索道建筑基于樁錨共同作用的懸臂樁加固設計

魏鵬飛，汪子奇，邵遠爻，張 磊

(1．中國地質(zhì)大學〈武漢〉工程學院，湖北 武漢 430074;2．中國地質(zhì)大學〈武漢〉地質(zhì)調(diào)查研究院，湖北 武漢430074;3．湖北省地質(zhì)局第八地質(zhì)大隊，湖北 襄陽441003)

0 前言

武當山風景區(qū)索道候車大廳及游客休息長廊下側(cè)原始地形為北向斜坡，坡度約25°～30°。2010年在游客休息長廊外側(cè)施工了人工挖孔鋼筋砼護坡樁+擋土板，并經(jīng)人工填土形成直立邊坡，坡高6.0～10.0 m。2012年2月發(fā)現(xiàn)個別護坡樁及坡體出現(xiàn)裂縫，隨后對護坡樁進行了水平位移和沉降監(jiān)測，監(jiān)測結(jié)果顯示護坡樁樁頂累計變形超過100 mm，且變形仍在不斷擴展［1］。如果對變形邊坡處理不當，會影響到國家5A級景區(qū)的正常運營，造成的經(jīng)濟損失及社會影響難以估量。為了查明護坡樁變形的原因，襄陽地質(zhì)工程勘察院收集了前期設計、施工、監(jiān)測、安全鑒定等大量資料，并對坡體進行了補充勘察?？辈觳捎玫匦螠y量、綜合工程地質(zhì)測繪、鉆探(共8個孔，其中對樁體進行了2個抽心孔檢驗)、巖土試驗等手段，基本查明了護坡樁變形的原因，經(jīng)過反復分析比較，報業(yè)主及十堰市地質(zhì)災害防治專家組審查與審定，決定采用預應力錨索補強加固處理。

1 原護坡樁變形情況

1．1 原護坡樁設計簡介

邊坡原始地形為一北向斜坡，坡面原始坡度20°～35°。

坡體表層分布崩坡積碎(塊)石土，較松散，厚度為6.3～19.5 m。其下為絹云母石英片巖，是軟質(zhì)巖石，片理發(fā)育。護坡樁上側(cè)人工填土主要成份為碎石土，充填粉質(zhì)粘土，土石比約4∶6，松散。

坡體匯水條件較好，雨水及生活污水多匯流于此，地下水位埋深一般在2.0～10.0 m，隨季節(jié)變化而不同。

原護坡樁布置在游客長廊F軸線以北14 m處，護坡樁軸線與F軸平行。共布置護坡樁22根。方樁截面為1.5 m×2.5 m。樁長15.0～24.7 m，懸臂長度4.2～9.8 m，僅有兩側(cè)9根樁入巖，其余樁樁端均為碎石土。護坡樁頂部設聯(lián)系梁，樁上坡側(cè)在填土范圍內(nèi)設擋土板，擋土板與樁身同時澆筑，形成連續(xù)板。

1．2 變形情況

坡體變形主要發(fā)生在填土區(qū)范圍內(nèi)，變形區(qū)后緣距樁頂一般在10.0 m左右。在11號樁位置硬化地坪與樁體脫開，最大寬度為80 mm，填土區(qū)磚砌水溝上見多處裂縫，寬度一般在15～40 mm。

護坡樁總體向北傾斜明顯，有10條護坡樁最大傾斜率＞1%，最大傾斜值達到17.5%。

19、18、17號3根護坡樁發(fā)生裂縫。其中19號護坡樁有裂縫最為典型，在外露3個側(cè)面均有裂縫，面對樁身，裂縫均為右高左低的斜向裂縫，呈明顯的受扭特征。裂縫詳細特征見圖1，一條長3 m，最大寬度為0.77 mm的裂縫，另一條長2.2 m，最大寬度為0.68 mm的裂縫，2條裂縫延伸方向與水平方向呈45°左右;樁身西側(cè)有一條長3 m，最大寬度為0.58 mm的裂縫，裂縫延伸方向與水平方向呈45°左右;樁身北側(cè)有一條長1 m，最大寬度為0.11 mm的裂縫，裂縫延伸方向與水平方向呈45°左右［2］。

圖1 19號護坡樁上的裂縫

2 變形原因分析

2．1 護坡樁傾斜過大原因

2．1．1 水土壓力過大

由于擋土板上泄水孔排水不暢，填土區(qū)在雨水增加及生活污水排放過多時易形成較高的地下水位，增大對擋土板及樁的壓力。如圖2所示，17～18號樁之間的擋土板低位排水孔也很少見排水痕跡，高位排水孔排水痕跡明顯，排水孔距地表埋深約2.0 m。

2．1．2 擋土板水壓力計算

采用水土分算的方法，對作用于擋土板上的水土壓力計算如表1。計算以15號樁為例，懸臂段高度取9.8 m。

從表1中可以看出，水位由5.0 m上升至2.0 m時，土壓力增大至139%，水壓力占到水土壓力合力的 61%［3］。

圖2 低位排水孔未有效排水

表1 不同水位埋深土壓力計算

2．1．3 嵌固端表層被動土抗力不足

從地質(zhì)剖面圖(圖3)可以看出，樁下側(cè)為一斜坡地形，總體坡度30°，局部坡度在35°左右。斜坡上嵌固端的被動土壓力會明顯小于水平地面。從圖4可以看出，在嵌固端上部，樁上側(cè)土壓力較大，而下側(cè)土壓力較小，造成抗力不足，引起樁體過大變形。變形進一步發(fā)展有可能造成嵌固端上部土體不斷蠕滑。與樁長軸方向斜交(北偏西)土壓力的作用產(chǎn)生逆時針扭轉(zhuǎn)(詳見圖5)。扭力裂縫的產(chǎn)生表明護坡樁在嵌固端淺層存在蠕滑。

圖3 工程地質(zhì)剖面圖

圖4 護坡樁側(cè)土壓力示意圖

2．2 護坡樁扭力裂縫產(chǎn)生和變形原因分析

如前所述，在19號護坡樁的3個臨空面均產(chǎn)生了約45°的斜向裂縫，面對樁體裂縫呈現(xiàn)右側(cè)高左側(cè)低的特征，高度位于懸臂端底部。18號護坡樁在北側(cè)和東側(cè)、17號護坡樁在東側(cè)均有類似裂縫。

在護坡樁懸臂端受嵌固端限制，受北偏西向土壓力影響產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)裂縫。護坡樁在懸臂端受擋土板(連續(xù)板)、樁頂梁及相鄰樁共同限制;嵌固端受到

3 預應力錨索加固設計

3．1 加固方法的選擇

采用通用巖土有限元計算軟件PLAXIS 2D對護坡樁變形進行了計算，詳見圖6。土體采用莫爾－庫侖模型，抗滑樁采用彈性板。計算結(jié)果表明，樁變形模式為傾倒變形，在懸臂端通過錨索施加預應力能有效限制樁體進一步變形［4］。對抗滑樁抽心檢驗表明，樁身混凝土強度雖低于C30，但強度高于樁身實際內(nèi)力。因此采用錨索加固是安全的。

3．2 樁錨受力分析

按水土分算考慮填土壓力;采用理正巖土6．5版邊坡計算軟件對樁受力及變形進行計算，結(jié)果見表2。

錨索設計拉力的選取除考慮加固后坡體的穩(wěn)定性要達到規(guī)范規(guī)定的安全系數(shù)外，還要使樁身所受內(nèi)力合理，即錨索達到設計拉力后，樁體內(nèi)力不超出原設計內(nèi)力范圍。錨索位置選擇在懸壁端1/3高的位置，目的是使錨索抗力點與水土壓力合力盡可能重合，盡量減少樁身內(nèi)力(見圖7)。

圖5 護坡樁受扭力示意圖

圖6 樁土共同作用變形網(wǎng)格圖

3．3 預應力錨索設計

預應力錨索采用壓力分散性錨索。預應力錨索布置一排，每條抗滑樁兩側(cè)設2根，設計拉力選取800 kN/根，施加預應力450 kN。預應力錨索按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330—2013)有關(guān)規(guī)定設計，錨索傾角選取25°～30°，采用標準值1860級鋼絞線，取10束鋼絞線，錨索長度取40 m，錨固段長度8.0 m，錨固段要求置于中風化石英片巖中。

表2 15號樁加固前護坡樁受力計算

圖7 錨固前后樁身內(nèi)力對比圖

錨索在錨頭位置的最近距離為2.0 m，錨索長達40.0 m，為了避免施工偏差錨固段可能“相遇”，錨索傾角采用 25°和 30°間隔設置［5］。

在樁外側(cè)設鋼筋混凝土腰梁，錨固力通過腰梁傳遞到樁身［6］。

計算表明，在施加預應力后樁身內(nèi)力明顯減小，彎矩及剪力相當于原來的2/3(參見表3)，嵌固端上部樁側(cè)土反力＜300 kPa。

3．4 其他措施

表3 15號樁設錨索前后護坡樁內(nèi)力對比

除預應力錨索外，還設計了排水工程和監(jiān)測工程［7］。

排水工程是沿擋土板向填土內(nèi)打水平排水孔，用以排除填土層中的地下水。共設置8.0 m長排水孔30個。在樁頂設3個監(jiān)測墩，對樁體進行大地變形監(jiān)測，為期3年。

設計文件還對各分項工程施工工藝進行了要求。例如對于錨索的張拉，要求對所有錨索均衡施加預應力，對錨索進行檢驗時也要求其它錨索鎖定設計預應力狀態(tài)下才能對單根錨索超張拉［8］。張拉時要對樁體位移進行實時監(jiān)測。

設計對施工管理、工程監(jiān)理、施工地質(zhì)、錨索抗拔等功能性檢驗等都進行了詳細要求。

4 效果

從表4可知，經(jīng)過長期監(jiān)測，加固后近3年來的樁頂最大位移累計30.1 mm，小于國家規(guī)范規(guī)定的要求。

表4 監(jiān)測墩點位累計位移統(tǒng)計

5 結(jié)語

在加固工程設計前，必須進行詳細補勘工作、綜合分析所有資料，找準樁頂變形的真正原因。

基于預應力錨索與原護坡樁共同作用，設計時要充分考慮原護坡體的受損程度及可能產(chǎn)生的受力幅度變化，并留足安全系數(shù)，才能有效發(fā)揮新增的預應力錨索的作用。

對施工工藝、工程管理、檢驗等提出要求，是設計文件不可或缺的重要組成部分，可靠的施工手段、正確的施工方法是達到設計目的和效果的必要保障。

要認真做好竣工樁頂位移監(jiān)測并綜合分析，一旦發(fā)現(xiàn)問題，必須立即采取加固補強措施。

［1］ 魏鵬飛．××景區(qū)索道建筑邊坡變形監(jiān)測報告［R］．湖北襄陽:襄陽地質(zhì)工程勘察院，2012:45－46．

［2］ 韓騰飛．××游客長廊北側(cè)擋墻安全性鑒定報告［R］．北京:中冶建筑研究總院有限公司，2012:37－40．

［3］ 魏鵬飛，邵遠爻，張磊，等．××景區(qū)索道建筑邊坡變形加固初步設計報告［R］．湖北襄陽:湖北地建正發(fā)樁基工程有限公司，2012:10－17．

［4］ 趙長海，董在志，陳群香，等．預應力錨固技術(shù)［M］．北京:中國水利水電出版社，2001:75－79．

［5］ 李斌，黃芬，等．福堂水電站震后廠房邊坡錨索加固及應力監(jiān)測與分析［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2015，42(5):67 －71，76．

［6］ 袁波，吳國華，周富榮，等．邊坡工程中壓力分散型錨索施工技術(shù)［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2011，38(10):70 －73．

［7］ 周霞，焦向陽，張練紅，等．巴東灘坪滑坡治理工程錨索抗滑樁施工技術(shù)［A］．湖北省三峽庫區(qū)地質(zhì)災害防治工程論文集［C］．湖北武漢:湖北人民出版社，2005:439 －445．

［8］ 俞敏，李旺珍，胡華敏，等．預應力錨索在公路高陡邊坡加固整治工程中的應用［J］．探礦工程(巖土鉆掘工程)，2006，33(8):38 －41，44．