錨索抗滑樁在道路邊坡防護中的應用

謝東

（中國市政工程中南市政設計研究總院有限公司，湖北 武漢430000）

1 工程概況

北江濱路與二環路位于福州市永泰縣，根據道路工程規劃，北江濱路、二環路、馬洋橋呈十字交叉，在該交叉口西北側有一座古建筑立雪書院，立雪書院的“立雪”出于宋游酢與楊時尊師的“程門立雪”典故。由書畫家、收藏家、壽山石案頭摩崖石刻創始人游嘉瑞先生創辦，位于福州永泰城關風景優美的大樟溪畔，龍峰山上，占地2 000多平方米，該建筑歷史悠久，無法拆遷。北江濱路與二環路交叉口改造范圍見圖1。

圖1 道路交叉口改造范圍

其中北江濱路為舊路改造，現狀為二級公路省道203，東西走向，現狀路面寬12 m，瀝青路面結構，雙向兩車道；該路按城市主干路設計，設計使用年限為15 a，道路交通量飽和狀態設計年限為2 0 a。二環路為新建城市主干路，道路寬30 m瀝青路面結構，雙向四車道，設計速度為50 km/h。

按四階段法對北江濱路進行交通量預測分析及通行能力計算，至交通量飽和設計年末，該道路高峰小時交通量預測結果為907 pcu/h。參照美國道路通行能力手冊中服務水平分級表，北江濱路按雙向四車道考慮時，飽和設計年末交通量飽和度為907/1463=0.62，可維持C級服務水平，交通量為穩定車流，有一定延誤。

根據《城市道路交叉口設計規程》（CJJ 152—2010），主干路與主干路平面交叉類型采用平A1型，交通信號控制，進口道需展寬交叉口。二環路進口道和北江濱路出口道分別展寬一個車道后，道路紅線進入立雪書院房屋基礎范圍，需對該范圍內基礎進行邊坡防護（見圖2）。

圖2 交叉口平面布置圖

2 建設條件

根據現場調查和鉆探孔及槽探孔揭露，立雪書院所在場地地層主要為：素填土、全風化凝灰熔巖、散體狀強風化凝灰熔巖、碎塊狀強風化凝灰熔巖、中風化凝灰熔巖。場地地震動峰值加速度為0.05g，反應譜特征周期為0.45 s，場地抗震設防烈度為6度，設計地震分組為第三組，擬建場地無活動構造帶通過，場地附近不具備發生強震條件。

擬建道路沿線屬殘丘坡地及山間凹地，自然斜坡現狀穩定，在今后建設中路基段兩側將形成挖方邊坡，該邊坡潛在引發滑坡、崩塌等地質災害，應采取必要的支護措施，綜合判定場地穩定性較差。

本道路交叉口路面設計標高為41～42 m，邊坡坡頂標高為50～52 m，邊坡高差為8～10 m。

3 邊坡支護方案

邊坡防護采用預應力錨索抗滑樁支護，該方案一般適用于巖質滑床，主要由抗滑樁和預應力錨索組成樁—錨支擋體系，共同抵御滑坡體下滑，錨索應錨固于穩定的巖層中。這種方法已經在道路水利等邊坡治理工程領域得到廣泛使用。

和普通的抗滑樁受力狀態不同，它通過在樁頂施加一個拉力，改變普通抗滑樁的懸臂受狀態，受力更加合理，是一種主動抗滑結構，其基本的力學模式可以等價為簡支梁或者其他超靜定結構，具有樁身彎矩小，剪力相對小，樁身截面尺寸及配筋合理等特點。

本工程為保障立雪書院結構基礎的穩定性，初步考慮抗滑樁施工方案先開挖樁頂土石方,形成工作面，然后開挖基坑，灌注樁身，待樁身混凝土強度達到設計要求的75%，再開挖樁前土石方。考慮到本工程施工條件較差，推薦采用水磨鉆法挖孔施工，抗滑樁按跳樁開挖基坑，基坑護壁采用鋼套筒，鋼套筒直徑1.3 m，

壁厚12 mm，樁身混凝土的強度等級為C35。對于有滑動跡象、順層、滑坡段或需快速施工時，宜采用速凝或早強混凝土，樁與樁之間設置軟式透水管。樁頂冠梁處通長設砂夾卵石反濾層,反濾層厚度為0.3 m，反濾層下部設置夯填黏土防滲層。抗滑樁斷面布置見圖3。

圖3 錨索抗滑樁斷面布置圖

4 錨索抗滑樁設計與計算

抗滑樁設計的原則是，選擇在滑坡厚度小，推力小，錨固段地基承載力高，利于抗滑的地段，樁的平面布置、樁間距、樁的錨固長度、截面形狀和尺寸都應綜合考慮確定。抗滑樁設計應根據施工現場實際地質條件及邊坡變形監測信息，動態的校核與完善設計。預應力錨索抗滑樁的計算包含抗滑樁樁身內力的計算和錨索的拉力計算兩部分，錨索抗滑樁計算模型見圖4。

圖4 錨索抗滑樁計算模型示意圖

預應力錨索抗滑樁的受力過程可以分為兩部分：第一階段，抗滑樁施工完畢到錨索張拉到設計值階段，該階段錨索預應力作為一個集中力作用在抗滑樁上，錨固面以上的樁體受錨索拉力和巖土的反力作用，可視為彈性地基梁；第二階段，錨索預應力張拉完，錨索和抗滑樁作為一個系統共同抵御滑坡推力，協調變形。此時抗滑樁非錨固段，相當于在樁頂受彈性固定支承，按靜定結構計算。

4.1 錨索抗滑樁設計參數

抗滑樁的橫截面可以是矩形，也可以為圓形，尺寸的大小根據滑坡推力的大小、樁間距、地基承載力等綜合確定[1]。本工程中，抗滑樁的截面按圓形設計，直徑取1 300 mm。

抗滑樁的間距既不能太大也不能太小，太大無法形成土拱效應，太小會發生群樁效應。樁間距的大小除了與樁受到的滑推力有關，還與樁后土體的c、φ值有關，參考國內外相關資料，對于圓形樁而言，最小間距可以取其直徑的2.5倍，本工程中圓形截面抗滑樁間距近似取3 000 mm。

抗滑樁的錨索可以是單錨，也可以是多錨，為避免發生群錨效應[5]，錨索的間距根據設計錨固力和錨固段的錨固能力確定，錨固段間距宜取3~6 m，最小間距不得小于1.5 m。本工程采用單樁單錨體系，錨索間距取決于抗滑樁的間距。

抗滑樁的埋置深度，對于普通懸臂樁而言，錨固深度既要滿足樁周土承載力的要求，還要滿足承載滑坡推力及樁頂允許位移要求；對于錨索抗滑樁，滑坡推力大部分由錨索承擔，樁的錨固深度只需滿足地基承載力即可，本工程中錨固樁的錨固深度取8 m。

抗滑樁樁身采用水泥混凝土澆筑，縱向受力鋼筋采用28根HRB400，直徑采用25 mmm，保護層厚度取70 mm。

4.2 錨索設計拉力

在錨索抗滑樁的設計中，錨索的剛度和抗滑樁的剛度相差較大，控制錨索的變形量，使之與抗滑樁協調變形十分重要。抗滑樁的樁頂位移fi和錨索的變形量δi之間存在協調變形的關系，見圖5。

圖5 錨索與抗滑樁協調變形示意圖

變形協調的方程根據幾何關系可以得出：

根據材料應力應變關系式有：

式中：μ為錨索的柔度系數；δiq為抗滑樁i點的水平位移；δij為j點錨索拉力的水平分量作用在樁i點的水平位移；Ri0為錨索的初始預應力。

聯立式（1）、式（2）、式（3）可以求得錨索的拉力。本工程中，錨索采用15.24 mm高強度、低松弛鋼絞線，抗拉強度為1 860 MPa。

4.3 滑坡推力計算

抗滑樁錨固段以上部分主要受到的荷載作用包含滑坡推力、土壓力、樁前滑動體抗力、水平地震作用等。其中滑坡推力可以采用傳遞系數法計算[3]，考慮地震作用時，滑坡推力安全系數可以取1.05，本地區地下水位埋藏較深，不考慮水的作用。

式中：Ti、K、Wi、αi、αi-1、φi、ci、Li、φ分別代表第i個滑塊末端的滑坡推力、安全系數、重力、滑動面傾斜角度、內摩擦角、內聚力、滑動面長度和傳遞系數。

為簡化計算，本項目中將抗滑樁后土體劃分為2個滑塊，滑動體重度取22.000（kN/m3），滑動體飽和重度取22.500（kN/m3），安全系數取1.3，不考慮動水壓力和地震力作用，巖土抗剪強度取值為c=13 kPa，內摩擦角φ=18°，計算結果見表1。

表1 滑塊推力計算結果表

4.4 樁身內力及變形計算

對于普通抗滑樁可以根據樁的錨固深度h和變形系數α確定采用剛性樁或彈性樁計算模型。對于錨索抗滑樁而言，由于預拉力的存在，樁的截面尺寸及剛度較小，一般按彈性樁計算。

根據滑坡體的工程性質和厚度，推力分布圖形按矩形布置，剩余下滑力按200 kN/m考慮，每根抗滑樁所受的推力按樁間距3 m計算，抗滑樁總長度取20 m，錨固段長度取8 m，錨固段以上的樁體按受靜載作用的懸臂梁計算。錨固段以下的樁身內力及變形計算，采用彈性地基梁模型計算[2]。

根據公路路基設計規范規定，對于較完整巖層和硬黏土的地基系數取常數K，風化破碎的巖塊，樁前滑動面無超載，地基系數采用三角形分布，有超載時采用梯形分布。本工程中抗滑樁的錨固段土層為中風化凝灰熔巖，地基系數采用“m”法[5]。本工程相關設計參數見表2。

表2 錨索抗滑樁設計參數表

第1道錨索水平拉力取300.000 kN，距離樁頂1 m，抗滑樁在剩余下滑推力作用下，樁身強度計算見表3。

表3 錨索抗內力及位移計算表

由計算結果可知，計算抗滑樁樁頂位移為14.79 mm，鑒于該邊坡附近有古建筑，對于變形較為敏感，樁頂允許位移宜控制在0.005倍樁長范圍，即100 mm內，滿足位移控制標準。

4.5 地基承載力

本工程地層為中風化巖，樁側地基橫向容許承載力[δH]=μRcKH，其中，KH為水平方向換算系數，與巖土形狀有關，取值0.5～1.0，μ為折減系數，取值0.3～0.45，Rc為巖石單軸抗壓極限強度值。此外，抗滑樁還應進行正截面承載能力與斜截面承載能力的計算，以及裂縫控制驗算。

5 施工與監測

預應力錨索抗滑樁主要有先樁后錨和先錨后樁兩種施工方法，由于錨索孔容易出現位移，一般采用先索后樁施工法。錨索的施工流程為：成孔→安裝錨索→灌漿→張拉鎖定。抗滑樁的施工流程為：抗滑樁井鎖扣→隔樁開挖豎井→鋼筋籠下放→灌注樁身混凝土→錨索張拉。

錨索抗滑樁施工完，應選擇錨索數量總數3%以上進行張拉試驗，張拉力取1～1.1倍設計錨固力，同時取1%以上進行長期應力監測。

6 結論

抗滑樁邊坡防護是一種應用廣泛的工法，目前其主要的計算方法來源于彈性地基粱計算模型，彈性地基粱是一種無窮多次的超靜定結構，和普通的粱相比，其內力計算必須同時考慮地基的變形。通過建立彈性地基粱的撓度曲線微分方程求解結構的內力和變形。由于錨索抗滑樁與周圍巖土之間的受力過程是非常復雜的，該方法不能真實反映地基土的非彈性性質，也未考慮巖土的分層特點，是一種具有某些假定的數學模型。

本文結合福建省某工程實例為項目背景，簡要的論述了錨索抗滑樁的設計原理及計算方法，并采用理正巖土軟件對樁前滑推力、樁身內力和變形進行了計算。本文僅考慮了暴雨工況的剩余滑推力，地震工況可以乘以相應的安全系數1.05，剩余下滑力計算分塊數量有條件時可以進行細分，鑒于理論計算參數與工程實際存在一定差距，錨索抗滑樁應采用動態設計和信息化施工。