理正巖土和FLAC3D在邊坡處治設計計算中的應用

李德心，鄧 宇，程 建

(1.四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院，四川 成都 610017；2.中國科學院成都山地災害與環境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

樁板式擋土墻是由樁和樁間的墻面板組成，樁板承受土壓力作用，將土壓力(土體剩余下滑力)傳遞到地層，靠埋在穩定地層的樁體和樁周巖土體的相互嵌制作用保證結構穩定。西南山區地形復雜，龍門山斷裂帶地震頻發，繼汶川地震、蘆山地震和九寨溝地震后，公路很容易產生路基沉陷和邊坡垮塌。本文采用某工點邊坡處治實例，簡述了預應力錨索樁板式擋墻的設計過程，在用常規軟件理正巖土計算的基礎上，結合采用FLAC3D軟件，對比二者計算結果，論證該方案設計和計算的合理性。

1 工程概況

國道108線K2447+220～K2447+312段路基變形體處位于滎經縣界滎河鄉紅星村楠田壩。路基填筑于斜坡中部，外側為滎河，路基范圍內地層上部為人工填土，其下為碎石質粉質黏土和碎石土，碎石質粉質黏土厚約4.0～5.0 m，碎石土厚約10.0～13.0 m，稍密狀，下伏炭質泥巖、粉砂巖，呈互層構造，巖體較破碎，風化較為嚴重。原公路為填方路堤，最大填方高度約15.0 m，外側采用鐵絲籠擋墻防護，局部已有沉降變形，路面開裂，加之受“4·20”蘆山強烈地震影響，鐵絲籠擋墻已發生鼓脹破壞，路基填筑體局部已失穩，嚴重影響公路的安全運營。

2 設計思路

對邊坡進行穩定性分析。用條分法中的傳遞系數法計算剩余下滑力，即預應力錨索樁板式擋墻所承受的總拉力，初擬樁和錨索的材料、尺寸(截面面積，錨固段長度直徑等參數)，進行內力和變位計算。計算樁的反力將樁簡化為受橫向約束的彈性地基梁，按地基系數法計算錨索拉力及錨固段樁身內力、位移和轉角。懸臂段，按照土壓力和錨索拉力的荷載效應疊加計算內力轉角。校核地基強度，不滿足時調整樁尺寸埋深等參數，按照基本組合計算荷載效應(設計彎矩和設計剪力)，根據錨索樁身彎矩、剪力圖，進行樁身結構配筋設計(在正負最大彎矩處配筋，并在錨固點、錨拉點附近箍筋適當加密)。擋土板設計(因其受力總體而言較小，作為次要因素考慮)和排水設施，按照均布荷載下的簡支梁計算(擋土板的荷載寬度，按照計算板長計算，荷載取最底層擋土板對應的土壓力，按均布荷載分布)。

3 處治方案

擬于現有公路路肩外側18.5 m處，設置預應力錨索樁板式擋土墻，樁身采用矩形(T形)截面樁，樁徑2 m×3 m，樁基嵌入基巖長度≥5 m，錨索采用7φJ15.2鋼絞線，錨固段長10 m，錨索自由段進入基巖長度≥2 m，單孔錨索設計錨固荷載為800 kN。樁身上部設置3個錨索孔(至上而下第三孔為錨索后期預留孔，施工時僅施工上部兩孔錨索)。其立面圖見圖1。

圖1 預應力錨索樁板式擋墻立面圖

3.1 理正巖土計算

3.1.1 邊坡穩定性分析

用條分法中的傳遞系數法計算剩余下滑力，用理正巖土軟件計算剩余下滑力如圖2所示，計算結果：最后一塊土體剩余下滑力為485 kN，下滑力角度為7.362°。

圖2 邊坡計算簡圖

3.1.2 抗滑樁

設置樁長37 m，嵌入深度25 m，樁底邊界條件按自由端考慮，初擬定樁身尺寸為樁寬2 m，樁高3 m，樁間距5 m，樁身內力和變位，按彈性地基梁，地基彈性抗力系數采用m法(認為地基系數是隨深度而變化，比例系數以m表示)，根據撓曲微分方程和樁底約束條件，校核驗算樁位移，樁頂位移應小于樁懸臂端長度的1/100，且<100 mm。

3.1.3 錨索

考慮此段碎石質粉質黏土厚約4～5 m，碎石土厚約10～13 m，稍密狀，下伏炭質泥巖、粉砂巖，巖體較破碎，風化嚴重。選擇用預應力錨索樁板式擋墻，通過錨索施加預應力，能夠主動控制巖土體變形。初步擬定錨索采用7φJ15.2鋼絞線，錨固體直徑150 mm，入射角為18°和25°，錨固段長10 m，錨索自由段進入基巖長度≥2 m，單孔錨索設計錨固荷載為800 kN。

施加預應力主動控制巖土體變形，與巖土體變形后才發揮作用的被動受力結構，比如一般擋墻和抗滑樁有本質區別(二者具體的計算方法見文獻[2])，此工點處治方案設計計算簡圖見圖3。

圖3 預應力錨索樁板式擋墻計算簡圖(單位：m)

第1道錨索水平拉力為886.635 kN，距離樁頂1 m，第2道錨索水平拉力830.038 kN，距離樁頂3 m。

3.2 FLAC3D計算

采用數值模擬軟件FLAC3D5.0構建邊坡模型，從下到上分為粉砂巖、碎石土、粉砂質黏土、雜填土、路基填土五部分，共劃分實體單元19 844個。抗滑樁采用pile結構單元，錨索采用cable結構單元，板墻采用liner結構單元。其中，cable單元與pile單元之間，liner單元與pile單元之間分別建立剛性連接。樁身全長37 m，其中嵌固段25 m，樁身橫截面2 m×3 m，樁間距5 m，在距樁頂1 m處，布置水平入射角18°，全長51 m的錨索，其中錨固段長度10 m，板墻厚0.5 m。模型與結構單元如圖4所示。

圖4 邊坡模型示意圖

邊坡巖土體視為彈塑性模型，服從Mohr-Coulomb屈服強度準則，參照現場地質資料，巖土體計算參數如表1所示。計算結果如圖5～7所示。

圖5 邊坡位移示意圖

圖6 樁體位移示意圖

圖7 樁受剪力示意圖

3.3 對比分析

通過理正巖土計算，樁最大位移18 mm，最大剪力為1 606 kN，最大彎矩為10 456 kN·m，參照2015年《公路路基設計規范》中樁側地基橫向容許承載力的計算公式，滿足土反力小于地基土容許承載力(樁內力計算表略)。FLAC3D計算結果為樁最大位移18.49 mm，最大剪力為1 554.2 kN，最大彎矩為8 132.5 kN·m。二者計算結果基本一致。

3.4 擋土板設計

擋土板按照均布荷載下的簡支梁計算，擋土板的荷載寬度按照計算板長計算，荷載取最底層擋土板對應的土壓力，按均布荷載分布。擬定擋土板預制長度2.9 m，寬度1 m，板厚50 cm，根據2015年《公路路基設計規范》規定其計算跨徑L為：矩形樁L=L0+1.5t，L0為矩形樁間的凈距，t為擋土板的板厚，L為5.75 m，求出板的跨中彎矩設計值和剪力設計值，根據理正巖土計算結果，擋土板內力配筋計算見表2。

3.5 排水

(1)于原公路內側邊坡設兩排仰斜式排水孔，排水孔采用φ90PVC花管，其外圍包裹滲水土工布，排水孔仰角為10°，長度按進入基巖1 m控制，水平間距4 m，豎向間距3 m，呈品字形布置。

(2)公路內側邊溝底部增設縱向片石排水溝1道，并沿路線走向設橫向片石排水溝10道，間距10 m。

(3)于填方路基邊坡設拱形骨架護坡，坡面噴播植草綠化，樁基頂部平臺及樁基外側土體采用30 cm厚M15漿砌片石封面，以防止地表水沖刷及下滲。

4 結語

本文采用山區公路邊坡處治工程實例，介紹了預應力錨索樁板式擋墻的設計過程，配合使用理正巖土和FLAC3D軟件，對比二者計算結果確定該方案的合理性。工程處治方案沒有唯一性，沒有最好，作為設計人員，可以經過方案比選和動態設計，優化調整選擇更合理經濟、實用美觀的處治措施。樁板墻施工簡便，造價相比橋梁費用低，效果比一般擋墻好，其應用會日益廣泛。