錨索抗滑樁在道路邊坡防護(hù)中的應(yīng)用

謝東

（中國(guó)市政工程中南市政設(shè)計(jì)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(huán)路位于福州市永泰縣，根據(jù)道路工程規(guī)劃，北江濱路、二環(huán)路、馬洋橋呈十字交叉，在該交叉口西北側(cè)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(shí)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(chuàng)始人游嘉瑞先生創(chuàng)辦，位于福州永泰城關(guān)風(fēng)景優(yōu)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(wú)法拆遷。北江濱路與二環(huán)路交叉口改造范圍見(jiàn)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(xiàn)狀為二級(jí)公路省道203，東西走向，現(xiàn)狀路面寬12 m，瀝青路面結(jié)構(gòu)，雙向兩車道；該路按城市主干路設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)使用年限為15 a，道路交通量飽和狀態(tài)設(shè)計(jì)年限為2 0 a。二環(huán)路為新建城市主干路，道路寬30 m瀝青路面結(jié)構(gòu)，雙向四車道，設(shè)計(jì)速度為50 km/h。

按四階段法對(duì)北江濱路進(jìn)行交通量預(yù)測(cè)分析及通行能力計(jì)算，至交通量飽和設(shè)計(jì)年末，該道路高峰小時(shí)交通量預(yù)測(cè)結(jié)果為907 pcu/h。參照美國(guó)道路通行能力手冊(cè)中服務(wù)水平分級(jí)表，北江濱路按雙向四車道考慮時(shí)，飽和設(shè)計(jì)年末交通量飽和度為907/1463=0.62，可維持C級(jí)服務(wù)水平，交通量為穩(wěn)定車流，有一定延誤。

根據(jù)《城市道路交叉口設(shè)計(jì)規(guī)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(hào)控制，進(jìn)口道需展寬交叉口。二環(huán)路進(jìn)口道和北江濱路出口道分別展寬一個(gè)車道后，道路紅線進(jìn)入立雪書院房屋基礎(chǔ)范圍，需對(duì)該范圍內(nèi)基礎(chǔ)進(jìn)行邊坡防護(hù)（見(jiàn)圖2）。

圖2 交叉口平面布置圖

2 建設(shè)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查和鉆探孔及槽探孔揭露，立雪書院所在場(chǎng)地地層主要為：素填土、全風(fēng)化凝灰熔巖、散體狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖、中風(fēng)化凝灰熔巖。場(chǎng)地地震動(dòng)峰值加速度為0.05g，反應(yīng)譜特征周期為0.45 s，場(chǎng)地抗震設(shè)防烈度為6度，設(shè)計(jì)地震分組為第三組，擬建場(chǎng)地?zé)o活動(dòng)構(gòu)造帶通過(guò)，場(chǎng)地附近不具備發(fā)生強(qiáng)震條件。

擬建道路沿線屬殘丘坡地及山間凹地，自然斜坡現(xiàn)狀穩(wěn)定，在今后建設(shè)中路基段兩側(cè)將形成挖方邊坡，該邊坡潛在引發(fā)滑坡、崩塌等地質(zhì)災(zāi)害，應(yīng)采取必要的支護(hù)措施，綜合判定場(chǎng)地穩(wěn)定性較差。

本道路交叉口路面設(shè)計(jì)標(biāo)高為41～42 m，邊坡坡頂標(biāo)高為50～52 m，邊坡高差為8～10 m。

3 邊坡支護(hù)方案

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

和普通的抗滑樁受力狀態(tài)不同，它通過(guò)在樁頂施加一個(gè)拉力，改變普通抗滑樁的懸臂受狀態(tài)，受力更加合理，是一種主動(dòng)抗滑結(jié)構(gòu)，其基本的力學(xué)模式可以等價(jià)為簡(jiǎn)支梁或者其他超靜定結(jié)構(gòu)，具有樁身彎矩小，剪力相對(duì)小，樁身截面尺寸及配筋合理等特點(diǎn)。

本工程為保障立雪書院結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)的穩(wěn)定性，初步考慮抗滑樁施工方案先開(kāi)挖樁頂土石方,形成工作面，然后開(kāi)挖基坑，灌注樁身，待樁身混凝土強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計(jì)要求的75%，再開(kāi)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(kāi)挖基坑，基坑護(hù)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(qiáng)度等級(jí)為C35。對(duì)于有滑動(dòng)跡象、順層、滑坡段或需快速施工時(shí)，宜采用速凝或早強(qiáng)混凝土，樁與樁之間設(shè)置軟式透水管。樁頂冠梁處通長(zhǎng)設(shè)砂夾卵石反濾層,反濾層厚度為0.3 m，反濾層下部設(shè)置夯填黏土防滲層。抗滑樁斷面布置見(jiàn)圖3。

圖3 錨索抗滑樁斷面布置圖

4 錨索抗滑樁設(shè)計(jì)與計(jì)算

抗滑樁設(shè)計(jì)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(zhǎng)度、截面形狀和尺寸都應(yīng)綜合考慮確定。抗滑樁設(shè)計(jì)應(yīng)根據(jù)施工現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際地質(zhì)條件及邊坡變形監(jiān)測(cè)信息，動(dòng)態(tài)的校核與完善設(shè)計(jì)。預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的計(jì)算包含抗滑樁樁身內(nèi)力的計(jì)算和錨索的拉力計(jì)算兩部分，錨索抗滑樁計(jì)算模型見(jiàn)圖4。

圖4 錨索抗滑樁計(jì)算模型示意圖

預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的受力過(guò)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(shè)計(jì)值階段，該階段錨索預(yù)應(yīng)力作為一個(gè)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(yù)應(yīng)力張拉完，錨索和抗滑樁作為一個(gè)系統(tǒng)共同抵御滑坡推力，協(xié)調(diào)變形。此時(shí)抗滑樁非錨固段，相當(dāng)于在樁頂受彈性固定支承，按靜定結(jié)構(gòu)計(jì)算。

4.1 錨索抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)

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(jù)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(shè)計(jì)，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(wú)法形成土拱效應(yīng)，太小會(huì)發(fā)生群樁效應(yīng)。樁間距的大小除了與樁受到的滑推力有關(guān)，還與樁后土體的c、φ值有關(guān)，參考國(guó)內(nèi)外相關(guān)資料，對(duì)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(fā)生群錨效應(yīng)[5]，錨索的間距根據(jù)設(shè)計(jì)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(duì)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(duì)于錨索抗滑樁，滑坡推力大部分由錨索承擔(dān)，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(hù)層厚度取70 mm。

4.2 錨索設(shè)計(jì)拉力

在錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)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(xié)調(diào)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(xié)調(diào)變形的關(guān)系，見(jiàn)圖5。

圖5 錨索與抗滑樁協(xié)調(diào)變形示意圖

變形協(xié)調(diào)的方程根據(jù)幾何關(guān)系可以得出：

根據(jù)材料應(yīng)力應(yīng)變關(guān)系式有：

式中：μ為錨索的柔度系數(shù)；δiq為抗滑樁i點(diǎn)的水平位移；δij為j點(diǎn)錨索拉力的水平分量作用在樁i點(diǎn)的水平位移；Ri0為錨索的初始預(yù)應(yīng)力。

聯(lián)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(qiáng)度、低松弛鋼絞線，抗拉強(qiáng)度為1 860 MPa。

4.3 滑坡推力計(jì)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(dòng)體抗力、水平地震作用等。其中滑坡推力可以采用傳遞系數(shù)法計(jì)算[3]，考慮地震作用時(shí)，滑坡推力安全系數(shù)可以取1.05，本地區(qū)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(gè)滑塊末端的滑坡推力、安全系數(shù)、重力、滑動(dòng)面傾斜角度、內(nèi)摩擦角、內(nèi)聚力、滑動(dòng)面長(zhǎng)度和傳遞系數(shù)。

為簡(jiǎn)化計(jì)算，本項(xiàng)目中將抗滑樁后土體劃分為2個(gè)滑塊，滑動(dòng)體重度取22.000（kN/m3），滑動(dòng)體飽和重度取22.500（kN/m3），安全系數(shù)取1.3，不考慮動(dòng)水壓力和地震力作用，巖土抗剪強(qiáng)度取值為c=13 kPa，內(nèi)摩擦角φ=18°，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)表1。

表1 滑塊推力計(jì)算結(jié)果表

4.4 樁身內(nèi)力及變形計(jì)算

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

根據(jù)滑坡體的工程性質(zhì)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(jì)算，抗滑樁總長(zhǎng)度取20 m，錨固段長(zhǎng)度取8 m，錨固段以上的樁體按受靜載作用的懸臂梁計(jì)算。錨固段以下的樁身內(nèi)力及變形計(jì)算，采用彈性地基梁模型計(jì)算[2]。

根據(jù)公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定，對(duì)于較完整巖層和硬黏土的地基系數(shù)取常數(shù)K，風(fēng)化破碎的巖塊，樁前滑動(dòng)面無(wú)超載，地基系數(shù)采用三角形分布，有超載時(shí)采用梯形分布。本工程中抗滑樁的錨固段土層為中風(fēng)化凝灰熔巖，地基系數(shù)采用“m”法[5]。本工程相關(guān)設(shè)計(jì)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 錨索抗滑樁設(shè)計(jì)參數(shù)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(qiáng)度計(jì)算見(jiàn)表3。

表3 錨索抗內(nèi)力及位移計(jì)算表

由計(jì)算結(jié)果可知，計(jì)算抗滑樁樁頂位移為14.79 mm，鑒于該邊坡附近有古建筑，對(duì)于變形較為敏感，樁頂允許位移宜控制在0.005倍樁長(zhǎng)范圍，即100 mm內(nèi)，滿足位移控制標(biāo)準(zhǔn)。

4.5 地基承載力

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

5 施工與監(jiān)測(cè)

預(yù)應(yīng)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(xiàn)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(kāi)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(yīng)選擇錨索數(shù)量總數(shù)3%以上進(jìn)行張拉試驗(yàn)，張拉力取1～1.1倍設(shè)計(jì)錨固力，同時(shí)取1%以上進(jìn)行長(zhǎng)期應(yīng)力監(jiān)測(cè)。

6 結(jié)論

抗滑樁邊坡防護(hù)是一種應(yīng)用廣泛的工法，目前其主要的計(jì)算方法來(lái)源于彈性地基粱計(jì)算模型，彈性地基粱是一種無(wú)窮多次的超靜定結(jié)構(gòu)，和普通的粱相比，其內(nèi)力計(jì)算必須同時(shí)考慮地基的變形。通過(guò)建立彈性地基粱的撓度曲線微分方程求解結(jié)構(gòu)的內(nèi)力和變形。由于錨索抗滑樁與周圍巖土之間的受力過(guò)程是非常復(fù)雜的，該方法不能真實(shí)反映地基土的非彈性性質(zhì)，也未考慮巖土的分層特點(diǎn)，是一種具有某些假定的數(shù)學(xué)模型。

本文結(jié)合福建省某工程實(shí)例為項(xiàng)目背景，簡(jiǎn)要的論述了錨索抗滑樁的設(shè)計(jì)原理及計(jì)算方法，并采用理正巖土軟件對(duì)樁前滑推力、樁身內(nèi)力和變形進(jìn)行了計(jì)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(yīng)的安全系數(shù)1.05，剩余下滑力計(jì)算分塊數(shù)量有條件時(shí)可以進(jìn)行細(xì)分，鑒于理論計(jì)算參數(shù)與工程實(shí)際存在一定差距，錨索抗滑樁應(yīng)采用動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)和信息化施工。