錨碇板在高填方邊坡有限空間支護(hù)的應(yīng)用研究

魏海濤 穆偉剛 陳 曦

(中航勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100098)

近年來，我國城市建設(shè)事業(yè)發(fā)展迅速，為了節(jié)約成本、保護(hù)土地資源，建設(shè)場(chǎng)地逐漸由平原地區(qū)轉(zhuǎn)向山區(qū)，但山區(qū)地形地質(zhì)條件復(fù)雜，可建設(shè)利用的平面空間極為有限，常出現(xiàn)大量的填方邊坡。

高填方邊坡回填高度、填方量大，采用單純的懸臂抗滑樁進(jìn)行支護(hù)，由于土壓力大、樁身彎矩大、嵌固深度深，導(dǎo)致樁身截面面積大，材料浪費(fèi)嚴(yán)重。因此錨拉樁支護(hù)成為高邊坡的一個(gè)重要選項(xiàng)。由于普通錨桿(索)在填土中存在施工困難，施工質(zhì)量不易控制、蠕變和耐久性差的特點(diǎn)，因此可以借鑒鐵路支擋工程的做法，在回填土中預(yù)埋錨碇板提供抗力，也能有效降低樁身截面面積[1，2]，為此文章整理了錨碇板容許抗拔力的計(jì)算方法，并通過數(shù)值分析方法研究了錨碇板尺寸、埋置深度與容許抗力的關(guān)系及錨碇板周圍土體破壞形式，通過理論計(jì)算與數(shù)值分析相結(jié)合的方法完成了東龍門溝河道邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)。

1 工程概況

門頭溝區(qū)石泉地塊東龍門溝河道治理，與相鄰建設(shè)場(chǎng)地形成邊坡高差近15 m，邊坡安全等級(jí)為一級(jí)，邊坡類型為挖方與填方組合形式，支護(hù)長度245 m，如圖1所示。

1.1 工程地質(zhì)及水文地質(zhì)條件

1.1.1工程地質(zhì)條件

本工程場(chǎng)地范圍地層情況如下：1)雜填土①層：雜色，稍濕，松散～稍密，主要以煤矸石、碎磚塊和灰渣等為主。2)一般第四紀(jì)坡洪積層：碎石②層：中密，一般粒徑2 cm～4 cm，最大粒徑16 cm，碎石含量約60%～70%，粘性土充填。粘質(zhì)粉土②1層：可塑～硬塑，含少量碎石、角礫。3)侏羅紀(jì)窯坡組：強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖③層，粉砂狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，具有水平層理，呈碎屑狀或碎塊狀，裂隙發(fā)育。中風(fēng)化粉砂巖④層，粉砂狀結(jié)構(gòu)，泥質(zhì)膠結(jié)，具有水平層理，巖芯較破碎。

1.1.2水文地質(zhì)條件

場(chǎng)區(qū)內(nèi)溝渠較多，有利于大氣降水的排泄，水文地質(zhì)條件較簡單。勘察鉆探深度(22 m)范圍內(nèi)未見地下水，根據(jù)區(qū)域資料，擬建場(chǎng)區(qū)的基巖裂隙水位埋深大于50 m。

1.1.3抗震設(shè)防烈度及地震影響基本參數(shù)

判定擬建場(chǎng)區(qū)的抗震設(shè)防烈度為8度，設(shè)計(jì)基本地震加速度值為0.20g。

1.2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)方案

綜合考慮東龍門溝邊坡現(xiàn)場(chǎng)地形地貌、工程地質(zhì)條件，已建及擬建構(gòu)筑物沉降變形要求及數(shù)值分析結(jié)果，經(jīng)過方案比選，東龍門溝邊坡底部挖方區(qū)采用板式樁錨擋墻，上部填方按坡比1∶1.5～1∶2回填，坡面鋪六棱磚護(hù)面，磚內(nèi)裝種植土綠化，局部填方段錨桿無法施工時(shí)，預(yù)埋錨碇板，錨碇板埋置深度3 m～4.5 m，拉桿采用無粘結(jié)鋼絞線，長度12 m，錨碇板與無粘結(jié)鋼絞線連接采用單孔擠壓錨固端固定，經(jīng)過計(jì)算錨碇板容許抗拔力需大于140 kN，整體穩(wěn)定及變形滿足相關(guān)規(guī)范要求。典型剖面設(shè)計(jì)方案詳見圖1。錨碇板尺寸參數(shù)需進(jìn)行專項(xiàng)設(shè)計(jì)。

2 錨碇板容許抗拔力計(jì)算

2.1 錨碇板錨固原理

錨碇板受拉桿牽動(dòng)向前發(fā)生位移時(shí)，錨碇板前方土體受壓縮，提供抗力維持錨碇板的穩(wěn)定。

2.2 錨碇板容許抗拔力計(jì)算方法

影響錨碇板抗拔力因素主要有錨碇板尺寸、錨碇板埋置深度、填土的力學(xué)特性及墻面系的變形情況，目前結(jié)合室內(nèi)試驗(yàn)及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，錨碇板抗拔力計(jì)算方法有三種[3,4]，具體詳見表1。

表1 錨碇板容許抗拔力計(jì)算方法

3 錨碇板受力數(shù)值分析

為了比對(duì)經(jīng)驗(yàn)計(jì)算結(jié)果，采用數(shù)值分析的方法對(duì)不同錨碇板尺寸和埋置深度的影響進(jìn)行分析。

3.1 模型建立及參數(shù)

模擬模型長度30 m，寬度2 m，高度10 m，斜坡自然坡比1∶1.5，斜坡坡高分別為3 m和4 m，斜坡底部土體開挖深度1.5 m，坡底預(yù)留1 m寬的平臺(tái)，模型分析按照錨碇板寬×高×厚=0.5×0.5×0.5，1.0×1.0×0.5，1.5×1.5×0.5三種幾何尺寸，埋深3.0 m,3.5 m,4.0 m，4.5 m進(jìn)行比較。模型共計(jì)34 432個(gè)單元，網(wǎng)格劃分見圖2。

由于本工程填料來源為粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土。計(jì)算參數(shù)均按照壓實(shí)粉質(zhì)粘土、粘質(zhì)粉土考慮。壓實(shí)素填土、粘土粉土老土層分別按照粘聚力20 kPa，25 kPa、內(nèi)摩擦角15°,18°計(jì)算。

錨碇板外側(cè)支點(diǎn)采用剛性襯砌單元模擬，錨索采用無粘結(jié)鋼絞線，全長自由段，錨索端頭采用錨索結(jié)構(gòu)單元節(jié)點(diǎn)與襯砌(Liner)單元節(jié)點(diǎn)剛性連接，錨碇板與錨索為剛性連接。

3.2 模擬模型結(jié)果分析

3.2.1錨碇板周圍土體破壞機(jī)理模擬結(jié)果分析

當(dāng)施加荷載時(shí)，錨碇板前方土體受壓縮產(chǎn)生抗力，隨著荷載的增加，錨碇板前方土體塑性破壞范圍逐漸擴(kuò)大，塑性區(qū)呈喇叭形狀，當(dāng)超過土體抗剪切強(qiáng)度時(shí)，周圍土體受剪破壞，破壞形狀呈圓柱狀，具體如圖3所示。

3.2.2位移荷載關(guān)系

位移荷載關(guān)系如圖4～圖7所示。當(dāng)錨碇板埋置深度相同時(shí)，錨碇板承受縱向土壓力面積越大，位移荷載遞增速率越小，當(dāng)埋置深度d=3 m～3.5 m時(shí)，位移荷載遞增速率受錨碇板尺寸影響較大，當(dāng)埋置深度為d=4 m～4.5 m時(shí)，位移荷載遞增速率受錨碇板尺寸影響較小。

為了減小錨碇板尺寸的影響，并考慮景觀的需求，錨碇板埋深按照4.0 m設(shè)計(jì)。

3.3 錨碇板計(jì)算選定

根據(jù)表2的計(jì)算結(jié)果及1.2節(jié)的要求，本工程錨碇板選用尺寸1.0 m×1.0 m×0.5 m規(guī)格。

表2 錨碇板容許抗拔力計(jì)算值(埋深4 m)

4 結(jié)語

1)錨碇板結(jié)合排樁、擋土板等組合支護(hù)結(jié)構(gòu)，能夠有效的支護(hù)造價(jià)，在類似的填方、半挖半填邊坡中有一定的應(yīng)用前景。

2)從位移荷載關(guān)系曲線可知，在錨碇板尺寸、埋置深度固定前提下，錨碇板位移與荷載呈非線性遞增的關(guān)系。大于一定埋深，錨碇板尺寸對(duì)位移荷載遞增速率影響較小。