結介紹，供同行參考。

1 工程概況

某工程建設于高差達140余米的斜坡場地上，場地平整平分為5個挖、填方主平臺進行工程建設。其中，進場道路由斜坡填方后形成，路面標高1718～1742 m，填土高度13～35 m。由于用地限制，最終將形成下邊坡直立段高度為8～19 m、最大高度達35 m的填方高邊坡。

填方邊坡治理采用錨索抗滑樁板墻（如圖1）。2007年3月底開工，同年7月因故停工，2008年6月6日復工。由于工期要求緊，邊坡工程施工必須在雨季進行。錨索抗滑樁板墻后為高填方區，由于填方速度過快，加之工程所在區域內可就近采用的標準填料缺乏，高填方所用填料為挖方區中的較大石灰巖塊石、紅粘土及其土夾石、玄武巖風化土及其土夾石，填料均勻性、含水量以及填筑分層厚度及壓實度都難以按設計要求進行控制。同時，由于追求工期，造成填方進度快于樁上錨索進度，錨索尚未完全施工完成，填土高度就達到了抗滑樁樁頂以上。上述不利因素導致了填土形成的實際土壓力遠大于原設計土壓力，施工填土到樁頂后，在墻背土壓力作用下，樁體向外側位移變形，樁頂最大位移達到了150 mm以上，同時，下部的樁間擋土板上也出現了細微的縱向裂紋。

圖1 錨索抗滑樁板墻剖面圖（原設計）

2 補強措施

2.1 思路

為遏制變形加劇，保證填土高邊坡整體安全穩定，保證支護結構構造物不被破壞，針對上述情況召開了專題會議，討論對策措施。圍繞以減小施加到抗滑樁上的填土壓力為主要目的，采取了在樁間擋土板上實施錨索肋梁的補強措施（如圖2、圖3）。目的之一是讓樁間擋土板分擔作用于樁上土壓力，目的之二是同時增強擋土板抵抗變形的能力。

圖2 樁間板上補強錨索剖面圖（變更設計）

圖3 樁間板上補強錨索設計立面圖（局部）

2.2 實施

方案確定以后，即按照變更設計進行了補強措施的實施。為了克服群錨效應并獲得較大錨固力，增加了錨固段的入巖深度;根據樁后填土較疏松的情況，錨索注漿時采取盡量多注和二次注漿的辦法，以達到固結孔周范圍填土提高填土強度的目的;錨索自上而下逐排施工，部分地段地下水較豐富，風動成孔難度大，在成孔工藝和注漿方面進行了改進，采用了二次注漿。補強錨索設計錨固力為750 kN。

另外，受征地范圍限制，距抗滑樁腳外不遠（較近者只有3～4 m）有一高5 m左右的土質陡坡，為防止被動區邊坡變形帶來的不利影響，在被動區較薄弱段的樁腳設置了一排錨索橫梁鎖腳，錨索設計錨固力1000 kN。

2.3 負效應問題

補強錨索張拉以后，在抗滑樁的外側面離地面1～2 m的范圍出現了1～2條細微的平向裂紋，裂紋一般比發絲稍粗，最寬者也不足0.3 mm。補強加固措施引起樁體產生反向受力裂紋，這種異常現象是始料未及的，這就是所謂的采取補強措施后引起的負效應問題。

3 原因分析

3.1 應力核算

3.1.1 補強加固前的應力核算

以填方坡總高度41 m、抗滑樁出露高度17 m段為例。

（1）按較松散填土的滑坡推力核算，樁后剩余下滑力為1997 kN/m，背側最大彎矩78032 kN·m，深度位于距樁頂20 m處，最大剪力13422 kN，距樁頂25 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為864、879、872、844 kN，樁身配筋之面側縱筋需滿足最小配筋率要求，為10000 mm2，背側縱筋最大配筋面積為141234 mm2（相當于17632），配筋率達2.82%，出現抗彎拉筋超筋情況，且理論計算樁頂最大位移可達299 mm之多，如圖4、圖5所示。

圖4 加固前滑坡推力作用情況下樁身內力計算結果

圖5 加固前庫侖土壓力（一般情況）作用情況下樁身內力計算結果

（2）按庫侖土壓力核算，Ea=1966 kN/m，Ex=1899 kN/m，Ey=509 kN/m，作用點高度Zy=6.3 m，第一破裂角為43.77°。背側最大彎矩55246 kN·m，深度位于距樁頂20.5 m處，面側最大彎矩1401 kN·m，距樁頂5.5 m，最大剪力9966 kN，距樁頂25.5 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為 737、751、751、737 kN，樁身配筋之面側縱筋最大配筋面積為10725 mm2（相當于1432），背側縱筋最大配筋面積為87693 mm2（相當于10932），樁頂最大位移可達205 mm，如圖6所示。

圖6 加固前計算模型及庫侖土壓力力系

核算結果顯示，錨索錨固力、樁身配筋以及樁頂位移都大于原設計，滿足不了設計要求。

3.1.2 補強加固后的應力核算

（1）補強加固措施:在樁間擋土板上補加預應力錨索肋梁，使之與擋土板協同工作成為主動承力結構，分擔作用于錨索抗滑樁上的土壓力。設計錨索軸向拉力為750 kN，共設5道。

（2）設定補強錨索與原設計錨索抗滑樁共同分擔土壓力，補強后，按滑坡推力核算，作用于抗滑樁上的樁后剩余下滑力為1347 kN/m，背側最大彎矩46501 kN·m，距樁頂20 m，最大剪力8046 kN，距樁頂25 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為 700、706、702、686 kN，樁身配筋之面側縱筋需滿足最小配筋率要求，為10000 mm2，背側縱筋最大配筋面積為70921 mm2（相當于8832），理論最大樁頂位移可達178 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 加固前滑坡推力作用情況下樁身內力計算結果

圖8 加固前庫侖土壓力（一般情況）作用情況下樁身內力計算結果

（3）按相當庫侖土壓力水平核算（相當于墻背填土內摩擦角34°），Ea=1346 kN/m，Ex=1300 kN/m，Ey=348 kN/m，作用點高度Zy=5.9 m，第一破裂角為38.94°。背側最大彎矩29914 kN·m，距樁頂21 m，面側最大彎矩2459 kN·m，距樁頂8 m，最大剪力5555 kN，距樁頂25.5 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為603、612、613、608（相當于軸向拉力750 kN左右），樁身配筋之面側縱筋最大配筋面積為10725 mm2，背側縱筋最大配筋面積為42291 mm2（相當于5332），樁頂最大位移為109 mm，如圖9所示。

圖9 加固后計算模型及庫侖土壓力力系圖

采取補強措施后，主要指標核算結果與原設計水平接近。

3.2 應力分析

從前述核算結果看，實際填土產生的應力水平遠遠高于原設計，所以樁后填土高度達到樁頂后，樁頂即產生了較大位移。補強錨索施工后，錨索抗滑樁恢復到正常工作應力水平。嚴格地講，由于填土尚未達到設計填筑高度，而補強錨索已張拉到設計值，所以，作用于抗滑樁上的土壓力實際上比按填土終了狀態計算的土壓力要小，也就是說錨索的拉力要大大高于此階段填土的主動土壓力。因此，非但抗滑樁的位移停止，而且為其向填土側位移創造了可能性，即抗滑樁可能產生所謂的“后仰”。

3.3 抗滑樁外側微裂紋產生原因分析

3.3.1 樁身配筋

我們知道，抗滑樁是一個受彎構件，當鋼筋的配筋率等于一定值的時候，受彎構件的破壞介于塑性破壞和脆性破壞之間，呈現出界限破壞。鋼筋砼梁的配筋狀況有3種:一種是適筋梁，超過設計年限可能會破壞，這是最好的;另一種是超筋梁，鋼筋配置量過大，導致中性軸過高，混凝土承受壓力過大，混凝土先破壞，超筋破壞是在鋼筋受拉屈服前，混凝土先被壓碎，屬于脆性破壞;再就是少筋梁，鋼筋配置過小，鋼筋承受不了拉力，鋼筋先破壞，危險。所以設計中規定了鋼筋混凝土結構構件中縱向受力鋼筋的最大配筋率（2.5%）和最小配筋率（0.2%）。最小配筋率確定的理論原則應該是受彎構件的第一階段末，即截面受拉區砼開裂臨界狀態，此時的配筋應能承擔砼開裂后轉嫁的全部拉應力，當配筋率很小，受拉區開裂后，應力趨近于屈服強度，控制最小配筋率是防止構件發生少筋破壞，是保證梁不會在混凝土受拉區剛開裂時鋼筋就屈服甚至被拉斷。少筋破壞也是脆性破壞，設計時應當避免。

按原設計，本工程抗滑樁面側配筋只需滿足縱向受力鋼筋的最小配筋率即可，計算值為10000 mm2（相當于1332）。補強后，核算所得的配筋面積有所增加，為10725 mm2（相當于1432）。原設計面側配筋為1032，未滿足最小配筋率要求，補強后，面側配筋更顯不足。

3.3.2 樁身受力狀況的改變

未補強加固前，樁上錨索按原設計施工完成并張拉鎖定，由于樁后土壓力大于樁錨體系的抵抗力，抗滑樁產生向外傾斜變形，其應力水平應是處在高于原設計的狀態，樁背側彎矩很大，錨索也處于超張拉狀態。補強錨索實施后，土壓力的分配重新調整，為樁和樁間板共同承擔，這就意味著作用于樁上的土壓力減小，樁上錨索漸趨正常張拉狀態，且此時的拉力水平要比主動土壓力高，抗滑樁面側彎矩（反彎矩）有所增加，抗滑樁外側配筋需求也就隨之增加。

3.3.3 下部填土的支點作用

為處理坡角松軟土及實施樁后反濾層，加之初期填土的無序性，下部回填了大量的灰巖塊石和片石，再加上錨索注漿時有一定的膠結作用，便形成了難以壓縮的硬層，在嵌固段和錨索之間形成剛性支點，當錨索拉力使抗滑樁向填土方向移動時，支點段受彎明顯，在這種情形下，更易產生拉張裂紋（如圖10所示）。

綜上所述，抗滑樁微裂紋的產生是實施補強措施后應力重新調整的結果，主要原因之一是抗滑樁面側配筋不足。

圖10 抗滑樁構件受力示意

4 補強效果及抗滑樁使用功能的基本判斷

4.1 補強效果的分析

采用錨索補強后，經監測，抗滑樁停止變形并有反向位移的趨勢。從樁外側出現的裂紋也印證了作用于樁上的土壓力明顯減小，施加于樁間擋土板上的錨索很好地起到了分擔土壓力的預期作用，確保了高填方邊坡的穩定，達到了預期補強加固效果。

4.2 抗滑樁使用功能的判斷

抗滑樁的反向裂紋產生于補強錨索施工張拉期間，也就是在填土壓力重新分配而達到新的平衡的過程中。經觀察，張拉結束后，裂紋沒有繼續發展。就裂紋本身而言，其非常細微，且開裂深度很淺（10～20 mm），對2 m×2.5 m截面的抗滑樁而言，不至于引起抗滑樁結構性損傷（包括鋼筋損傷），因此，抗滑樁使用功能不受根本性影響。但裂紋可能會影響面層鋼筋的防銹蝕功能，需適當采取防止雨水沿裂紋產生滲透的措施。

5 結語

通過本項目的實施，總結經驗教訓主要有如下幾方面。

（1）支擋結構后側填土是確保填方邊坡安全穩定的重要環節，而工程實施中，由于追求工期和認識上的不足，其實施質量往往容易被忽視，要么是填土速度快于支擋結構物施工速度，要么是填料選擇隨意，要么是分層填筑及壓實達不到要求，結果留下安全隱患。注重施工細節，合理安排施工工序，嚴格控制填土質量，使之達到設計要求，方能保證治理工程達到預期的安全目的。

（2）出現問題需認真分析，找準原因，以便合理采取對策措施。本工程以調整土壓力分布為解決問題的突破口，合理利用樁間擋土板，通過補加錨索使其由傳力結構變為主動承力結構，分擔作用于抗滑樁上的土壓力，有效地解決了抗滑樁承擔的土壓力過大的問題。

（3）構件的配筋應根據力學計算而定，不超筋，更不能少筋。

（4）一個合理的補強措施，應充分預見實施中可能出現的各種情況，支擋結構物的力學分析計算很重要，否則，很可能會出現顧此失彼甚至矯枉過正的問題。例如本工程補強加固實施中出現的負效應就是事先沒有預料到的，如果之前加以分析，就可以從補強錨索的分布或錨索鎖定力的循序漸進等方面進行控制，使抗滑樁的應力分配更加合理，從而避免負效應的發生。

（5）補強加固是在填土尚未達到設計標高的情況下一次完成的，由于此時的土壓力小于填土終了狀態的土壓力，為樁向填土側移動創造了可能，抗滑樁面側彎矩可能會更大。因此，合理控制補強進程也是很有必要的。

［1］ GBJ 10-89，混凝土結構設計規范［S］.

［2］ GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術規范［S］.

［3］ 劉國彬，王衛東.基坑工程手冊（第二版）［M］.北京:中國建筑工業出版社，2009.

［4］ 林宗元.巖土工程治理手冊［M］.北京:中國建筑工業出版社，2005.

注:本文還參考了《富民水泥廠邊坡治理施工圖設計》（徐國民、李四全等，西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司）和《富民水泥廠進場公路下邊坡錨索抗菌素滑樁補強變更設計》（徐國民、王明龍等，西南有色昆明勘測設計〈院〉股份有限公司）。

Discussion of Reinforcement Meassures for Anti-sliding Anchor Pile-plank Wall and Negative Effects

/HE Shuquan，XU Guo-min（Southwest Non-ferrous Kunming Investigation and Design〈Institute〉Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650051，China）

The paper introduced reinforcement measures for high fill slope control project.According to the negative effects of reinforcement measures，mechanical analysis was made;the causes of negative effects were discussed in geotechnical and engineering mechanics，the personal views on components safety and negative effects control were put forward.

anchor;anti-sliding pile-plank wall;stress;bending moment;reinforcement for piles;negative effect

TU757

A

1672-7428（2012）09-0075-05

2012-03-19

和曙泉（1969-），男（納西族），云南麗江人，西南有色昆明勘測設計（院）股份有限公司高級工程師、注冊一級建造師，地質學專業，從事巖土工程勘察、設計、施工技術與管理工作，云南省昆明市東風東路東風巷29號，hsqcmh@163.com。