樁板墻在路塹高邊坡加固處治設(shè)計(jì)中的應(yīng)用

羅云松

（廣東省九域工程技術(shù)咨詢有限公司，廣東 廣州 510000）

0 引言

隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，城鎮(zhèn)地區(qū)機(jī)動(dòng)車保有量激增，既有道路的規(guī)模已經(jīng)很難與日益增長(zhǎng)的交通量匹配，對(duì)既有道路的擴(kuò)寬改造也勢(shì)在必行。道路拓寬改造一般根據(jù)項(xiàng)目所在區(qū)域地形地貌因地制宜，采取在既有道路兩側(cè)對(duì)稱增加車道或者單側(cè)增加對(duì)等車道數(shù)的方式。工點(diǎn)所在項(xiàng)目即是單側(cè)新建四車道公路與既有道路形成雙八城市快速路，受城市規(guī)劃用地嚴(yán)格要求，本項(xiàng)目一處深路塹需垂直開挖14 m后正常放坡才能確保不侵占紅線[1]。傳統(tǒng)擋墻受結(jié)構(gòu)高度限制，且大體積混凝土澆筑質(zhì)量難以保證，而采用樁板墻結(jié)構(gòu)不僅可以減少開挖，節(jié)約用地，還可以快速封擋臨空面，確保路基穩(wěn)定。

1 工程概況

項(xiàng)目YK1+328—YK1+450段路線經(jīng)過山體中部，形成右側(cè)垂直挖深約23 m，規(guī)劃紅線距離坡腳水平距離約27 m，且右側(cè)山勢(shì)陡峭，正常放坡開挖受限。經(jīng)比選討論采用懸臂14 m抗滑樁+擋土板的支護(hù)方案，先行施工抗滑樁，后開挖坡面掛板，為防止樁頂邊坡發(fā)生越頂破壞，采用錨索框架加固。

2 工程地質(zhì)

2.1 地層巖性

場(chǎng)區(qū)所在山體高，山勢(shì)陡峭，山坡自然坡度25°～50°，局部陡坡陡坎。根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭示場(chǎng)區(qū)內(nèi)地層自上而下依次為第四系雜填土（Q4ml）、沖洪積層（Q4al+pl）、殘積層（Qel）以及下古生界（Pzl）片麻巖、燕山期（γy2）花崗巖。邊坡主體為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，裂隙發(fā)育，巖體極破碎，巖芯呈半巖半土狀、砂土狀、碎塊狀。

2.2 主要節(jié)理產(chǎn)狀

通過對(duì)工點(diǎn)所在位置巖體露頭情況進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)勘察，測(cè)得3組主要節(jié)理裂隙，分別為J1:55°∠68°，J2:140°∠36°，J3:303°∠44°，邊坡及主要結(jié)構(gòu)面的赤平投影圖如圖1所示。

圖1 邊坡節(jié)理赤平投影圖

3 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)赤平投影圖，J2、J3節(jié)理面與開挖坡面大角度（大于40°）相交，J1節(jié)理面與坡面小角度斜交順傾，但傾角大于開挖邊坡坡角，故單一結(jié)構(gòu)面產(chǎn)狀對(duì)坡體穩(wěn)定有利；J1、J2、J3組合交線傾向均與坡向夾角大于40°，節(jié)理面組合切割體屬于穩(wěn)定結(jié)構(gòu)。綜上，邊坡沿結(jié)構(gòu)面發(fā)生折線破壞的可能性不大，同時(shí)考慮邊坡范圍內(nèi)巖體受裂隙發(fā)育，將巖體切割成碎裂結(jié)構(gòu)或散裂結(jié)構(gòu)，邊坡穩(wěn)定性主要取決于巖塊間的鑲嵌情況和巖塊間的咬合力，判斷邊坡失穩(wěn)破壞形式為類土質(zhì)的圓弧破壞。

4 邊坡加固方案設(shè)計(jì)

4.1 坡率坡形

受規(guī)劃紅線限制，擬建邊坡采用四級(jí)放坡，最大坡高35.5 m。其中最下一級(jí)為14 m垂直放坡，以上采用8 m分級(jí)，坡率取1∶0.5，各級(jí)設(shè)2 m寬平臺(tái)。

圖2 YK1+328—YK1+450段右側(cè)邊坡典型橫斷面圖

4.2 剩余下滑力計(jì)算

4.2.1 計(jì)算方法

采用最為嚴(yán)格滿足力和力矩平衡的剛體極限平衡方法——Morgensten&Price法。

4.2.2 計(jì)算參數(shù)

巖土體參數(shù)根據(jù)地質(zhì)提供室內(nèi)土工試驗(yàn)，同時(shí)結(jié)合地方巖土經(jīng)驗(yàn)確定。計(jì)算斷面的巖土指標(biāo)參數(shù)如表1所示。

表1 主斷面巖土指標(biāo)參數(shù)

4.2.3 計(jì)算結(jié)果

采用邊坡工程專業(yè)軟件Geo-Slope之Slope/W進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性計(jì)算，計(jì)算結(jié)果顯示：采用邊坡開挖后，自然工況下穩(wěn)定系數(shù)為0.962，采用樁板墻加固之后要求安全系數(shù)大于1.25，此時(shí)作用在樁板上的剩余下滑力為1 090 kN/m（K=1.203）。

圖3 自然工況下，邊坡開挖后，穩(wěn)定性系數(shù)0.962

圖4 自然工況下，邊坡加固后，安全儲(chǔ)備系數(shù)1.251

4.3 抗滑樁設(shè)計(jì)計(jì)算

本次設(shè)計(jì)首先根據(jù)推力大小、地層性質(zhì)、滑體厚度等擬定樁長(zhǎng)、錨固深度、樁體界面尺寸、樁間距及地基系數(shù)，通過計(jì)算樁體變形系數(shù)及其計(jì)算深度判定是按彈性樁還是剛性樁來進(jìn)行設(shè)計(jì)。同時(shí)根據(jù)嵌固段地質(zhì)條件確定樁底邊界條件，從而采用相應(yīng)的公式計(jì)算樁身各界面的位移、內(nèi)力及側(cè)壁應(yīng)力并進(jìn)行地基強(qiáng)度校核。對(duì)于樁體結(jié)構(gòu)及擋土板設(shè)計(jì)，采用理正巖土軟件抗滑樁模塊計(jì)算結(jié)果進(jìn)行配筋設(shè)計(jì)，限于篇幅，本文不做詳細(xì)介紹。

4.3.1 樁體變形特征

擬采用抗滑樁截面為2.0×3.0 m，樁長(zhǎng)28 m，樁間距L=6 m，錨固段h2=14 m，受荷段h1=14 m。樁體錨固地層為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，地基系數(shù)與深度成正比，取m=40 000 kN/m。

其中Bp為樁的設(shè)計(jì)寬度；EI為樁的抗彎剛度。

4.3.2 外力計(jì)算

每根樁的滑坡推力Et=En×L=1090×6=654 t，按三角形分布，滑面位置水平推力為剪力彎矩

4.3.3 樁體內(nèi)力計(jì)算

采用“m”法計(jì)算樁身變位和內(nèi)力，根據(jù)彈性地基上的彈性樁樁頂受水平荷載作用時(shí)的繞曲微分方程[2]：

得出錨固段樁身任一截面位移（x）y、轉(zhuǎn)角（φ）y、彎矩（M）y、剪力（Qy）與滑面位置位移（XA）、轉(zhuǎn)角（φA）、彎矩（MA）、剪力（QA）的關(guān)系式。結(jié)合樁底支撐邊界條件，本次樁底為強(qiáng)風(fēng)化片麻巖，樁底按自由端考慮，即取樁端彎矩、剪力均為0，即可求得滑面位置位移及轉(zhuǎn)角公式[2]：

式中：Ai、Bi、Ci、Di為隨著樁身的換算深度而異的“m”法的影響函數(shù)值，進(jìn)而求得樁身各截面位置變位、彎矩、剪力如表2所示。

表2 截面彎矩、剪力、水平位移及地基土抗力

4.3.4 樁側(cè)應(yīng)力校核

抗滑樁將滑坡推力傳遞給樁周巖土體，樁前巖土產(chǎn)生被動(dòng)土壓力，樁后巖土體產(chǎn)生主動(dòng)土壓力，達(dá)到平衡狀態(tài)時(shí)，樁身任意一點(diǎn)對(duì)地層的側(cè)壁應(yīng)力不應(yīng)大于該點(diǎn)的被動(dòng)與主動(dòng)土壓力之差，即滿足[2]

根據(jù)表2可知，σ17.5≤σmax=1243.82 kPa，滿足規(guī)范要求。

綜上，樁頂最大位移為65 mm，小于懸臂段的1/10且不大于100 mm；樁側(cè)最大壓應(yīng)力小于巖土體所能提供的最大抗力，擬定的樁身截面、埋深、間距滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 樁頂邊坡加固

鑒于樁頂以上邊坡坡率較陡峭，為避免邊坡發(fā)生越頂破壞，對(duì)樁頂以上邊坡采用預(yù)應(yīng)力錨索框架加固[3]。方案設(shè)計(jì)過程中，采用類似土質(zhì)邊坡穩(wěn)定性分析方法，通過自動(dòng)搜索確定最危險(xiǎn)，計(jì)算在一定安全儲(chǔ)備條件下（K=1.25）剩余下滑力，進(jìn)而確定錨索設(shè)計(jì)錨固力及布置形式。本次設(shè)計(jì)在第二、三級(jí)邊坡中均設(shè)置3排預(yù)應(yīng)力錨索，第四級(jí)邊坡設(shè)置一排錨索。錨索采用6φ15.42 mm鋼絞線，長(zhǎng)度以錨固段進(jìn)入中風(fēng)化片麻巖為準(zhǔn)。

5 結(jié)語

工程建設(shè)中，受規(guī)劃用地嚴(yán)格限制時(shí)，經(jīng)常需要采用支擋措施進(jìn)行收坡，在傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)不能滿足工程需求時(shí)，樁板式結(jié)構(gòu)可以以直立形式放坡，且坡高可達(dá)15 m左右[4]。實(shí)際工程中，當(dāng)懸臂過長(zhǎng)時(shí)，還可與錨索組成樁錨結(jié)構(gòu)，通過預(yù)應(yīng)力錨索限制樁頂位移及改善樁體受力樁體，減小錨固長(zhǎng)度，達(dá)到更大懸臂的要求。隨著土地資源的日益緊張，樁板式支擋結(jié)構(gòu)將在未來的工程建設(shè)中發(fā)揮巨大作用。