沿河路堤高邊坡“h”形樁支護(hù)體系分析

常娟娟 黃質(zhì)宏 黃彥森＊ 武寧波 王 波

（1.貴州聯(lián)建土木工程質(zhì)量檢測監(jiān)控中心有限公司，貴州貴陽 550081；2.貴州大學(xué)，貴州貴陽 550025）

1 工程概況

沿河地處貴州高原東北邊緣斜坡、大婁山脈和武陵山脈交錯地帶，烏江由南至北將沿河縣分割為西北、東南兩大部分，西北部屬大婁山脈，東南部屬武陵山脈。巖溶區(qū)占比為72.5%，非巖溶區(qū)占比為27.5%，是典型的巖溶山區(qū)。

本項(xiàng)目位于沿河縣城南約1.5 km，緊鄰烏江河畔，烏江河面寬160～225 m，水深0.2～20.0 m，烏江歷史最高洪水位312 m。由于受降水時(shí)空變化的影響，烏江水量變幅大，月際分配極不均勻，水位變化頻繁。

道路近南北走向，場區(qū)位于沿河縣城烏江河谷西岸，烏江河谷切割較深、岸坡次一級支溝發(fā)育；海拔289.15～321.31 m，相對高差32.16 m，地勢較陡，場地上覆土層主要為素填土，基巖為奧陶系下統(tǒng)湄潭組泥質(zhì)石灰?guī)r，其中強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)石灰?guī)r：灰黑色，結(jié)構(gòu)大部分破壞，風(fēng)化裂隙很發(fā)育，巖體極破碎，裂隙中含黏土；中風(fēng)化泥質(zhì)石灰?guī)r：灰色，含方解石脈，節(jié)理面鐵質(zhì)浸染，節(jié)理、裂隙較發(fā)育，巖體較破碎。

2 原支護(hù)方案單排樁支護(hù)體系

該路堤高邊坡K0+500～K1+000段最初設(shè)計(jì)采用單排直徑1.8 m抗滑樁加樁間板，樁中心距5 m，樁總長樁頂至路基邊緣線按1∶1.5坡率放坡后，坡面采用漿砌片石及菱形窗口護(hù)坡。

現(xiàn)場按：臨時(shí)安全防護(hù)→防排水處理→樁板墻工程→坡面防護(hù)工程的順序施工，項(xiàng)目抗滑樁參數(shù)如表1所示。

表1 單排樁設(shè)計(jì)參數(shù)表 單位：m

在上述設(shè)計(jì)支護(hù)體系的樁和樁間板制作完成樁后，進(jìn)行懸臂段樁板后路基回填，在回填到1/2懸臂高度時(shí)，懸臂較高位置的樁頂產(chǎn)生了向外位移，根據(jù)現(xiàn)場實(shí)測數(shù)據(jù)，樁頂最大產(chǎn)生了3 cm的位移（指向邊坡外側(cè)）。

經(jīng)過分析由于本項(xiàng)目K0+500～K1段路基右側(cè)緊鄰烏江河，沿岸雜填土較多，覆土層較厚，地質(zhì)環(huán)境總體脆弱，洪水位較高，受水位上漲和地表降水雙重因素的影響，導(dǎo)致了尚處于施工過程中的樁間板發(fā)生了位移，經(jīng)過分析計(jì)算單排樁支護(hù)體系已無法滿足該場地的支護(hù)需求，繼續(xù)進(jìn)行路基回填，支護(hù)體系將完全失效。故需要對原單排1.8 m直徑的支護(hù)體系進(jìn)行修正和加固。

3 加固方案“h”形樁支護(hù)體系

樁頂產(chǎn)生異常位移，經(jīng)分析暴雨影響使得樁后填料及覆蓋層部分的物理力學(xué)參數(shù)發(fā)生了變化，經(jīng)核算，直徑1.8 m單排樁體系在暴雨及洪水工況下安全儲備不夠，樁頂變形理論值過大，需要進(jìn)行加固。

通過場地地質(zhì)條件、施工難易、經(jīng)濟(jì)性等多方面對比最終確定采用“h”形樁支護(hù)體系，即在已經(jīng)完成的1.8 m單排樁體系內(nèi)側(cè)增加一排抗滑樁，樁頂標(biāo)高低于已經(jīng)施工完成的抗滑樁，樁徑和配筋通過具體斷面的側(cè)壓力和剩余下滑力計(jì)算確定，兩排樁在新增抗滑樁的樁頂增加冠梁連接成整體，支護(hù)體系布置如圖1所示。

圖1 加固方案“h”形樁支護(hù)體系斷面圖（單位：cm）

4 高邊坡“h”形樁支護(hù)體系應(yīng)用分析

4.1 理論計(jì)算

理論計(jì)算時(shí)，分別計(jì)算邊坡側(cè)向巖土壓力和剩余下滑力，其中剩余下滑力根據(jù)不同工況分別計(jì)算土層內(nèi)部圓弧滑動和巖土結(jié)合面折線滑動，三者計(jì)算結(jié)果中取大值控制抗滑樁內(nèi)力和位移計(jì)算。

計(jì)算中考慮最不利工況，按浸水工況進(jìn)行計(jì)算，坡頂?shù)缆犯郊雍奢dq=30 kPa，折算成回填土土柱高度，根據(jù)地勘報(bào)告結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)選取各項(xiàng)計(jì)算參數(shù)。

巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表2所示。

表2 巖土物理力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)表

依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范中邊坡理論計(jì)算的相關(guān)規(guī)定[1-2]，采用庫侖土壓力、圓弧滑動、折線滑動等經(jīng)典巖土力學(xué)理論，對該高邊坡進(jìn)行側(cè)壓力和穩(wěn)定性分析，邊坡理論分析計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 邊坡理論分析計(jì)算匯總 單位：kN/m

由計(jì)算結(jié)果可知，該邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力分析應(yīng)采用側(cè)向土壓力Eak=1 703.57 kN/m控制計(jì)算。

通過多方案試算和對比最終確定結(jié)構(gòu)布置最合理、經(jīng)濟(jì)最優(yōu)的方案為：對應(yīng)1.8 m樁每個段面內(nèi)側(cè)增加2.0 m直徑抗滑樁（新增抗滑樁樁頂?shù)陀谕鈧?cè)原設(shè)計(jì)樁頂6 m，形成“h”形樁受力體系），兩根樁之間設(shè)置冠梁形成整體受力的“h”形剛架體系，將側(cè)向巖土壓力簡化成均布荷載作用于“h”形結(jié)構(gòu)，利用結(jié)構(gòu)力學(xué)原理計(jì)算支護(hù)體系內(nèi)力和位移，結(jié)算結(jié)果如圖2所示。

圖2 結(jié)構(gòu)受力分布圖、彎矩、剪力曲線圖

4.2 MIDAS GTS數(shù)值模擬

由于“h”形樁支護(hù)體系理論計(jì)算采用的是簡化的結(jié)構(gòu)模型進(jìn)行計(jì)算，因此，計(jì)算結(jié)果勢必?zé)o法完全擬合復(fù)雜的巖土環(huán)境和結(jié)構(gòu)自身的變形。

本文采用MIDAS GTS對原設(shè)計(jì)單排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)的水平變形和加固推薦方案“h”形樁支護(hù)體系進(jìn)行數(shù)值模型分析，MIDAS GTS是將通用的有限元分析內(nèi)核與巖土結(jié)構(gòu)的專業(yè)性有機(jī)地結(jié)合而開發(fā)的巖土有限元分析軟件，能盡可能貼近實(shí)際地模擬巖土體結(jié)構(gòu)的作用情況，因此選用該軟件對本文擬分析的復(fù)雜支護(hù)體系在復(fù)雜巖土地質(zhì)條件下的變形值進(jìn)行分析，分析結(jié)果如圖3所示。

圖3 “h”形樁支護(hù)回填完成后整體水平位移

4.3 理論計(jì)算和數(shù)值模擬對比

由數(shù)值模擬結(jié)果可知，理論計(jì)算和數(shù)值模擬得到兩種樁端的水平位移值，兩種方法在“h”形樁支護(hù)體系5個關(guān)鍵結(jié)構(gòu)節(jié)點(diǎn)處的位移值匯總?cè)鐖D4所示。

圖4 樁端位移理論計(jì)算和數(shù)值分析對比圖

由上圖可知理論計(jì)算和數(shù)值模擬出的結(jié)果顯示，“h”形支護(hù)體系5個關(guān)鍵節(jié)點(diǎn)處的水平變形值趨勢相同，變形數(shù)值基本一致。

5 結(jié)語

數(shù)值分析結(jié)果與理論計(jì)算結(jié)果相契合，二者相互論證，說明該高邊坡在單排樁不能滿足邊坡支護(hù)穩(wěn)定性的條件下，加固方案采用“h”形支護(hù)體系是經(jīng)濟(jì)合理的，優(yōu)于排樁（包括樁錨）和雙排樁兩種方案，既充分利用了原設(shè)計(jì)單排樁的作用，又保證了路堤邊坡的安全使用，比樁+錨結(jié)構(gòu)節(jié)省工期，比常規(guī)雙排樁節(jié)約造價(jià)，對于此類緊鄰河畔、無多余的放坡空間、沿岸雜填土多、覆土厚度大、洪水位高、地質(zhì)環(huán)境總體脆弱的路堤回填高邊坡，是一種經(jīng)濟(jì)合理的支護(hù)形式。