某錨索抗滑樁板墻工程補強措施及負效應(yīng)初探

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設(shè)計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

某錨索抗滑樁板墻工程補強措施及負效應(yīng)初探

和曙泉，徐國民

（西南有色昆明勘測設(shè)計〈院〉股份有限公司，云南昆明 650051）

介紹了高填方邊坡治理工程補強措施，針對補強措施的負效應(yīng)問題進行了力學(xué)分析，從巖土及工程力學(xué)角度探討了負效應(yīng)產(chǎn)生的原因，并就構(gòu)件安全性及負效應(yīng)的控制問題提出了個人見解。

錨索;抗滑樁板墻;應(yīng)力;彎矩;樁身配筋;負效應(yīng)

在巖土治理工程中，由于設(shè)計、施工或地質(zhì)原因，有時可能會出現(xiàn)一些事先預(yù)想不到的情況，其結(jié)果可能使治理工程結(jié)構(gòu)物出現(xiàn)異常，如支擋結(jié)構(gòu)變形過大、構(gòu)造物開裂甚至損傷等。此時需要工程參與者尤其是工程技術(shù)人員盡快查明原因，找出對策，及時調(diào)整設(shè)計或進行設(shè)計變更，以遏制不利情況繼續(xù)發(fā)展。筆者在主持某重要工程過程中，親歷了這種情況，在此作簡要總結(jié)介紹，供同行參考。

1 工程概況

某工程建設(shè)于高差達140余米的斜坡場地上，場地平整平分為5個挖、填方主平臺進行工程建設(shè)。其中，進場道路由斜坡填方后形成，路面標(biāo)高1718～1742 m，填土高度13～35 m。由于用地限制，最終將形成下邊坡直立段高度為8～19 m、最大高度達35 m的填方高邊坡。

填方邊坡治理采用錨索抗滑樁板墻（如圖1）。2007年3月底開工，同年7月因故停工，2008年6月6日復(fù)工。由于工期要求緊，邊坡工程施工必須在雨季進行。錨索抗滑樁板墻后為高填方區(qū)，由于填方速度過快，加之工程所在區(qū)域內(nèi)可就近采用的標(biāo)準(zhǔn)填料缺乏，高填方所用填料為挖方區(qū)中的較大石灰?guī)r塊石、紅粘土及其土夾石、玄武巖風(fēng)化土及其土夾石，填料均勻性、含水量以及填筑分層厚度及壓實度都難以按設(shè)計要求進行控制。同時，由于追求工期，造成填方進度快于樁上錨索進度，錨索尚未完全施工完成，填土高度就達到了抗滑樁樁頂以上。上述不利因素導(dǎo)致了填土形成的實際土壓力遠大于原設(shè)計土壓力，施工填土到樁頂后，在墻背土壓力作用下，樁體向外側(cè)位移變形，樁頂最大位移達到了150 mm以上，同時，下部的樁間擋土板上也出現(xiàn)了細微的縱向裂紋。

圖1 錨索抗滑樁板墻剖面圖（原設(shè)計）

2 補強措施

2.1 思路

為遏制變形加劇，保證填土高邊坡整體安全穩(wěn)定，保證支護結(jié)構(gòu)構(gòu)造物不被破壞，針對上述情況召開了專題會議，討論對策措施。圍繞以減小施加到抗滑樁上的填土壓力為主要目的，采取了在樁間擋土板上實施錨索肋梁的補強措施（如圖2、圖3）。目的之一是讓樁間擋土板分擔(dān)作用于樁上土壓力，目的之二是同時增強擋土板抵抗變形的能力。

圖2 樁間板上補強錨索剖面圖（變更設(shè)計）

圖3 樁間板上補強錨索設(shè)計立面圖（局部）

2.2 實施

方案確定以后，即按照變更設(shè)計進行了補強措施的實施。為了克服群錨效應(yīng)并獲得較大錨固力，增加了錨固段的入巖深度;根據(jù)樁后填土較疏松的情況，錨索注漿時采取盡量多注和二次注漿的辦法，以達到固結(jié)孔周范圍填土提高填土強度的目的;錨索自上而下逐排施工，部分地段地下水較豐富，風(fēng)動成孔難度大，在成孔工藝和注漿方面進行了改進，采用了二次注漿。補強錨索設(shè)計錨固力為750 kN。

另外，受征地范圍限制，距抗滑樁腳外不遠（較近者只有3～4 m）有一高5 m左右的土質(zhì)陡坡，為防止被動區(qū)邊坡變形帶來的不利影響，在被動區(qū)較薄弱段的樁腳設(shè)置了一排錨索橫梁鎖腳，錨索設(shè)計錨固力1000 kN。

2.3 負效應(yīng)問題

補強錨索張拉以后，在抗滑樁的外側(cè)面離地面1～2 m的范圍出現(xiàn)了1～2條細微的平向裂紋，裂紋一般比發(fā)絲稍粗，最寬者也不足0.3 mm。補強加固措施引起樁體產(chǎn)生反向受力裂紋，這種異?，F(xiàn)象是始料未及的，這就是所謂的采取補強措施后引起的負效應(yīng)問題。

3 原因分析

3.1 應(yīng)力核算

3.1.1 補強加固前的應(yīng)力核算

以填方坡總高度41 m、抗滑樁出露高度17 m段為例。

（1）按較松散填土的滑坡推力核算，樁后剩余下滑力為1997 kN/m，背側(cè)最大彎矩78032 kN·m，深度位于距樁頂20 m處，最大剪力13422 kN，距樁頂25 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為864、879、872、844 kN，樁身配筋之面?zhèn)瓤v筋需滿足最小配筋率要求，為10000 mm2，背側(cè)縱筋最大配筋面積為141234 mm2（相當(dāng)于17632），配筋率達2.82%，出現(xiàn)抗彎拉筋超筋情況，且理論計算樁頂最大位移可達299 mm之多，如圖4、圖5所示。

圖4 加固前滑坡推力作用情況下樁身內(nèi)力計算結(jié)果

圖5 加固前庫侖土壓力（一般情況）作用情況下樁身內(nèi)力計算結(jié)果

（2）按庫侖土壓力核算，Ea=1966 kN/m，Ex=1899 kN/m，Ey=509 kN/m，作用點高度Zy=6.3 m，第一破裂角為43.77°。背側(cè)最大彎矩55246 kN·m，深度位于距樁頂20.5 m處，面?zhèn)茸畲髲澗?401 kN·m，距樁頂5.5 m，最大剪力9966 kN，距樁頂25.5 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為 737、751、751、737 kN，樁身配筋之面?zhèn)瓤v筋最大配筋面積為10725 mm2（相當(dāng)于1432），背側(cè)縱筋最大配筋面積為87693 mm2（相當(dāng)于10932），樁頂最大位移可達205 mm，如圖6所示。

圖6 加固前計算模型及庫侖土壓力力系

核算結(jié)果顯示，錨索錨固力、樁身配筋以及樁頂位移都大于原設(shè)計，滿足不了設(shè)計要求。

3.1.2 補強加固后的應(yīng)力核算

（1）補強加固措施:在樁間擋土板上補加預(yù)應(yīng)力錨索肋梁，使之與擋土板協(xié)同工作成為主動承力結(jié)構(gòu)，分擔(dān)作用于錨索抗滑樁上的土壓力。設(shè)計錨索軸向拉力為750 kN，共設(shè)5道。

（2）設(shè)定補強錨索與原設(shè)計錨索抗滑樁共同分擔(dān)土壓力，補強后，按滑坡推力核算，作用于抗滑樁上的樁后剩余下滑力為1347 kN/m，背側(cè)最大彎矩46501 kN·m，距樁頂20 m，最大剪力8046 kN，距樁頂25 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為 700、706、702、686 kN，樁身配筋之面?zhèn)瓤v筋需滿足最小配筋率要求，為10000 mm2，背側(cè)縱筋最大配筋面積為70921 mm2（相當(dāng)于8832），理論最大樁頂位移可達178 mm，如圖7、圖8所示。

圖7 加固前滑坡推力作用情況下樁身內(nèi)力計算結(jié)果

圖8 加固前庫侖土壓力（一般情況）作用情況下樁身內(nèi)力計算結(jié)果

（3）按相當(dāng)庫侖土壓力水平核算（相當(dāng)于墻背填土內(nèi)摩擦角34°），Ea=1346 kN/m，Ex=1300 kN/m，Ey=348 kN/m，作用點高度Zy=5.9 m，第一破裂角為38.94°。背側(cè)最大彎矩29914 kN·m，距樁頂21 m，面?zhèn)茸畲髲澗?459 kN·m，距樁頂8 m，最大剪力5555 kN，距樁頂25.5 m，自上而下4道錨索所需提供的水平拉力分別為603、612、613、608（相當(dāng)于軸向拉力750 kN左右），樁身配筋之面?zhèn)瓤v筋最大配筋面積為10725 mm2，背側(cè)縱筋最大配筋面積為42291 mm2（相當(dāng)于5332），樁頂最大位移為109 mm，如圖9所示。

圖9 加固后計算模型及庫侖土壓力力系圖

采取補強措施后，主要指標(biāo)核算結(jié)果與原設(shè)計水平接近。

3.2 應(yīng)力分析

從前述核算結(jié)果看，實際填土產(chǎn)生的應(yīng)力水平遠遠高于原設(shè)計，所以樁后填土高度達到樁頂后，樁頂即產(chǎn)生了較大位移。補強錨索施工后，錨索抗滑樁恢復(fù)到正常工作應(yīng)力水平。嚴(yán)格地講，由于填土尚未達到設(shè)計填筑高度，而補強錨索已張拉到設(shè)計值，所以，作用于抗滑樁上的土壓力實際上比按填土終了狀態(tài)計算的土壓力要小，也就是說錨索的拉力要大大高于此階段填土的主動土壓力。因此，非但抗滑樁的位移停止，而且為其向填土側(cè)位移創(chuàng)造了可能性，即抗滑樁可能產(chǎn)生所謂的“后仰”。

3.3 抗滑樁外側(cè)微裂紋產(chǎn)生原因分析

3.3.1 樁身配筋

我們知道，抗滑樁是一個受彎構(gòu)件，當(dāng)鋼筋的配筋率等于一定值的時候，受彎構(gòu)件的破壞介于塑性破壞和脆性破壞之間，呈現(xiàn)出界限破壞。鋼筋砼梁的配筋狀況有3種:一種是適筋梁，超過設(shè)計年限可能會破壞，這是最好的;另一種是超筋梁，鋼筋配置量過大，導(dǎo)致中性軸過高，混凝土承受壓力過大，混凝土先破壞，超筋破壞是在鋼筋受拉屈服前，混凝土先被壓碎，屬于脆性破壞;再就是少筋梁，鋼筋配置過小，鋼筋承受不了拉力，鋼筋先破壞，危險。所以設(shè)計中規(guī)定了鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)構(gòu)件中縱向受力鋼筋的最大配筋率（2.5%）和最小配筋率（0.2%）。最小配筋率確定的理論原則應(yīng)該是受彎構(gòu)件的第一階段末，即截面受拉區(qū)砼開裂臨界狀態(tài)，此時的配筋應(yīng)能承擔(dān)砼開裂后轉(zhuǎn)嫁的全部拉應(yīng)力，當(dāng)配筋率很小，受拉區(qū)開裂后，應(yīng)力趨近于屈服強度，控制最小配筋率是防止構(gòu)件發(fā)生少筋破壞，是保證梁不會在混凝土受拉區(qū)剛開裂時鋼筋就屈服甚至被拉斷。少筋破壞也是脆性破壞，設(shè)計時應(yīng)當(dāng)避免。

按原設(shè)計，本工程抗滑樁面?zhèn)扰浣钪恍铦M足縱向受力鋼筋的最小配筋率即可，計算值為10000 mm2（相當(dāng)于1332）。補強后，核算所得的配筋面積有所增加，為10725 mm2（相當(dāng)于1432）。原設(shè)計面?zhèn)扰浣顬?032，未滿足最小配筋率要求，補強后，面?zhèn)扰浣罡@不足。

3.3.2 樁身受力狀況的改變

未補強加固前，樁上錨索按原設(shè)計施工完成并張拉鎖定，由于樁后土壓力大于樁錨體系的抵抗力，抗滑樁產(chǎn)生向外傾斜變形，其應(yīng)力水平應(yīng)是處在高于原設(shè)計的狀態(tài)，樁背側(cè)彎矩很大，錨索也處于超張拉狀態(tài)。補強錨索實施后，土壓力的分配重新調(diào)整，為樁和樁間板共同承擔(dān)，這就意味著作用于樁上的土壓力減小，樁上錨索漸趨正常張拉狀態(tài)，且此時的拉力水平要比主動土壓力高，抗滑樁面?zhèn)葟澗兀ǚ磸澗兀┯兴黾?，抗滑樁外?cè)配筋需求也就隨之增加。

3.3.3 下部填土的支點作用

為處理坡角松軟土及實施樁后反濾層，加之初期填土的無序性，下部回填了大量的灰?guī)r塊石和片石，再加上錨索注漿時有一定的膠結(jié)作用，便形成了難以壓縮的硬層，在嵌固段和錨索之間形成剛性支點，當(dāng)錨索拉力使抗滑樁向填土方向移動時，支點段受彎明顯，在這種情形下，更易產(chǎn)生拉張裂紋（如圖10所示）。

綜上所述，抗滑樁微裂紋的產(chǎn)生是實施補強措施后應(yīng)力重新調(diào)整的結(jié)果，主要原因之一是抗滑樁面?zhèn)扰浣畈蛔恪?/p>

圖10 抗滑樁構(gòu)件受力示意

4 補強效果及抗滑樁使用功能的基本判斷

4.1 補強效果的分析

采用錨索補強后，經(jīng)監(jiān)測，抗滑樁停止變形并有反向位移的趨勢。從樁外側(cè)出現(xiàn)的裂紋也印證了作用于樁上的土壓力明顯減小，施加于樁間擋土板上的錨索很好地起到了分擔(dān)土壓力的預(yù)期作用，確保了高填方邊坡的穩(wěn)定，達到了預(yù)期補強加固效果。

4.2 抗滑樁使用功能的判斷

抗滑樁的反向裂紋產(chǎn)生于補強錨索施工張拉期間，也就是在填土壓力重新分配而達到新的平衡的過程中。經(jīng)觀察，張拉結(jié)束后，裂紋沒有繼續(xù)發(fā)展。就裂紋本身而言，其非常細微，且開裂深度很淺（10～20 mm），對2 m×2.5 m截面的抗滑樁而言，不至于引起抗滑樁結(jié)構(gòu)性損傷（包括鋼筋損傷），因此，抗滑樁使用功能不受根本性影響。但裂紋可能會影響面層鋼筋的防銹蝕功能，需適當(dāng)采取防止雨水沿裂紋產(chǎn)生滲透的措施。

5 結(jié)語

通過本項目的實施，總結(jié)經(jīng)驗教訓(xùn)主要有如下幾方面。

（1）支擋結(jié)構(gòu)后側(cè)填土是確保填方邊坡安全穩(wěn)定的重要環(huán)節(jié)，而工程實施中，由于追求工期和認識上的不足，其實施質(zhì)量往往容易被忽視，要么是填土速度快于支擋結(jié)構(gòu)物施工速度，要么是填料選擇隨意，要么是分層填筑及壓實達不到要求，結(jié)果留下安全隱患。注重施工細節(jié)，合理安排施工工序，嚴(yán)格控制填土質(zhì)量，使之達到設(shè)計要求，方能保證治理工程達到預(yù)期的安全目的。

（2）出現(xiàn)問題需認真分析，找準(zhǔn)原因，以便合理采取對策措施。本工程以調(diào)整土壓力分布為解決問題的突破口，合理利用樁間擋土板，通過補加錨索使其由傳力結(jié)構(gòu)變?yōu)橹鲃映辛Y(jié)構(gòu)，分擔(dān)作用于抗滑樁上的土壓力，有效地解決了抗滑樁承擔(dān)的土壓力過大的問題。

（3）構(gòu)件的配筋應(yīng)根據(jù)力學(xué)計算而定，不超筋，更不能少筋。

（4）一個合理的補強措施，應(yīng)充分預(yù)見實施中可能出現(xiàn)的各種情況，支擋結(jié)構(gòu)物的力學(xué)分析計算很重要，否則，很可能會出現(xiàn)顧此失彼甚至矯枉過正的問題。例如本工程補強加固實施中出現(xiàn)的負效應(yīng)就是事先沒有預(yù)料到的，如果之前加以分析，就可以從補強錨索的分布或錨索鎖定力的循序漸進等方面進行控制，使抗滑樁的應(yīng)力分配更加合理，從而避免負效應(yīng)的發(fā)生。

（5）補強加固是在填土尚未達到設(shè)計標(biāo)高的情況下一次完成的，由于此時的土壓力小于填土終了狀態(tài)的土壓力，為樁向填土側(cè)移動創(chuàng)造了可能，抗滑樁面?zhèn)葟澗乜赡軙?。因此，合理控制補強進程也是很有必要的。

［1］ GBJ 10-89，混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范［S］.

［2］ GB 50330-2002，建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范［S］.

［3］ 劉國彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊（第二版）［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2009.

［4］ 林宗元.巖土工程治理手冊［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2005.

注:本文還參考了《富民水泥廠邊坡治理施工圖設(shè)計》（徐國民、李四全等，西南有色昆明勘測設(shè)計〈院〉股份有限公司）和《富民水泥廠進場公路下邊坡錨索抗菌素滑樁補強變更設(shè)計》（徐國民、王明龍等，西南有色昆明勘測設(shè)計〈院〉股份有限公司）。

Discussion of Reinforcement Meassures for Anti-sliding Anchor Pile-plank Wall and Negative Effects

/HE Shuquan，XU Guo-min（Southwest Non-ferrous Kunming Investigation and Design〈Institute〉Co.，Ltd.，Kunming Yunnan 650051，China）

The paper introduced reinforcement measures for high fill slope control project.According to the negative effects of reinforcement measures，mechanical analysis was made;the causes of negative effects were discussed in geotechnical and engineering mechanics，the personal views on components safety and negative effects control were put forward.

anchor;anti-sliding pile-plank wall;stress;bending moment;reinforcement for piles;negative effect

TU757

A

1672-7428（2012）09-0075-05

2012-03-19

和曙泉（1969-），男（納西族），云南麗江人，西南有色昆明勘測設(shè)計（院）股份有限公司高級工程師、注冊一級建造師，地質(zhì)學(xué)專業(yè)，從事巖土工程勘察、設(shè)計、施工技術(shù)與管理工作，云南省昆明市東風(fēng)東路東風(fēng)巷29號，hsqcmh@163.com。