抗滑樁在非滑坡情況下深路塹邊坡預(yù)加固中的應(yīng)用及計(jì)算方法

楊 毅

(中設(shè)設(shè)計(jì)集團(tuán)股份有限公司 南京市 210014)

抗滑樁依靠樁的強(qiáng)度、滑面以下錨固部分樁周巖土的彈性抗力來平衡滑面以上滑體剩余下滑力，使滑坡保持穩(wěn)定[1]。作為一種有效的支擋結(jié)構(gòu)，抗滑樁不僅廣泛應(yīng)用于治理滑坡，在非滑坡情況下邊坡預(yù)加固中也大量應(yīng)用。

以某非滑坡情況下深路塹邊坡預(yù)加固為例，對(duì)抗滑樁及樁間擋土板進(jìn)行內(nèi)力分析，計(jì)算內(nèi)容主要包括抗滑樁樁身彎矩、剪力、位移、橫向壓應(yīng)力以及樁間擋土板的彎矩。同時(shí)，介紹了該深路塹邊坡的設(shè)計(jì)方案，以期為類似工程提供參考。

1 工程背景概況

某項(xiàng)目位于剝蝕丘陵地區(qū)，線路走行于山麓緩坡，較為開闊。丘坡多為林地，低洼處多辟為農(nóng)田。其中DK25+584～DK25+626段路基為深路塹，邊坡最大高度達(dá)29.6m，工程地質(zhì)和水文地質(zhì)條件如下：

(1)地層巖性：丘坡表層為J2+3gjd(侏羅系下統(tǒng)高基坪群第四亞群)凝灰?guī)r，全風(fēng)化，黃褐色，原巖結(jié)構(gòu)、構(gòu)造已基本被破壞，僅具原巖外觀，巖芯呈砂土，局部夾強(qiáng)風(fēng)化碎塊，手掰易碎，厚5.0～30.0m，Ⅲ級(jí)，σ0=200kPa；下伏J2+3gjd凝灰?guī)r，強(qiáng)風(fēng)化，灰褐色，原巖結(jié)構(gòu)大部分被破壞，局部可見凝灰質(zhì)結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖芯破碎，巖芯呈塊狀，塊徑為3～8cm，夾少量短柱狀，巖質(zhì)較軟，錘擊易碎，Ⅳ級(jí)，σ0=350kPa。

(2)地質(zhì)構(gòu)造：地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，地震動(dòng)反應(yīng)譜特征周期為0.35s。

(3)水文地質(zhì)條件：地表水谷地沖溝水，受降雨補(bǔ)給，季節(jié)變化大，較發(fā)育；谷地地下水以孔隙潛水為主，主要接受地表水及大氣降水下滲補(bǔ)給，較發(fā)育；丘坡地下水主要以基巖裂隙水為主，弱發(fā)育。地下水、地表水無侵蝕性。

(4)不良地質(zhì)：該段路基全風(fēng)化層較厚夾強(qiáng)風(fēng)化碎塊，強(qiáng)風(fēng)層極為破碎呈碎塊狀，易風(fēng)蝕剝落。

2 工程設(shè)計(jì)方案

DK25+584～DK25+626段風(fēng)化巖與殘積土層較厚，路塹邊坡最大高度達(dá)29.6m，巖土穩(wěn)定性較差，應(yīng)對(duì)該深路塹邊坡進(jìn)行預(yù)加固設(shè)計(jì)，具體方案如下：

右側(cè)邊坡設(shè)置C35鋼筋混凝土樁板式擋土墻，抗滑樁長14m(錨固段長度8m)，樁間距5m，截面尺寸為2m寬×2.25m厚，抗滑樁樁身采用現(xiàn)場澆注，樁間板采用現(xiàn)場預(yù)制的槽形板(3.4m寬×0.5m高)，支承于樁后；槽形板后頂部以下0.3m和找平層以上0.5m設(shè)與反濾層等厚的C25混凝土防滲層，防滲層之間設(shè)袋裝砂夾卵石反濾層，厚0.3m；抗滑樁孔采用C15鋼筋混凝土護(hù)壁支護(hù)，厚0.2m，分節(jié)高度1.0m；孔口設(shè)置C15鋼筋混凝土鎖口，鎖口高出地面0.2m，厚0.3～0.5m。樁板墻以上一級(jí)邊坡及二級(jí)邊坡采用錨桿框架梁(錨桿長8m)，三級(jí)邊坡采用拱形骨架護(hù)坡，各級(jí)邊坡間設(shè)2m寬平臺(tái)，平臺(tái)上設(shè)置攔水緣(高0.4m寬0.3m)，與平臺(tái)砌筑成整體。

3 內(nèi)力分析

3.1 計(jì)算前提

對(duì)于作用于抗滑樁的力系，應(yīng)計(jì)算滑坡推力、樁前滑體抗力和錨固段地層的抗力。樁側(cè)摩阻力和黏聚力以及樁身重力和樁底反力可不計(jì)算。

滑坡推力：本次抗滑樁是用于非滑坡情況下的邊坡預(yù)加固，作用在樁后的外力是樁后巖土的主動(dòng)土壓力，滑坡推力的分布圖形為三角形[2]。

樁前滑體抗力：本次無樁前滑體抗力。

錨固段地層的抗力：當(dāng)巖土變形在彈性階段時(shí)，可按彈性抗力計(jì)算，視地層為彈性介質(zhì)，彈性抗力等于該地層的地基系數(shù)乘以相應(yīng)的與變形一致的巖土的壓縮變形值[1]。本次采用地基系數(shù)法中的“m法”考慮。抗滑樁樁底支承采用自由端。

3.2 計(jì)算參數(shù)

(1)抗滑樁尺寸

錨固樁長H=14m，其中懸臂段長H1=6m，錨固段長H2=8m；樁間距D=5m；抗滑樁采用矩形截面，寬度b=2m，厚度h=2.25m。

(2)地層參數(shù)

土體重度γ=20kN/m3；土體綜合內(nèi)摩擦角φ=35°；樁背與土體間摩擦角δ=φ/2=17.5°；樁頂塹坡傾角i=arctan(1/1.5)=33.69°；地基系數(shù)m取100 MN/m4[3]。

(3)其它參數(shù)

滑坡推力安全系數(shù)K取1.2；滑面以下樁的正面計(jì)算寬度BP=b+1=3m；樁的鋼筋混凝土彈性模量E=31500MPa；樁的截面慣性矩I=bh3/12=1.9m4。

3.3 內(nèi)力計(jì)算

(1)滑動(dòng)面以上

樁后土壓力強(qiáng)度自樁頂至錨固點(diǎn)呈三角型分布，

錨固點(diǎn)處土壓應(yīng)力p0=KaγH1·cos(δ-α)=60.76kPa；

(2)滑動(dòng)面以下

樁底為自由端，因此，樁底處彎矩MH2=0，剪力QH2=0，位移xH2≠0，轉(zhuǎn)角φH2≠0[1]。

根據(jù)下列公式進(jìn)行計(jì)算：

σy=myxy

式中：xy、φy、My、Qy、σy—計(jì)算點(diǎn)的位移、轉(zhuǎn)角、彎矩、剪力、側(cè)向應(yīng)力；

y—計(jì)算點(diǎn)至錨固點(diǎn)的深度；

Ai、Bi、Ci、Di—隨樁的換算深度(αy)而異的系數(shù)；

M0—錨固點(diǎn)彎矩；

Q0—錨固點(diǎn)剪力。

(3)樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

作用在樁上的荷載寬度按其左右相鄰樁之間距離的一半計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，抗滑樁各位置內(nèi)力如表1所示。

表1 樁身內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果繪制樁身內(nèi)力示意圖如圖2。

分析可知，樁身最大彎矩Mmax=3924.22kN·m，位于距錨固點(diǎn) 2.57m處；最大剪力Qmax=1093.70kN，位于錨固點(diǎn)處。

滑動(dòng)面以下H2/3處，橫向壓應(yīng)力為200.08kPa，樁底處橫向壓應(yīng)力325.51kPa，均滿足相應(yīng)處地基橫向容許承載力的要求。

樁身最大水平位移為5.06mm，位于樁頂處。滿足樁身水平位移不宜大于10mm的要求。

(4)擋土板內(nèi)力計(jì)算

擋土板置于錨固樁之后，擋土板按庫倫主動(dòng)土壓力計(jì)算，錨固點(diǎn)處擋土板的土壓力最大，該處土壓力p0=72.9kPa。

擋土板內(nèi)力按均布荷載計(jì)算，且作用在擋土板上的荷載寬度按板的計(jì)算跨度計(jì)算。因此，單塊擋土板最大彎矩Mmax=113.92kN·m，位于擋土板跨中。

4 抗滑樁及擋土板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

4.1 抗滑樁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

抗滑樁按承載力極限狀態(tài)法進(jìn)行計(jì)算，抗滑樁允許有較大的變形，樁身裂縫超過允許值后，鋼筋的局部銹蝕對(duì)樁的強(qiáng)度不會(huì)有很大的影響，因此，無特殊要求時(shí)，可不做正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算(變形、抗裂、撓度驗(yàn)算)。

抗滑樁結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計(jì)，按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行。建筑結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)采用二級(jí)，結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0=1.0[4]，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG=1.35[5-6]，無可變荷載。因此，抗滑樁的設(shè)計(jì)彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.35×3924.22=5298 kN·m；設(shè)計(jì)剪力Q=γ0γGQmax=1.0×1.35×1093.70=1477kN。

根據(jù)設(shè)計(jì)彎矩進(jìn)行樁的正截面承載力計(jì)算；根據(jù)設(shè)計(jì)剪力進(jìn)行樁的斜截面承載力計(jì)算；根據(jù)彎矩圖進(jìn)行主筋截?cái)嘤?jì)算；根據(jù)剪力圖進(jìn)行箍筋分段計(jì)算。最后，根據(jù)計(jì)算后的鋼筋設(shè)計(jì)面積合理配置鋼筋。

4.2 擋土板結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

擋土板按荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行結(jié)構(gòu)的承載能力設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)的重要性系數(shù)γ0=1.0，永久荷載分項(xiàng)系數(shù)γG=1.35，無可變荷載。因此，擋土板的設(shè)計(jì)彎矩M=γ0γGMmax=1.0×1.35×113.92=154kN·m

擋土槽形板按T形梁進(jìn)行合理的配筋設(shè)計(jì)，并對(duì)擋土板進(jìn)行正常使用極限狀態(tài)驗(yàn)算(變形、抗裂、撓度驗(yàn)算)。

5 路塹高邊坡監(jiān)測

為確保深路塹邊坡的安全穩(wěn)定，應(yīng)對(duì)邊坡進(jìn)行位移和狀態(tài)監(jiān)測。選擇DK25+605右側(cè)邊坡作為路塹邊坡變形監(jiān)測剖面，監(jiān)測內(nèi)容主要包括：

(1)邊坡地表位移監(jiān)測

于路塹側(cè)溝外平臺(tái)、樁頂平臺(tái)、邊坡平臺(tái)以及塹頂外2.0m、10m設(shè)置位移監(jiān)測樁，采用長0.6m的Φ28mm螺紋鋼釬。待路塹開挖至設(shè)計(jì)埋樁位置后，將位移監(jiān)測樁打入至設(shè)計(jì)位置，埋置深度0.5m，樁周上部0.3m用混凝土澆注固定，完成埋設(shè)后采用經(jīng)緯儀或全站儀測量，監(jiān)測施工邊坡狀態(tài)，指導(dǎo)施工。

(2)深部位移監(jiān)測(測斜管)

邊坡成型后，在邊坡平臺(tái)鉆孔(孔徑Φ127mm，豎直孔，孔深應(yīng)至穩(wěn)定地層一定深度內(nèi))，安裝帶導(dǎo)槽的測斜管(Φ71mm)，采用測斜儀精確測量巖土層內(nèi)部水平位移。

(3)支護(hù)結(jié)構(gòu)土壓力監(jiān)測

沿支擋結(jié)構(gòu)深度方向埋設(shè)鋼弦式土壓力盒，監(jiān)測土壓力的大小及變化。土壓力盒數(shù)量不少于3個(gè)。

6 結(jié)語

通過對(duì)抗滑樁的內(nèi)力計(jì)算分析發(fā)現(xiàn)，滑動(dòng)面以下H2/3處樁身彎矩最大；滑動(dòng)面處以及滑動(dòng)面以下2H2/3處樁身剪力最大；樁頂位移最大；樁底以及滑動(dòng)面以下H2/3處橫向壓應(yīng)力最大。

對(duì)于較為破碎、易風(fēng)蝕剝落的深路塹邊坡，邊坡穩(wěn)定性較差，采用抗滑樁進(jìn)行收坡支擋，樁頂各級(jí)邊坡采用錨桿框架梁；并開展路塹高邊坡變形監(jiān)測。該方案對(duì)非滑坡情況下深路塹邊坡進(jìn)行了有效的預(yù)加固，保證了深路塹邊坡的安全性。