某變形邊坡抗滑樁預應力錨索擋土墻設(shè)計與應用

胡以德, 潘昌樹, 謝 丹, 敬小非

(1.重慶市地質(zhì)災害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700 ；2.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331)

某變形邊坡抗滑樁預應力錨索擋土墻設(shè)計與應用

胡以德1, 潘昌樹2, 謝 丹2, 敬小非2

(1.重慶市地質(zhì)災害防治工程勘查設(shè)計院，重慶 400700 ；2.重慶科技學院安全工程學院，重慶 401331)

針對某變形邊坡，基于力學基礎(chǔ)理論，提出了變形邊坡抗滑樁預應力錨索擋土墻，即：在坡腳處設(shè)置半重力式擋土墻，墻體下方設(shè)置雙排抗滑樁，墻體露出地表部分以一定傾角布設(shè)預應力錨索，通過預應力錨索與半重力式擋土墻相連提供錨拉力，以增加擋土墻抗滑力。設(shè)計時著重考慮了土體剩余下滑力、土壓力、抗滑樁入土深度、錨拉力、地震主動土壓力，并通過理論計算和數(shù)值模擬得到了加固后邊坡抗滑系數(shù)滿足國家規(guī)范要求，該設(shè)計可為其他類似工程提供參考。

邊坡；抗滑樁；擋土墻；預應力錨索；穩(wěn)定性

0 引言

邊坡在持續(xù)降雨及地震震動的作用下易發(fā)生滑坡事故或演變?yōu)槟嗍鳎疫吰聻暮θ嗣裆敭a(chǎn)安全可造成巨大威脅。因此確保邊坡穩(wěn)定顯得尤為重要，而設(shè)置擋土墻是防止邊坡失穩(wěn)的有效措施之一[1]。何思明[2]系統(tǒng)研究抗滑鍵支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計理論，提出了抗滑鍵擋土墻的設(shè)計，并給出了設(shè)計步驟；薛麗影[3]提出了樁基立柱錨拉式擋土墻的設(shè)計，并結(jié)合工程案例驗證了該支擋結(jié)構(gòu)的可行性。劉茂[4]對剛性拉筋加筋土擋土墻內(nèi)部滑移穩(wěn)定性進行了探索。本文根據(jù)電石2號變形邊坡的實際變形情況及水文地質(zhì)條件，對該邊坡進行支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計，將半重力式擋土墻[5]、抗滑樁[6-8]、預應力錨索[9-11]結(jié)合提出了雙排抗滑樁預應力錨索擋土墻，該擋土墻具有更強的抗滑能力和抗傾覆能力且具有更好的抗震性能。

1 工程概況

邊坡縱長70～127 m，橫寬12～47 m，坡高20～33 m，地勢為東高西低，坡面形態(tài)為斜坡，地形高差起伏較大，最高點高程為928.00 m，最低點高程為875.00 m，高差約53 m。坡已于2011年委托勘察設(shè)計單位進行了勘察設(shè)計，隨后進行場平和邊坡治理施工。邊坡坡腳按1∶1的坡率進行了放坡，邊坡基本按照10 m一個臺階放坡，中間設(shè)置了2級馬道。2013年3月28日邊坡頂部及坡面多處出現(xiàn)開裂，3月29日開裂進一步擴張，3月30日局部開裂演變成整體下滑，邊坡沿開裂后緣整體下挫1.5 m，坡面格構(gòu)梁出現(xiàn)多處破壞，治理后邊坡情況及原始支擋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞情況見圖1。

圖1 治理后邊坡情況原始支擋結(jié)構(gòu)失穩(wěn)破壞情況Fig.1 Instability and failure of original retaining structure of slope after treatment

2 場地概況

2.1 工程地質(zhì)條件

勘察區(qū)地質(zhì)情況：①第四系全新統(tǒng)粉質(zhì)黏土(Q4el+dl)，黃褐色，粉質(zhì)黏土呈可塑狀，無搖震反應，干強度、韌性中等，切面稍有光滑；灰?guī)r碎塊石系早期崩塌物，粒徑一般為0.02～1.0 m，部分塊石的塊徑可達3 m，分布不均，排列雜亂，呈棱角狀，風化中等，含量約10%～20%。厚度一般為3～5 m。②下伏基巖為二疊系龍?zhí)督M(P3l)。主要礦物為黏土巖、頁巖、粉砂巖與灰?guī)r，局部夾有煤層；黏土巖鉆孔揭露厚度一般在2～6 m，頁巖鉆孔揭露厚度一般在4～9 m，粉砂巖鉆孔揭露厚度一般在0.5～3 m，灰?guī)r鉆孔揭露厚度一般在3～7 m，煤層揭露厚度一般在0.5～2 m。

2.2 水文地質(zhì)條件

勘察區(qū)地下水情況：①松散巖類孔隙水，賦存在第四系土層中，接受大氣降水補給，然后向低洼處排泄，部分下滲補給基巖裂隙水，該類地下水在勘查區(qū)地形平緩處的埋深較淺，在地形坡度較大的地段埋深較大或沒有。該類地下水水量不穩(wěn)定，枯雨季水量及地下水的埋深相差較大。②基巖裂隙水，主要通過砂巖的構(gòu)造裂隙、頁巖、泥巖的網(wǎng)狀風化裂隙補給、徑流和儲存。區(qū)內(nèi)基巖為龍?zhí)督M的頁巖和泥巖，區(qū)內(nèi)地下水主要接受大氣降水補給，由于地形坡度較陡，下部的泥巖夾薄層砂巖為相對隔水層，因此區(qū)內(nèi)該類地下水賦水條件差，接受大氣降水后在斜坡坡腳或地形陡緩交界處以泉點或滲水的形式出露地表。

3 支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 設(shè)計思路

根據(jù)該邊坡的工程地質(zhì)條件、水文地質(zhì)條件及結(jié)構(gòu)特征，擬將半重力式擋土墻與預應力錨索和抗滑樁相結(jié)合，采用抗滑樁預應力錨索擋土墻的支擋結(jié)構(gòu)。在坡腳處設(shè)置半重力式擋土墻，墻體下方設(shè)置抗滑樁，墻體露出地表部分以一定傾角布設(shè)預應力錨索，通過預應力錨索與半重力式擋土墻相連提供錨拉力，以增加擋土墻的抗滑力。支擋結(jié)構(gòu)的橫剖面和縱剖面見圖2、圖3。

圖2 支擋結(jié)構(gòu)剖面圖Fig.2 Sectional drawings of retaining structures

圖3 支擋結(jié)構(gòu)的正視圖Fig.3 Front view of retaining structures

3.2 支擋結(jié)構(gòu)力學分析

支擋結(jié)構(gòu)由半重力式擋土墻、預應力錨索和抗滑樁組成，其中半重力式擋土墻為混凝土擋墻，抗滑樁為嵌入在巖體中的鋼筋混凝土樁。按圖4所示將抗滑樁預應力錨索擋土墻進行分解受力分析，可得到以下關(guān)系：

圖4 受力分析圖Fig.4 Stress analysis diagram

式中：F推——擋土墻所受總水平推力；

Ea——擋土墻所受總主動土壓力；

f——擋土墻所受摩擦角力；

F錨——擋土墻所受錨索拉力；

β——預應力錨索與擋墻夾角；

d——抗滑樁中心線到擋墻重心距離；

M墻——擋土墻所受彎矩；

G——擋土墻自身重力；

F樁——抗滑樁所受水平推力；

M樁——抗滑樁所受彎矩；

S——擋土墻水平位移；

S1——抗滑樁水平位移；

α——擋土墻轉(zhuǎn)角；

α1——抗滑樁轉(zhuǎn)角；

y——總主動土壓力作用點到基巖面距離。

3.3 支擋結(jié)構(gòu)計算

3.3.1土體重心位置確定

為確定滑動面以上土體的重心，可將滑動土體分割成若干個規(guī)則的幾何圖形土塊。以墻踵為原點O，滑動面為X軸，過點O做X軸垂線為Y軸，建立空間直角坐標系(圖5)。

圖5 微元受力分析圖Fig.5 Force analysis diagram of micro element

設(shè)：W土為整個滑動面土體重量(N)；x為整個滑動面土體重心x坐標；y為整個滑動面土體重心y坐標；θ為滑動面傾角(°)；Wi為第i塊土體重量(N)；xi為第i塊土體重心x坐標；yi為第i塊土體重心y坐標；Wix為第i塊土體重量x分量(N)；Wiy為第i塊土體重量y分量(N)。

故：i塊土體對O點反時針力矩和：

i塊土體對O點順時針力矩和：

整個滑動面土體對O點反時針力矩和：

W土sinθy

整個滑動面土體對O點順時針力矩和：

W土cosθx

可知：

聯(lián)立以上兩式解出整個滑動面土體重心坐標：

3.3.2土體剩余下滑力計算

土體剩余下滑力是指滑動面土體下滑力與滑動面上抗滑力的差值。該力是作用在擋土墻上的有效作用力。設(shè)滑動面的內(nèi)聚力為c，內(nèi)摩擦角為φ，下滑長度為Δ，則：

土體剩余下滑力：

F剩=W土sinθ-(W土cosθtgφ+cΔ)
=W土(sinθ-cosθtgφ)-cΔ

土體下滑力矩：

M土傾=F剩(y-y趾)

=[W土(sinθ-cosθtgφ)-cΔ](y-y趾)

如圖6所示建立直角坐標系，并將擋土墻分為若干個規(guī)則的塊段。設(shè)Wi′為第i塊墻塊重量(N)，xi′、yi′分別為第i塊墻塊重心的x、y坐標(m)。則：第i塊墻塊抗下滑力矩為：

Wi′sinφyi′+Wi′cosφxi′=Wi′(sinφyi′+cosφxi′)

整個擋土墻抗下滑力矩為：

故擋土墻抗滑系數(shù)為：

圖6 下滑力計算圖Fig.6 Calculation chart of sliding force

3.3.3土壓力計算

如圖7所示為擋土墻土壓力計算圖，采用力矩平衡法對擋墻所受土壓力進行計算。

當墻體背離填土方向產(chǎn)生水平位移時，所受的主動土壓力為：

當墻體向著填土產(chǎn)生水平位移，使填土壓實，所受的被動土壓力為：

式中：Ea、Ep——分別為墻體所受的主動土壓力和被動土壓力；

γ——填土的容重；

H——抗滑樁墻總高度；

h——抗滑樁嵌入深度；

φ——土的內(nèi)摩擦角。

圖7 擋土墻土壓力計算圖Fig.7 Calculation chart of earth pressure on retaining wall

3.3.4抗滑樁嵌入深度計算

根據(jù)作用力在d1點處的力矩平衡∑Md1=0，可得：

式中：d1——錨定點距墻頂?shù)木嚯x。

求解上式得抗滑樁嵌入深度h，本文錨桿采用3排式，即d1可取3個值d11、d12、d13，便可得到3個嵌入深度大小值h1、h2、h3。此時取嵌入深度的算術(shù)平均值 即為抗滑樁實際現(xiàn)場嵌入深度。

3.3.5錨索拉力計算

錨桿中的拉力根據(jù)以下公式進行求解：

由抗滑樁嵌入深度計算可知，錨桿中的拉力有三個不同的取值T1、T2、T3，即在使用錨桿時每排錨桿的錨拉力大小不同。

3.3.6地震主動土壓力分析

由于該變形邊坡所含礦物成分中粘性土所占比例較大，不可忽略，故不能Mononohe-Okabe[12-13]方法計算地震主動土壓力，文獻14～15闡述了支檔結(jié)構(gòu)在地震作用下的主動土壓力分析，本文采用以下公式對地震主動土壓力進行求解，計算簡圖見圖8。

圖8 地震主動土壓力計算簡圖Fig.8 Computing model of seismic active earth pressure

KAE=

γ——墻后填土的容重(kN·m-3)；

H——抗滑樁墻總高度/m；

kv——地震豎向加速度系數(shù)；

av——地震豎向加速度/(m2·s-1)；

c——土的粘聚力/kPa；

φ——土的內(nèi)摩擦角/(°)；

δ——墻與土的摩擦角/(°)；

β——墻背的傾角/(°)；

i——墻后填土與水平面的夾角/(°)；

θ=tan-1[kh/(1-kv)]。

4 計算結(jié)果與分析

以單位體積滑動面土體為一個微元，計算滑動面土體的重心，大致可計算出擋土墻露出地表高度為7.4 m，進一步算出抗滑樁嵌入深度約為13.77 m。擋土墻主動土壓力約為2 659 kN，被動土壓力約為1 506 kN，錨拉力約為753 kN。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)最終確定該支擋結(jié)構(gòu)的尺寸見圖9。

再根據(jù)以下公式計算出該擋土墻的抗滑系數(shù)為2.16>1.3。說明本文設(shè)計的抗滑樁預應力錨索擋土墻其抗滑能力能夠滿足工程實踐要求。

即

式中：Ke——抗滑系數(shù)；

G——擋土墻自身重力；

Ey——墻背土壓力豎向分力；

Ex——墻背土壓力水平分力；

f——基底摩擦系數(shù)，取0.45。

根據(jù)如下公式可計算出該擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.46>1.5。說明本文設(shè)計的抗滑樁預應力錨索擋土墻其抗傾覆能力能夠滿足工程實踐要求。

因此，該支擋結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性均滿足設(shè)計要求，具有較好的穩(wěn)定性。

圖9 支擋結(jié)構(gòu)尺寸示意圖(單位：m)Fig.9 Dimension diagram of retaining structure(unit: m)

5 數(shù)值計算與分析

邊坡縱長70～127 m，橫寬12～47 m，坡高20～33 m，傾角45°，地勢為東高西低，坡面形態(tài)為斜坡。在只計算邊坡安全系數(shù)的條件下，根據(jù)以上邊坡幾何參數(shù)建立圖10二維計算模型。通過計算在不考慮地下水的情況，邊坡的安全穩(wěn)定性計算結(jié)果如圖10(a)所示。增加抗滑樁預應力錨索擋土墻之后的穩(wěn)定性計算結(jié)果見圖10(b)。

圖10 邊坡穩(wěn)定性計算結(jié)果Fig.10 Calculation results of slope stability

圖10(b)中①為回填料，②為混凝土所造半重力式擋土墻及預應力錨索和抗滑樁組合的抗滑樁預應力錨索擋土墻。從圖中可以看出當邊坡在原始支擋結(jié)構(gòu)下安全系數(shù)為1.071，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，而增加設(shè)計的擋土墻以后其安全系數(shù)突變?yōu)樵瓉淼膬杀蹲笥?，擋土墻及回填區(qū)域下方原始邊坡穩(wěn)定性已得到較大加強，使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)提升為穩(wěn)定狀態(tài)。這是由于擋土墻墻體本身及抗滑樁承受墻后坡體傾覆力，阻止坡體下滑，預應力錨桿在提供錨拉力增強墻體抗滑力的同時起到加筋加固作用所造成的。故增加抗滑樁預應力錨索擋土墻可大大提高變形邊坡的穩(wěn)定性。

圖11為邊坡未加擋土墻、加設(shè)半重力式擋土墻、加設(shè)板樁式擋土墻及加設(shè)抗滑樁預應力錨索擋土墻后邊坡等四種條件下的邊坡抗震性能計算結(jié)果。

圖11 不同擋土墻抗震性能變化規(guī)律Fig.11 Variation law of seismic performance of different retaining walls

從圖11中可以看出在相同地震震級條件下，邊坡因擋土墻增設(shè)而提升了穩(wěn)定性；且加設(shè)抗滑樁預應力錨索擋土墻的提升幅度最大、板樁式擋土墻次之、半重力式擋土墻最小；這說明抗滑樁預應力錨索擋土墻在提升邊坡穩(wěn)定性方面更為優(yōu)越。并且在未加設(shè)擋土墻的邊坡，其在5級地震震級條件下，安全系數(shù)已低于穩(wěn)定值，故在未加設(shè)擋土墻的情況下，該邊坡的抗震等級小于5級；而加設(shè)抗滑樁預應力錨索擋土墻以后，其在8級地震震級下，安全系數(shù)已超過1.25，故此種條件下，邊坡的抗震等級可達8級；因此本文設(shè)計的抗滑樁預應力錨索擋土墻無論是在自然工況還是在地震工況下都大大提升了原始變形邊坡的穩(wěn)定性，在不考慮其他因素條件下，可使邊坡抵抗大地震的破壞。

6 結(jié)論與討論

(1)通過理論計算得知該擋土墻的抗滑系數(shù)為2.16>1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.46>1.5，滿足工程實踐要求。

(2)通過數(shù)值計算得知當邊坡在原始支擋結(jié)構(gòu)下安全系數(shù)為1.071，處于欠穩(wěn)定狀態(tài)，而增加設(shè)計擋土墻以后其安全系數(shù)變?yōu)樵瓉淼膬杀蹲笥?，說明該擋土墻可使邊坡從欠穩(wěn)定狀態(tài)提升為穩(wěn)定狀態(tài)。從數(shù)值模擬上也驗證了理論結(jié)果。

(3)抗滑樁預應力錨索擋土墻是將半重力式擋土墻與預應力錨索和抗滑樁相結(jié)合的一種支擋結(jié)構(gòu)。是基于邊坡已發(fā)生局部變形，將要產(chǎn)生滑坡但并未發(fā)生滑坡的狀態(tài)，建立在發(fā)生大規(guī)模滑坡之前，以抵抗邊坡下滑。在變形邊坡治理中可發(fā)揮良好的作用，具有廣泛的應用前景。

本文所設(shè)計的擋土墻具有以下優(yōu)點：

(1)該擋土墻積聚了抗滑樁、預應力錨索和擋土墻三種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點，且為雙排樁混泥土擋墻，更加固了墻體本身的強度與抗傾覆能力。

(2)該擋土墻相比未加擋土墻、加設(shè)半重力式擋土墻、加設(shè)板樁式擋土墻三種工況具有更為優(yōu)越的抗震性能。

(3)針對工程實例，抗滑樁預應力錨索擋土墻可根據(jù)原始邊坡坡角增加(坡角較大)或減少(坡角較小)預應力錨桿數(shù)量，以達到加固穩(wěn)定及經(jīng)濟合理的原則。

(4)預應力錨索與半重力式擋土墻相連提供錨拉力，以增加擋土墻抗滑力，更進一步加強了支擋結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性與抗變形能力。

(5)墻體本身施工簡便，不需大型機械，只需勞動力，取材容易，大多是石料和水泥，墻身只需布設(shè)少量鋼筋。

抗滑樁預應力錨索擋土墻具有以下缺點：

(1)擋土墻需開挖基礎(chǔ)，為保證安全，一般需跳槽開挖，施工困難，施工不當就會造成坍滑，施工工作量大。

(2)抗滑樁為雙排樁，且嵌入在墻體內(nèi)部及地表下部，機械化要求高，施工有一定難度，整個擋土墻相比一般擋土墻資金投入稍高，對基巖要求較高。

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Designandapplicationofanti-slidepileretainingwallwithprestressedanchorcableinadeformationslope

HU Yide1， PAN Changshu2， XIE Dan2， JING Xiaofei2

(1.ChongqingExploration&DesignInstituteofGeologicalHazardPreventionEngineering,Chongqing400700，China；2.CollegeofSafetyEngineering,ChongqingUniversityofScience&Technology,Chongqing401331,China)

Aiming at a certain deformation slope, based on the basic theory of mechanics, the prestressed anchor cable retaining wall with anti slide pile is put forward: Located the gravity retaining wall at the foot of the slope. Set the double row anti-slide piles at below of the wall. Set the prestressed anchor cable with a certain angle at the exposed surface of the wall. Anchoring force is provided by the prestressed anchor cable and the semi gravity retaining wall to increase the anti sliding force of retaining wall. The residual sliding force, soil pressure, anti-slide pile depth, force of anchor and seismic active earth pressure are considered in the design. And through theoretical calculation and numerical simulation, the anti slide coefficient of reinforced slope meets the requirements of national standard, This design can provide reference for other similar projects.

side slope; anti-slide pile; retaining wall; prestressed anchor cable; stability

10.16031/j.cnki.issn.1003-8035.2017.04.13

U213.1+3

A

1003-8035(2017)04-0077-07

2016-10-20;

2016-11-16

國家自然科學基金項目(51404049)；重慶市基礎(chǔ)與前沿研究計劃項目( cstc2016jcyjA0319)； 重慶市教委科學技術(shù)研究項目(KJ1501328)；重慶科技學院重點項目培育基金項目(CK2014Z12)；重慶科技學院研究生科技創(chuàng)新計劃項目(YKJCX1620714、YKJCX1620742)

胡以德(1976-)，男，工程碩士，高級工程師，主要從事巖土工程及地質(zhì)災害防治方面的科研工作。E-mail: yide826@qq.com

潘昌樹(1991-)，男，漢族，四川宜賓人，在讀研究生，主要從事巖土工程及邊坡防護方面的研究。E-mail：604241222@qq.com