理正巖土和FLAC3D在邊坡處治設(shè)計(jì)計(jì)算中的應(yīng)用

李德心，鄧 宇，程 建

(1.四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院，四川 成都 610017；2.中國科學(xué)院成都山地災(zāi)害與環(huán)境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

樁板式擋土墻是由樁和樁間的墻面板組成，樁板承受土壓力作用，將土壓力(土體剩余下滑力)傳遞到地層，靠埋在穩(wěn)定地層的樁體和樁周巖土體的相互嵌制作用保證結(jié)構(gòu)穩(wěn)定。西南山區(qū)地形復(fù)雜，龍門山斷裂帶地震頻發(fā)，繼汶川地震、蘆山地震和九寨溝地震后，公路很容易產(chǎn)生路基沉陷和邊坡垮塌。本文采用某工點(diǎn)邊坡處治實(shí)例，簡述了預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻的設(shè)計(jì)過程，在用常規(guī)軟件理正巖土計(jì)算的基礎(chǔ)上，結(jié)合采用FLAC3D軟件，對比二者計(jì)算結(jié)果，論證該方案設(shè)計(jì)和計(jì)算的合理性。

1 工程概況

國道108線K2447+220～K2447+312段路基變形體處位于滎經(jīng)縣界滎河鄉(xiāng)紅星村楠田壩。路基填筑于斜坡中部，外側(cè)為滎河，路基范圍內(nèi)地層上部為人工填土，其下為碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土和碎石土，碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土厚約4.0～5.0 m，碎石土厚約10.0～13.0 m，稍密狀，下伏炭質(zhì)泥巖、粉砂巖，呈互層構(gòu)造，巖體較破碎，風(fēng)化較為嚴(yán)重。原公路為填方路堤，最大填方高度約15.0 m，外側(cè)采用鐵絲籠擋墻防護(hù)，局部已有沉降變形，路面開裂，加之受“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震影響，鐵絲籠擋墻已發(fā)生鼓脹破壞，路基填筑體局部已失穩(wěn)，嚴(yán)重影響公路的安全運(yùn)營。

2 設(shè)計(jì)思路

對邊坡進(jìn)行穩(wěn)定性分析。用條分法中的傳遞系數(shù)法計(jì)算剩余下滑力，即預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻所承受的總拉力，初擬樁和錨索的材料、尺寸(截面面積，錨固段長度直徑等參數(shù))，進(jìn)行內(nèi)力和變位計(jì)算。計(jì)算樁的反力將樁簡化為受橫向約束的彈性地基梁，按地基系數(shù)法計(jì)算錨索拉力及錨固段樁身內(nèi)力、位移和轉(zhuǎn)角。懸臂段，按照土壓力和錨索拉力的荷載效應(yīng)疊加計(jì)算內(nèi)力轉(zhuǎn)角。校核地基強(qiáng)度，不滿足時(shí)調(diào)整樁尺寸埋深等參數(shù)，按照基本組合計(jì)算荷載效應(yīng)(設(shè)計(jì)彎矩和設(shè)計(jì)剪力)，根據(jù)錨索樁身彎矩、剪力圖，進(jìn)行樁身結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)(在正負(fù)最大彎矩處配筋，并在錨固點(diǎn)、錨拉點(diǎn)附近箍筋適當(dāng)加密)。擋土板設(shè)計(jì)(因其受力總體而言較小，作為次要因素考慮)和排水設(shè)施，按照均布荷載下的簡支梁計(jì)算(擋土板的荷載寬度，按照計(jì)算板長計(jì)算，荷載取最底層擋土板對應(yīng)的土壓力，按均布荷載分布)。

3 處治方案

擬于現(xiàn)有公路路肩外側(cè)18.5 m處，設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋土墻，樁身采用矩形(T形)截面樁，樁徑2 m×3 m，樁基嵌入基巖長度≥5 m，錨索采用7φJ(rèn)15.2鋼絞線，錨固段長10 m，錨索自由段進(jìn)入基巖長度≥2 m，單孔錨索設(shè)計(jì)錨固荷載為800 kN。樁身上部設(shè)置3個(gè)錨索孔(至上而下第三孔為錨索后期預(yù)留孔，施工時(shí)僅施工上部兩孔錨索)。其立面圖見圖1。

圖1 預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻立面圖

3.1 理正巖土計(jì)算

3.1.1 邊坡穩(wěn)定性分析

用條分法中的傳遞系數(shù)法計(jì)算剩余下滑力，用理正巖土軟件計(jì)算剩余下滑力如圖2所示，計(jì)算結(jié)果：最后一塊土體剩余下滑力為485 kN，下滑力角度為7.362°。

圖2 邊坡計(jì)算簡圖

3.1.2 抗滑樁

設(shè)置樁長37 m，嵌入深度25 m，樁底邊界條件按自由端考慮，初擬定樁身尺寸為樁寬2 m，樁高3 m，樁間距5 m，樁身內(nèi)力和變位，按彈性地基梁，地基彈性抗力系數(shù)采用m法(認(rèn)為地基系數(shù)是隨深度而變化，比例系數(shù)以m表示)，根據(jù)撓曲微分方程和樁底約束條件，校核驗(yàn)算樁位移，樁頂位移應(yīng)小于樁懸臂端長度的1/100，且<100 mm。

3.1.3 錨索

考慮此段碎石質(zhì)粉質(zhì)黏土厚約4～5 m，碎石土厚約10～13 m，稍密狀，下伏炭質(zhì)泥巖、粉砂巖，巖體較破碎，風(fēng)化嚴(yán)重。選擇用預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻，通過錨索施加預(yù)應(yīng)力，能夠主動控制巖土體變形。初步擬定錨索采用7φJ(rèn)15.2鋼絞線，錨固體直徑150 mm，入射角為18°和25°，錨固段長10 m，錨索自由段進(jìn)入基巖長度≥2 m，單孔錨索設(shè)計(jì)錨固荷載為800 kN。

施加預(yù)應(yīng)力主動控制巖土體變形，與巖土體變形后才發(fā)揮作用的被動受力結(jié)構(gòu)，比如一般擋墻和抗滑樁有本質(zhì)區(qū)別(二者具體的計(jì)算方法見文獻(xiàn)[2])，此工點(diǎn)處治方案設(shè)計(jì)計(jì)算簡圖見圖3。

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻計(jì)算簡圖(單位：m)

第1道錨索水平拉力為886.635 kN，距離樁頂1 m，第2道錨索水平拉力830.038 kN，距離樁頂3 m。

3.2 FLAC3D計(jì)算

采用數(shù)值模擬軟件FLAC3D5.0構(gòu)建邊坡模型，從下到上分為粉砂巖、碎石土、粉砂質(zhì)黏土、雜填土、路基填土五部分，共劃分實(shí)體單元19 844個(gè)?？够瑯恫捎胮ile結(jié)構(gòu)單元，錨索采用cable結(jié)構(gòu)單元，板墻采用liner結(jié)構(gòu)單元。其中，cable單元與pile單元之間，liner單元與pile單元之間分別建立剛性連接。樁身全長37 m，其中嵌固段25 m，樁身橫截面2 m×3 m，樁間距5 m，在距樁頂1 m處，布置水平入射角18°，全長51 m的錨索，其中錨固段長度10 m，板墻厚0.5 m。模型與結(jié)構(gòu)單元如圖4所示。

圖4 邊坡模型示意圖

邊坡巖土體視為彈塑性模型，服從Mohr-Coulomb屈服強(qiáng)度準(zhǔn)則，參照現(xiàn)場地質(zhì)資料，巖土體計(jì)算參數(shù)如表1所示。計(jì)算結(jié)果如圖5～7所示。

圖5 邊坡位移示意圖

圖6 樁體位移示意圖

圖7 樁受剪力示意圖

3.3 對比分析

通過理正巖土計(jì)算，樁最大位移18 mm，最大剪力為1 606 kN，最大彎矩為10 456 kN·m，參照2015年《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中樁側(cè)地基橫向容許承載力的計(jì)算公式，滿足土反力小于地基土容許承載力(樁內(nèi)力計(jì)算表略)。FLAC3D計(jì)算結(jié)果為樁最大位移18.49 mm，最大剪力為1 554.2 kN，最大彎矩為8 132.5 kN·m。二者計(jì)算結(jié)果基本一致。

3.4 擋土板設(shè)計(jì)

擋土板按照均布荷載下的簡支梁計(jì)算，擋土板的荷載寬度按照計(jì)算板長計(jì)算，荷載取最底層擋土板對應(yīng)的土壓力，按均布荷載分布。擬定擋土板預(yù)制長度2.9 m，寬度1 m，板厚50 cm，根據(jù)2015年《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定其計(jì)算跨徑L為：矩形樁L=L0+1.5t，L0為矩形樁間的凈距，t為擋土板的板厚，L為5.75 m，求出板的跨中彎矩設(shè)計(jì)值和剪力設(shè)計(jì)值，根據(jù)理正巖土計(jì)算結(jié)果，擋土板內(nèi)力配筋計(jì)算見表2。

3.5 排水

(1)于原公路內(nèi)側(cè)邊坡設(shè)兩排仰斜式排水孔，排水孔采用φ90PVC花管，其外圍包裹滲水土工布，排水孔仰角為10°，長度按進(jìn)入基巖1 m控制，水平間距4 m，豎向間距3 m，呈品字形布置。

(2)公路內(nèi)側(cè)邊溝底部增設(shè)縱向片石排水溝1道，并沿路線走向設(shè)橫向片石排水溝10道，間距10 m。

(3)于填方路基邊坡設(shè)拱形骨架護(hù)坡，坡面噴播植草綠化，樁基頂部平臺及樁基外側(cè)土體采用30 cm厚M15漿砌片石封面，以防止地表水沖刷及下滲。

4 結(jié)語

本文采用山區(qū)公路邊坡處治工程實(shí)例，介紹了預(yù)應(yīng)力錨索樁板式擋墻的設(shè)計(jì)過程，配合使用理正巖土和FLAC3D軟件，對比二者計(jì)算結(jié)果確定該方案的合理性。工程處治方案沒有唯一性，沒有最好，作為設(shè)計(jì)人員，可以經(jīng)過方案比選和動態(tài)設(shè)計(jì)，優(yōu)化調(diào)整選擇更合理經(jīng)濟(jì)、實(shí)用美觀的處治措施。樁板墻施工簡便，造價(jià)相比橋梁費(fèi)用低，效果比一般擋墻好，其應(yīng)用會日益廣泛。