抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)開發(fā)

曹文昭，鄭俊杰，薛鵬鵬

(1.華中科技大學(xué) 巖土與地下工程研究所，湖北 武漢，430074；2.中冶建筑研究總院(深圳)有限公司，廣東 深圳，518055)

隨著我國(guó)交通基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)的持續(xù)推進(jìn)，高速公路、高速鐵路不斷向西部地區(qū)延伸，修建在山區(qū)陡坡地形上的高填方路基和半填半挖路基也越來越多[1]。與此同時(shí)，國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展和交通運(yùn)輸量的快速增加也使原有的低等級(jí)公路面臨拓寬改造的問題。因此，有必要因地制宜，開發(fā)適合于山區(qū)陡坡地形上的路基修筑或拓寬方案。加筋土擋墻因具有自身重力小、整體性能好、對(duì)地基承載力要求低、變形協(xié)調(diào)能力強(qiáng)、施工簡(jiǎn)便和易取材等諸多優(yōu)點(diǎn)，應(yīng)用于上述路基工程中具有明顯的優(yōu)勢(shì)，不僅能顯著提高路基穩(wěn)定性，還可以收縮坡腳、減少挖填工作量和降低工程造價(jià)[2]。由于山區(qū)陡坡地形上的填方路基勢(shì)必存在沿坡面下滑的趨勢(shì)，因此，需要采取有效措施提高加筋土擋墻的支擋效果和穩(wěn)定性。目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者提出的措施主要包括在加筋土擋墻中打設(shè)微型樁[3-4]或鋼板樁[5]進(jìn)行加固，或是與其他形式的擋墻聯(lián)合使用，如衡重式擋墻[6]和扶壁式擋墻[7]，然而，上述措施均局限于對(duì)加筋土擋墻結(jié)構(gòu)的自身形式進(jìn)行改進(jìn)，對(duì)于由山區(qū)陡坡上的軟弱覆蓋層或施工場(chǎng)地限制導(dǎo)致的加筋土擋墻穩(wěn)定性不足[8]，上述措施的應(yīng)用則受到了較多的限制?？够瑯锻ㄟ^將樁體插入滑動(dòng)面下的穩(wěn)定地層，利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力來平衡滑坡推力，適用于淺層和中厚層滑坡的治理。蔣鑫等[9]采用抗滑樁對(duì)斜坡軟弱地基上路基的側(cè)向滑移和穩(wěn)定性進(jìn)行控制，數(shù)值模擬結(jié)果表明在下坡腳處打設(shè)抗滑樁可以有效約束斜坡軟土地基的側(cè)向滑移。年廷凱等[10]采用考慮樁-土-邊坡相互作用的強(qiáng)度折減有限元程序，有針對(duì)性地探討了抗滑樁設(shè)置參數(shù)對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)及臨界滑動(dòng)面的影響，以及不同樁頭約束下抗滑樁內(nèi)力分布。王聰聰?shù)萚11]也采用數(shù)值模擬探討了抗滑樁-邊坡體系中抗滑樁設(shè)樁位置、樁長(zhǎng)等因素對(duì)邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)、臨界滑移面及樁體內(nèi)力、變形的影響。上述研究成果有力驗(yàn)證了抗滑樁對(duì)邊坡的加固效果，揭示了不同抗滑樁設(shè)置參數(shù)的影響規(guī)律，可為抗滑樁的工程設(shè)計(jì)提供參考。本文作者針對(duì)山區(qū)陡坡地形上加筋土擋墻抗滑穩(wěn)定性的不足，闡述了抗滑樁+剛/柔組合墻面加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)的研發(fā)思路、結(jié)構(gòu)形式和技術(shù)特征。通過建立數(shù)值模型，對(duì)3種不同形式的抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行對(duì)比，以初步檢驗(yàn)該組合支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)越性，并提出部分優(yōu)化建議。

1 抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)

1.1 研發(fā)思路

圖1所示為現(xiàn)有的加筋土組合支擋結(jié)構(gòu)。圖1(a)和(b)中的微型樁和鋼板樁都是在加筋土擋墻施工完成后才布設(shè)，無法提高加筋土擋墻在施工期間的穩(wěn)定性，當(dāng)邊坡較陡或筋材鋪設(shè)長(zhǎng)度受限時(shí)，即使對(duì)邊坡進(jìn)行臺(tái)階開挖，也往往不足以控制填方路基沿坡面的滑動(dòng)，容易沿挖填交界面發(fā)生整體失穩(wěn)，此時(shí)需要在加筋土擋墻施工過程中采取其他抗滑措施。圖1(c)和(d)中的衡重式加筋土擋墻和扶壁式加筋土擋墻雖然能夠綜合剛性擋土墻和柔性加筋土擋墻各自的優(yōu)勢(shì)，約束墻后土體側(cè)向變形，降低墻背土壓力并有效增加支擋高度，但并未很好地解決山區(qū)陡坡地形上加筋土擋墻抗滑穩(wěn)定性不足的問題，此外，對(duì)地基的承載力和變形也有較高的要求，施工相對(duì)復(fù)雜。

圖1 加筋土組合支擋結(jié)構(gòu)Fig.1 Composed retaining structures of reinforced earth

抗滑樁施工快速、樁位靈活、土方量小且抗滑性能好，更重要的是，抗滑樁可以和其他邊坡治理措施靈活配合使用。為提供足夠的抗滑力，抗滑樁的錨固深度宜為樁長(zhǎng)的1/3～2/5，且樁長(zhǎng)一般不大于35 m。對(duì)于山區(qū)陡坡地形上的高填方路基，單一采用抗滑樁會(huì)導(dǎo)致樁長(zhǎng)和錨固深度過大，進(jìn)而極大地增加樁身截面積，增大施工難度，提升工程造價(jià)。唐曉松等[12]將錨索抗滑樁與加筋土擋墻聯(lián)合應(yīng)用于某滑坡治理工程，取得了良好的治理效果。在為安置庫(kù)區(qū)移民而對(duì)滑坡進(jìn)行的“開發(fā)性”治理時(shí)，也常利用抗滑樁形成平臺(tái)為移民遷建提供建筑場(chǎng)地。

傳統(tǒng)的返包式和模塊式加筋土擋墻的面板剛度較小，單級(jí)墻高一般在10 m以下，太高則易產(chǎn)生較大的墻面變形或整體失穩(wěn)，同時(shí)容易因局部拉筋斷裂而產(chǎn)生較大范圍的坍塌。若采用整體現(xiàn)澆鋼筋混凝土面板，則傳統(tǒng)工序?yàn)橄葷仓姘逶偬钔粒瑥亩斐蓧筇钔翂簩?shí)困難，面板和加筋土體之間的差異沉降較大，加筋材料直接連在面板上，也容易因填土壓實(shí)施工及過大的地基差異沉降而發(fā)生連接破壞[13]。TATSUOKA等[14]提出了一種全高剛性墻面加筋土擋墻，在包裹式加筋土擋墻外側(cè)現(xiàn)澆剛性混凝土面板，以約束墻后填土的側(cè)向變形，陳建峰等[15]稱之為剛/柔組合墻面加筋土擋墻。

針對(duì)單一抗滑樁或加筋土擋墻應(yīng)用于山區(qū)陡坡地形上高填方路基支擋的不足，本文作者提出將抗滑樁與剛/柔組合墻面加筋土擋墻相結(jié)合，形成抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)[16]，以充分發(fā)揮抗滑樁和剛/柔組合墻面加筋土擋墻各自的優(yōu)勢(shì)，形成抗滑穩(wěn)定性高、墻面變形小、地形適應(yīng)能力強(qiáng)且施工簡(jiǎn)便的山區(qū)陡坡上高填方路基支擋結(jié)構(gòu)。

1.2 結(jié)構(gòu)形式

抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)的側(cè)視圖如圖2所示，自下而上，主要包括抗滑樁(短樁)、連系梁(承臺(tái))、加筋土擋墻、剛性面板及連接件，具體形式如下。

1) 根據(jù)實(shí)際地形及坡面覆蓋層情況，決定是否設(shè)置短樁和承臺(tái)，抗滑樁(短樁)打穿覆蓋土層并錨固在穩(wěn)定地層中，抗滑樁(短樁)頂部設(shè)置連系梁(承臺(tái))；

圖2 抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)Fig.2 Retaining structures composed of anti-slide pile and reinforced earth retaining wall

2) 在連系梁(承臺(tái))上分層建造返包式土工格柵加筋土擋墻，同時(shí)在加筋土擋墻內(nèi)預(yù)埋連接件，墻面由袋裝碎石堆疊而成，連接件包括預(yù)埋錨固鋼筋和角鋼(圖2(b))；

3) 在加筋土擋墻外側(cè)架設(shè)鋼筋網(wǎng)并現(xiàn)澆混凝土，形成剛性面板，并通過鋼筋網(wǎng)與連接件牢固連接，形成整體性良好的剛/柔組合墻面加筋土擋墻。

1.3 技術(shù)特征

上述抗滑樁-加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)具有以下技術(shù)特征和突出優(yōu)點(diǎn)：

1) 抗滑樁打穿覆蓋土層并錨固在穩(wěn)定地層中，解決了山區(qū)覆蓋土層穩(wěn)定性較差、承載力較低和穩(wěn)定地層埋藏較深的問題，設(shè)置在樁頂?shù)倪B系梁也為剛/柔組合墻面提供了穩(wěn)固的基礎(chǔ)。

2) 后澆鋼筋混凝土剛性面板有效均化、減小了墻面水平變形，防止了表面沖刷、侵蝕和剝落，增強(qiáng)了加筋土擋墻的整體性、穩(wěn)定性、耐久性和抗震性能。對(duì)于路肩式擋墻，剛性面板還可以作為道路附屬設(shè)施的堅(jiān)固基礎(chǔ)，如護(hù)欄、聲屏障和接觸網(wǎng)支柱等，特別是能有效提高護(hù)欄的抗沖擊性能，提高護(hù)欄安全系數(shù)，保障生命財(cái)產(chǎn)安全。

3) 先建造加筋土擋墻，后澆筑剛性面板，從而允許加筋土擋墻在建造期充分沉降，避免了墻后填土壓實(shí)的困難，也避免了土工格柵與剛性面板直接連接時(shí)容易因填土的壓實(shí)施工及過大地基差異沉降而引起的連接破壞。

4) 通過預(yù)埋錨固鋼筋和角鋼，以及現(xiàn)澆混凝土剛性面板施工期間水泥砂漿透過返包土工格柵，進(jìn)入袋裝碎石內(nèi)產(chǎn)生漿固效果，有效保證了剛性面板與加筋土擋墻之間的連接。

2 組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型的建立

2.1 工程概況

貴州駕荔(駕歐—荔波)高速公路是《貴州省高速公路網(wǎng)規(guī)劃》中黔東南州至黔南州高速公路的重要組成部分，其中YK17+465～YK17+540拉耐隧道過渡段通過狹長(zhǎng)溝谷，橫坡較陡，如圖3所示。原計(jì)劃采用橋梁方案，后來為了方便隧道進(jìn)洞的施工組織和洞渣的就地消化，設(shè)計(jì)采用高填方路基通過，填方高度達(dá)20 m。由于加筋土擋墻對(duì)填料有嚴(yán)格的要求，無法采用洞渣填料，因此，通過對(duì)路堤墻、樁板墻和樁基承臺(tái)擋墻等多種支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行方案比選，最終采用抗滑樁+重力式擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)[17]，重力式擋墻高為10 m，抗滑樁截面長(zhǎng)×寬為2.4 m×1.8 m。本文作者參與了該段高填陡坡路基的現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)工作，并建立三維數(shù)值模型對(duì)樁墻聯(lián)合支擋結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)和穩(wěn)定性進(jìn)行了研究[18]。

圖3 駕荔高速現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)段Fig.3 Test field of Jia’ou—Libo expressway

2.2 組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值建模

將組合支擋結(jié)構(gòu)應(yīng)用于上述工程，對(duì)原試驗(yàn)段高填陡坡路基進(jìn)行簡(jiǎn)化，取單根抗滑樁加固寬度為計(jì)算單元，采用FLAC3D有限差分程序，分別建立抗滑樁+剛/柔組合墻面加筋土擋墻(模型1)和抗滑樁+承臺(tái)+剛/柔組合墻面加筋土擋墻(模型2)的三維數(shù)值模型，如圖4所示。模型2中，為對(duì)比抗滑樁和承臺(tái)之間連接方式的影響，將固接記為模型 2(剛接)，栓接記為模型2(鉸接)。抗滑樁取2個(gè)半樁，樁長(zhǎng)為12 m，樁間距為6 m，截面長(zhǎng)×寬為2.4 m×1.8 m，單級(jí)加筋土擋墻高14.4 m，剛性面板(現(xiàn)澆鋼筋混凝土板)和柔性面板(袋裝碎石)厚度均為0.6 m，其余尺寸如圖4所示。

2種模型的建模順序?yàn)椋?) 抗滑樁(短樁)和連系梁(承臺(tái))施工；2) 土工格柵返包袋裝碎石，分層填筑、壓實(shí)填土(1.2 m/層)；3) 后澆鋼筋混凝土面板。為體現(xiàn)土工格柵對(duì)袋裝碎石的返包約束效果，重置了土工格柵與袋裝碎石連接處的 link，釋放了轉(zhuǎn)動(dòng)約束而使位移協(xié)調(diào)。模型2中，短樁和承臺(tái)的施工需進(jìn)行覆蓋層的開挖，為確保開挖過程中的邊坡穩(wěn)定，需在開挖側(cè)對(duì)覆蓋層進(jìn)行臨時(shí)支護(hù)(圖4(b))，然后，隨加筋土擋墻的分層填筑，逐層拆除臨時(shí)支護(hù)。數(shù)值模擬中對(duì)該過程進(jìn)行了簡(jiǎn)化，即先約束該開挖面節(jié)點(diǎn)的水平位移，然后逐層釋放。

由于剛性面板和加筋土擋墻通過預(yù)埋剛性連接件形成剛度較大的整體，在上覆荷載作用下，剛性連接件分擔(dān)的水平附加荷載比例甚至可高達(dá)60%[15]。但由于本文主要分析建造期組合支擋結(jié)構(gòu)的工作性能，該過程中剛性連接件的影響有限(對(duì)格柵拉力分布的影響除外)，為簡(jiǎn)化建模，本文2種模型的數(shù)值模型中均未設(shè)置剛性連接件。

圖4 組合支擋結(jié)構(gòu)數(shù)值模型Fig.4 Numerical models of composite retaining structure

2.3 材料本構(gòu)模型及參數(shù)

2種模型的數(shù)值建模中，地基土、覆蓋層和填土采用 Mohr-Coulomb模型，剛性面板、抗滑樁(短樁)和連系梁(承臺(tái))均采用彈性模型，彈性模量E=30 GPa，泊松比ν=0.17，重度γ=25 kN/m3，其余材料參數(shù)見表1。為模擬2種性質(zhì)差異較大材料之間的相對(duì)滑移和分離，在樁體與地基土、覆蓋層之間以及承臺(tái)與覆蓋層、填土之間均設(shè)置接觸面，接觸面的摩擦參數(shù)(c和φ)取相鄰?fù)翆訁?shù)的0.8倍，法向剛度kn和剪切剛度ks取接觸面相鄰區(qū)域“最硬”土層等效剛度的10倍[13]。

土工格柵采用Geogrid單元，設(shè)置于每層填土中間，在填土范圍內(nèi)通長(zhǎng)水平鋪設(shè)，共12層，層間距為1.2 m，格柵厚度為5 mm，彈性模量E=2.6 GPa，泊松比ν=0.33，耦合彈簧內(nèi)聚力c=2 kPa，摩擦角φ=24°，單位面積剛度k=2.3 MPa。

表1 模型材料參數(shù)Table 1 Material properties of numerical models

3 數(shù)值計(jì)算結(jié)果分析

3.1 墻面水平位移

圖5 建造完成時(shí)墻面水平位移Fig.5 Horizontal displacements of wall facings at the end of construction

墻面水平位移是衡量加筋土擋墻變形和工作性能的重要指標(biāo)之一。圖5所示為建造完成時(shí)不同高度處的墻面水平位移。從圖5可知：3種模型下的墻面水平位移模式均呈現(xiàn)明顯的“鼓肚”現(xiàn)象，模型1的最大墻面水平位移達(dá) 135.0 mm，遠(yuǎn)大于模型 2的 63.0 mm(鉸接)和59.6 mm(剛接)，分別為2.1倍和2.3倍，發(fā)生高度依次為3.6，4.8和6.0 m，變化顯著。模型2中，抗滑樁與承臺(tái)剛接或鉸接對(duì)墻面水平位移的影響不大，主要體現(xiàn)在 6 m以下墻高位置，最大差值為12.4 mm，經(jīng)分析認(rèn)為主要由2種連接方式下抗滑樁樁頂?shù)乃轿灰撇町愐稹?/p>

3.2 抗滑樁位移

圖6所示為建造完成時(shí)抗滑樁樁身水平位移隨深度的變化。從圖6可知：模型1和模型2(鉸接)的樁身水平位移隨深度增加而減小，最大樁身水平位移出現(xiàn)在樁頂，分別為43.9 mm和12.7 mm，而模型2(剛接)的樁身水平位移隨深度增加先增大后減小，最大樁身水平位移出現(xiàn)在2 m深度處，為7.7 mm，略大于樁頂水平位移。最小樁身水平位移均位于樁端，大小順序與樁頂位移剛好相反。3種模型中，模型1的樁身水平位移隨深度增加，其減小速率最快，幅度也最大，甚至出現(xiàn)了負(fù)值，而模型2的樁身水平位移始終為正。其原因是：模型1中抗滑樁僅受地基土和覆蓋層的側(cè)向約束作用，在上部加筋土擋墻填土荷載作用下，抗滑樁上部承受了很大的水平推力作用，而模型2中加筋土擋墻的填土荷載很大一部分通過承臺(tái)以豎向荷載的形式作用于抗滑樁，加上短樁的水平約束作用，因此，模型2的樁身上部水平位移遠(yuǎn)比模型1的小。同時(shí)，抗滑樁與承臺(tái)的剛性連接對(duì)抗滑樁的水平位移形成了較強(qiáng)的約束作用，因此，模型2(剛接)的樁身水平位移和偏轉(zhuǎn)量最小。

圖6 建造完成時(shí)抗滑樁樁身水平位移Fig.6 Horizontal displacements of the anti-slide piles at the end of construction

圖7所示為建造過程中樁頂豎向位移隨加筋土擋墻填土高度的變化規(guī)律。從圖7可知：3種模型下樁頂豎向位移均隨填土高度的增加而增大，建造完成時(shí)樁頂豎向位移的大小順序與樁頂水平位移的大小順序剛好相反，模型2(剛接)最大，達(dá)20.2 mm，其次為模型2(鉸接)，為17.7 mm，模型1最小，為13.5 mm。上述分析進(jìn)一步表明采用抗滑樁+承臺(tái)結(jié)構(gòu)能夠更好地將上部加筋土擋墻荷載以豎向荷載的形式作用于抗滑樁，同時(shí)大幅度減小作用于樁頂?shù)乃胶奢d。

鄭俊杰等[18]發(fā)現(xiàn)樁基擋墻結(jié)構(gòu)的極限狀態(tài)由抗滑樁的抗剪承載力控制，因此，采用抗滑樁+承臺(tái)結(jié)構(gòu)不僅可以大幅度提高組合支擋結(jié)構(gòu)中抗滑樁的穩(wěn)定性，還可極大提高組合支擋結(jié)構(gòu)的承載力。相比于鉸接，抗滑樁與承臺(tái)剛性連接能夠使上述效應(yīng)得到更好地發(fā)揮。

圖7 建造過程中抗滑樁樁頂豎向位移變化規(guī)律Fig.7 Vertical displacements of anti-slide pile heads during construction

3.3 抗滑樁樁身彎矩

圖8所示為建造完成時(shí)抗滑樁樁身彎矩分布。從圖8可知3種模型下的抗滑樁樁身彎矩和分布形態(tài)均呈現(xiàn)明顯的差異：模型1的樁身彎矩隨深度增加先增大后減小，均為正值，主要由樁頂水平推力引起，最大彎矩發(fā)生在樁深5.5 m處，為7.88 MN·m；模型2(剛接)的樁身彎矩最大值出現(xiàn)在樁頂，達(dá)9.45 MN·m，隨深度的增加而減小，且均為負(fù)值，分析認(rèn)為主要與樁頂處承臺(tái)的轉(zhuǎn)動(dòng)約束及偏心豎向荷載作用引起的集中力矩相關(guān)；模型 2(鉸接)的樁身彎矩存在明顯的反彎點(diǎn)，隨深度增加，樁身彎矩先由負(fù)轉(zhuǎn)正，再逐漸減小，最大樁身(負(fù))彎矩位于樁頂，為 2.64 MN·m，主要由承臺(tái)傳遞的偏心豎向荷載引起。

圖8 建造完成時(shí)抗滑樁樁身彎矩Fig.8 Bending moments of anti-slide piles at the end of construction

上述分析表明：在抗滑樁頂部設(shè)置承臺(tái)可以在減小樁身水平位移的同時(shí)顯著改變抗滑樁內(nèi)力分布形態(tài)，而改變抗滑樁與承臺(tái)的連接方式，同樣可以引起抗滑樁內(nèi)力分布的大幅調(diào)整?？够瑯墩９ぷ鳡顟B(tài)下的內(nèi)力分布直接影響著包括樁長(zhǎng)、截面、配筋和混凝土強(qiáng)度等級(jí)等抗滑樁參數(shù)的設(shè)計(jì)和選用，因此，在抗滑樁+承臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，適當(dāng)弱化抗滑樁和承臺(tái)的連接強(qiáng)度，雖然會(huì)引起樁身和墻面水平位移的部分增大，但可以大幅減小樁身彎矩峰值并改善樁身彎矩的分布，從而優(yōu)化抗滑樁截面和配筋等重要參數(shù)，節(jié)省工程投資。

3.4 格柵拉力

選取建造完成時(shí)加筋土擋墻中第 3、6、9和 12層的格柵拉力進(jìn)行分析(對(duì)應(yīng)的墻高H分別為 3.0，6.6，10.2和13.8 m)，圖9所示為格柵拉力隨距墻面距離變化的分布。從圖9可知：3種模型中，第12層(頂層)格柵拉力出現(xiàn)負(fù)值，實(shí)際并不存在，因此，不進(jìn)行分析，除此之外，其余各層格柵拉力均隨距墻面距離的增加而減小，最大拉力均發(fā)生在格柵與柔性面板(袋裝碎石)的連接處；模型 1中各層格柵最大拉力均明顯比模型2的大，而模型2中剛接和鉸接2種連接方式對(duì)各層格柵拉力的影響不大；隨著格柵鋪設(shè)高度的增加，3種模型的格柵拉力均顯著減小，對(duì)于第3層格柵，模型1的最大格柵拉力為85.2 kN/m，而模型2則僅為59.5 kN/m(剛接)和60.6 kN/m(鉸接)，減小幅度近30%。

圖9 建造完成時(shí)格柵拉力分布Fig.9 Distribution of tensile forces of geogrids at the end of construction

3.5 路基穩(wěn)定性

相比于傳統(tǒng)的穩(wěn)定性分析方法，強(qiáng)度折減法的最大優(yōu)勢(shì)在于無需事先假定滑動(dòng)面。采用 Fish語言對(duì)FLAC3D的強(qiáng)度折減法進(jìn)行二次開發(fā)，以提高計(jì)算速度。FLAC3D中，判斷邊坡達(dá)到臨界失穩(wěn)狀態(tài)的判據(jù)主要有3種：塑性區(qū)貫通、位移突變和計(jì)算不收斂，本文采用計(jì)算不收斂為判據(jù)，對(duì)建造完成時(shí)3種組合支擋結(jié)構(gòu)模型的穩(wěn)定性進(jìn)行分析，路基穩(wěn)定安全系數(shù)Fs見表2。

由表2可知：在抗滑樁頂部設(shè)置承臺(tái)可以有效提高路基的穩(wěn)定性，但幅度不大，F(xiàn)s僅增大了0.052，且改變抗滑樁與承臺(tái)連接方式對(duì)Fs沒有影響。根據(jù)JTG D30—2015“公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范”[19]，正常模型下高速公路路基沿斜坡地基或軟弱層滑動(dòng)的Fs不得小于1.30，顯然，3種模型的穩(wěn)定性均滿足規(guī)范要求。需要說明的是，剛性連接件會(huì)使剛性面板和加筋土擋墻形成整體剛度較大的結(jié)構(gòu)體，潛在滑動(dòng)面下移[15]，進(jìn)而提高Fs，由于本文的數(shù)值模型中均未設(shè)置剛性連接件，因此，穩(wěn)定性分析結(jié)果均偏于安全。

表2 不同模型下的路基穩(wěn)定安全系數(shù)Table 2 Safety factors of stability of different retaining cases

4 參數(shù)分析

4.1 抗滑樁樁長(zhǎng)的影響

分別取抗滑樁樁長(zhǎng)Lp為6，8，10和12 m，分析Lp對(duì)組合支擋結(jié)構(gòu)建造完成時(shí)墻面和抗滑樁水平位移的影響，如圖10所示。從圖10可知：隨著Lp減小，2種模型的墻面和抗滑樁水平位移均顯著增大，其中模型 1的增幅越來越大，而模型 2(剛接)的增幅較均勻，甚至有所減小；當(dāng)Lp從12 m減小至6 m時(shí)，模型1的墻面和抗滑樁水平位移峰值分別增大為2.3倍和4.2倍，而模型2(剛接)僅增大為1.42倍和3.0倍，表明設(shè)置承臺(tái)可以極大降低墻面和抗滑樁水平位移對(duì)Lp的依賴程度，從而增加抗滑樁布樁的靈活性，在實(shí)際工程中，可根據(jù)地形條件優(yōu)化樁長(zhǎng)的設(shè)計(jì)。

表3所示為抗滑樁樁長(zhǎng)Lp對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的影響。從表3可知：隨著Lp的減小，模型 1的Fs顯著降低，而模型2(剛接)的Fs僅略有降低。當(dāng)Lp從12 m減小至6 m時(shí)，模型1中Fs的降幅達(dá)12.2%，而模型2(剛接)中Fs的降幅僅為0.3%，幾乎可以忽略，表明在抗滑樁頂部設(shè)置承臺(tái)可以有效減小抗滑樁樁長(zhǎng)，同時(shí)確保路基的穩(wěn)定性。

4.2 覆蓋層模量的影響

分別取覆蓋層模量E為2，4，6和8 MPa，分析E對(duì)組合支擋結(jié)構(gòu)建造完成時(shí)墻面和抗滑樁水平位移的影響，如圖11所示。從圖11可知：2種模型的墻面和抗滑樁水平位移均隨著E的減小而增大，值得注意的是，模型2(剛接)的墻面水平位移沿?fù)鯄Ω叨鹊姆植夹螒B(tài)也發(fā)生了改變，以擋墻高度6 m為界，下部墻面水平位移增大而上部減小。當(dāng)E從8 MPa減小至2 MPa時(shí)，模型1墻面和抗滑樁水平位移峰值分別增大69.5 mm和18.9 mm，而模型2(剛接)僅分別增大4.5 mm和1.2 mm，幾乎可以忽略。其原因是：E的減小會(huì)直接增大模型 1中作用在抗滑樁上部的水平推力，而模型2(剛接)中的填土荷載直接通過承臺(tái)和樁體傳遞至地基土，受E變化的影響不大。

表4所示為覆蓋層模量E對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的影響。從表4可知：2種模型下的E變化均對(duì)Fs沒有影響，F(xiàn)s保持不變，這是由于采用強(qiáng)度折減法進(jìn)行穩(wěn)定性分析時(shí)，僅對(duì)黏聚力和內(nèi)摩擦角進(jìn)行折減，與彈性模量無關(guān)。

圖10 抗滑樁樁長(zhǎng)的影響Fig.10 Effect of length of anti-slide pile

表3 抗滑樁樁長(zhǎng)對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Table 3 Effect of length of anti-slide pile on safety factors of stability

表4 覆蓋層模量對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Table 4 Effect of modulus of overburden on safety factors of stability

圖11 覆蓋層模量的影響Fig.11 Effect of modulus of overburden

4.3 上覆荷載的影響

分別取上覆荷載p為10，20，30和40 kPa，分析p對(duì)組合支擋結(jié)構(gòu)建造完成時(shí)墻面和抗滑樁水平位移的影響，如圖12所示。從圖12可知：2種模型的墻面和抗滑樁水平位移均隨著p增大而增大，增幅都較為均勻，與減小Lp和E不同的是，墻面水平位移最大增幅位于擋墻頂部，當(dāng)p從10 kPa增大至40 kPa時(shí)，模型1的墻頂水平位移從35.9 mm增大至99.9 mm，模型2(剛接)則從19.7 mm增大至38.6 mm，增幅非常顯著。

表5所示為上覆荷載對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)Fs的影響。從表5可知：隨著p增大，2種模型的Fs均明顯降低，當(dāng)p從10 kPa增大至40 kPa時(shí)，模型1中Fs的降幅為6.9%，模型2(剛接)中Fs的降幅為6.0%，兩者相差不大，表明上覆荷載作用下Fs的變化與下部支承結(jié)構(gòu)關(guān)系不大，即便在抗滑樁頂部設(shè)置了承臺(tái)，仍需重視上覆荷載作用對(duì)路基穩(wěn)定性的影響。

表5 上覆荷載對(duì)路基穩(wěn)定安全系數(shù)的影響Table 5 Effect of surcharge load on safety factors of stability

圖12 上覆荷載的影響Fig.12 Effect of surcharge load

5 結(jié)論

1) 針對(duì)山區(qū)陡坡地形上加筋土擋墻抗滑穩(wěn)定性的不足，提出了抗滑樁+剛/柔組合墻面加筋土擋墻組合支擋結(jié)構(gòu)，可以充分發(fā)揮抗滑樁和剛/柔組合墻面加筋土擋墻各自的優(yōu)勢(shì)，形成抗滑穩(wěn)定性高、墻面變形小、地形適應(yīng)能力強(qiáng)且施工簡(jiǎn)便的山區(qū)陡坡上高填方路基支擋結(jié)構(gòu)。

2) 在抗滑樁頂部設(shè)置承臺(tái)可以有效減小墻面水平位移、抗滑樁樁身水平位移和各層格柵最大拉力，顯著改變抗滑樁樁身彎矩分布形態(tài)，提高路基的穩(wěn)定性，但樁頂豎向位移會(huì)小幅度增大。

3) 將抗滑樁和承臺(tái)的連接方式由剛接改成鉸接時(shí)，墻面水平位移、抗滑樁樁身水平位移和各層格柵最大拉力均小幅增大，而抗滑樁樁身彎矩顯著減小，分布形態(tài)也發(fā)生明顯改變，出現(xiàn)反彎點(diǎn)，但路基穩(wěn)定性未發(fā)生變化。

4) 相比于抗滑樁+承臺(tái)(剛接)，未設(shè)置承臺(tái)時(shí)的墻面水平位移和抗滑樁樁身水平位移更容易受到抗滑樁樁長(zhǎng)、覆蓋層模量和上覆荷載變化的不利影響。在抗滑樁頂部設(shè)置承臺(tái)，可以在確保路基穩(wěn)定性的同時(shí)，減小對(duì)抗滑樁樁長(zhǎng)的依賴。