公路高邊坡抗滑樁設計與綜合評價

郭立華

(山西省交通規(guī)劃勘察設計院有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

某高速公路路基高邊坡上部有一處滑坡體，長度為55 m，水平距離380 m、寬330 m，滑坡體厚度為13～37 m之間，滑坡體前后緣高差為118 m。該滑坡體巖體破碎，風化嚴重，滑動面有破碎帶，內部有次生夾泥，有滑動變形，滑床巖體類別為砂巖，強度較高，穩(wěn)定性良好。

2 滑坡體抗滑樁加固設計

2.1 抗滑樁加固方案

為了有效控制高邊坡滑坡體位移，設計采用抗滑樁進行加固。該滑坡體一共設置46根抗滑樁，其中8根位移滑坡體兩側邊緣(每側4根)，斷面尺寸為2.0 m×3.0 m，單樁設計抗滑力為2 MN，另外38位于滑動體中部，斷面尺寸為2.5 m×4.0 m，單樁設計抗滑力為15 MN。為了提高加固效果，在部分抗滑樁頂部設置預應力錨索，設計長度為30 m，其中錨固段長度為12 m。為了確定抗滑樁對滑坡體的加固效果，完工后對滑坡體穩(wěn)定性進行監(jiān)測，在滑坡體內部布置的抗滑樁上部布置10根測斜管和5根鋼筋計，整理監(jiān)測結果作為分析抗滑樁加固效果的依據。

2.2 抗滑樁內力計算

(1)錨固段地層抗力計算

選取I-31號抗滑樁作為研究對象，進行錨固段地層抗力計算。I-31號抗滑樁斷面尺寸為2.5 m×4.0 m，樁長30 m，其中錨固段長度為12 m。錨固段長度巖體類型為砂巖，結構完整，穩(wěn)定性良好。錨固段地層抗力采用“K”法進行計算，查表確定地基反力系數為4×108N/m3。

I-31號抗滑樁側向位移測斜管監(jiān)測結果如表1所示，在Winkler彈性地基梁模型的基礎上，采用公式(1)對每延米地基反力進行計算，計算結果如表2所示。

表1 I-31號抗滑樁側向位移測斜管監(jiān)測結果

表2 I-31號抗滑樁錨固段每延米的地基反力計算值

σ(i)=Kibsi

(1)

式中：σ(i)為深度為i米處地層抗力；Ki為深度為i米處地基反力系數；B為抗滑樁的寬度；si為抗滑樁滑動面以下深度為i米處的側向位移。

(2)滑坡剩余下滑力計算

錨索拉力T為868 kN，結合表1中錨固段每延米的地基反力計算結果，通過公式(2)和公式(3)計算緩坡體剩余下滑力和力矩。

(2)

(3)

式中：l為錨索作用點到滑動面的距離，l=4.211。

計算得出抗滑樁剩余下滑力F=10.89 MN，根據鋼筋計監(jiān)測結果，分析確定埋深為8 m、13 m、17 m和20 m位置的抗滑樁截面鋼筋受力。通過計算得出各截面處的彎矩，I-31號抗滑樁鋼筋計單根鋼筋受力監(jiān)測結果和截面彎矩計算結果如表3所示。

表3 I-31號單根鋼筋受力和截面彎矩計算結果統(tǒng)計表

I-31號抗滑樁深度為16～20 m為回填土，這個深度范圍內滑坡剩余下滑力接近于零。取z=16 m，采用MATLAB計算軟件分析得出滑坡體剩余下滑力的分布函數如下

f(z)=-3.29z2+32.6z+989.3

式中：z的取值范圍為-16～0。分析上述分布函數可知，該函數分布曲線形狀接近于三角形。抗滑樁埋深z在-15～-13.2 m段，抗滑樁后部滑坡體的推力小于抗滑樁前部的土層抗力，該深度范圍內滑坡體剩余下滑力小于0。抗滑樁埋深z在-13.2 m～0段，滑坡剩余下滑力與抗滑樁埋深成正比。

(3)抗滑樁內力對比分析

根據上述計算結果，可以確定I-31號抗滑樁上部假設作用力，計算確定抗滑樁的理論彎矩值和剪力值，得出最大彎矩值為19.7 MN·m，最大剪力為6.49 MN。結合抗滑樁彎矩和剪力監(jiān)測結果，繪制抗滑樁彎矩、剪力的理論計算值與實測值變化曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 抗滑樁彎矩的理論計算值與實測值變化曲線

圖2 抗滑樁剪力的理論計算值與實測值變化曲線

對比分析圖1和圖2曲線變化情況，抗滑樁的彎矩和剪力的實測值均遠小于理論計算值，說明抗滑樁的實際受力遠小于極限抗滑力，得出抗滑樁的工作狀態(tài)是穩(wěn)定安全的。

為了準確評價抗滑樁的工作狀態(tài)，還需要計算安全度K，是抗滑樁彎矩和剪力最大理論計算值與實測最大值的比值，計算結果如下。

彎矩安全度K1=95.73/19.7=4.86

剪力安全度K2=33.66/6.49=5.19

內力安全度K3=16/10.89=1.47

結合彎矩、剪力、內力安全度計算結果，I-24號抗滑樁處于安全狀態(tài)，且抗滑樁工作狀態(tài)時所受的下滑力遠低于極限抗滑力，說明抗滑樁設計偏安全，安全余度較大，可以對樁體設計進行優(yōu)化。

2.3 抗滑樁所受滑坡剩余下滑力的反演

結合抗滑樁所處地層地質情況，確定抗滑樁錨設計參數，建立有限元抗滑樁分析模型。以I-31號抗滑樁為研究對象，設計樁長為30 m，其中錨固段長度為12 m，設計錨索長度為35 m。滑坡體剩余下滑力取2～15 MN，結合分布型式，進行側向位移計算，計算結果與實測位移如表4所示。

表4 I-31號抗滑樁側向位移計算結果

結合表4有限元分析結果，對不同分布型式抗滑樁側向位移計算值與實測值進行對比分析。抗滑樁側向位移實測值與計算值接近，說明二者的符合度較高。通過滑坡剩余下滑力反演分析，得出矩形滑坡推力2.89 MN，三角形為4.45 MN，梯形為4.316 MN，階梯形為5.1 MN。結合本項目抗滑樁所處的地質情況，四種分布型式均滿足要求。按照最保守的梯型分析，滑坡推力值為5.1 MN。結合設計資料，設計抗滑力為15 MW，結合上述計算方法得出抗滑樁安全度K=3，說明抗滑樁處于偏安全狀態(tài)，可以對設計方案進行優(yōu)化。

3 抗滑樁工作狀態(tài)綜合評價

結合上述抗滑樁內力和抗滑力計算結果，確定I-31號抗滑樁處于安全狀態(tài)。結合抗滑樁彎矩、剪力和抗滑力有限元計算結果和監(jiān)測結果，通過分析計算得出安全度分別為安全度4.86、5.19和1.47。通過滑坡剩余下滑力反演分析，得出抗滑樁安全度K=3。

綜合分析上述計算結果，I-31號抗滑樁的安全度均大于1，處于安全狀態(tài)。結合抗滑樁側向位移監(jiān)測結果，位移值變化量較小，說明坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁可有效控制滑坡位移。綜合上述結果，可以得出該抗滑樁有效提高了滑坡體的穩(wěn)定性，且具有較高的安全余度。

4 結 語

為了合理評價抗滑樁的抗滑效果，采用MATLAB計算軟件，通過有限元分析計算抗滑樁彎矩、剪力和滑坡剩余下滑力，并結合監(jiān)測數據進行對比分析得出以下結論。

(1)對比分析抗滑樁內力計算結果和監(jiān)測數據，I-31號抗滑樁安全度均大于1，說明抗滑樁處于安全狀態(tài)，且安全余度較大；

(2)對比分析抗滑樁側向位移計算值與實測值，得出抗滑樁安全度為3，說明I-31號抗滑樁處于安全狀態(tài)。

總之，I-31號抗滑樁具有較高的安全余度，處于偏安全狀態(tài)，需要對設計方案進行優(yōu)化。