公路高邊坡抗滑樁設(shè)計(jì)與綜合評(píng)價(jià)

郭立華

(山西省交通規(guī)劃勘察設(shè)計(jì)院有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概況

某高速公路路基高邊坡上部有一處滑坡體，長(zhǎng)度為55 m，水平距離380 m、寬330 m，滑坡體厚度為13～37 m之間，滑坡體前后緣高差為118 m。該滑坡體巖體破碎，風(fēng)化嚴(yán)重，滑動(dòng)面有破碎帶，內(nèi)部有次生夾泥，有滑動(dòng)變形，滑床巖體類別為砂巖，強(qiáng)度較高，穩(wěn)定性良好。

2 滑坡體抗滑樁加固設(shè)計(jì)

2.1 抗滑樁加固方案

為了有效控制高邊坡滑坡體位移，設(shè)計(jì)采用抗滑樁進(jìn)行加固。該滑坡體一共設(shè)置46根抗滑樁，其中8根位移滑坡體兩側(cè)邊緣(每側(cè)4根)，斷面尺寸為2.0 m×3.0 m，單樁設(shè)計(jì)抗滑力為2 MN，另外38位于滑動(dòng)體中部，斷面尺寸為2.5 m×4.0 m，單樁設(shè)計(jì)抗滑力為15 MN。為了提高加固效果，在部分抗滑樁頂部設(shè)置預(yù)應(yīng)力錨索，設(shè)計(jì)長(zhǎng)度為30 m，其中錨固段長(zhǎng)度為12 m。為了確定抗滑樁對(duì)滑坡體的加固效果，完工后對(duì)滑坡體穩(wěn)定性進(jìn)行監(jiān)測(cè)，在滑坡體內(nèi)部布置的抗滑樁上部布置10根測(cè)斜管和5根鋼筋計(jì)，整理監(jiān)測(cè)結(jié)果作為分析抗滑樁加固效果的依據(jù)。

2.2 抗滑樁內(nèi)力計(jì)算

(1)錨固段地層抗力計(jì)算

選取I-31號(hào)抗滑樁作為研究對(duì)象，進(jìn)行錨固段地層抗力計(jì)算。I-31號(hào)抗滑樁斷面尺寸為2.5 m×4.0 m，樁長(zhǎng)30 m，其中錨固段長(zhǎng)度為12 m。錨固段長(zhǎng)度巖體類型為砂巖，結(jié)構(gòu)完整，穩(wěn)定性良好。錨固段地層抗力采用“K”法進(jìn)行計(jì)算，查表確定地基反力系數(shù)為4×108N/m3。

I-31號(hào)抗滑樁側(cè)向位移測(cè)斜管監(jiān)測(cè)結(jié)果如表1所示，在Winkler彈性地基梁模型的基礎(chǔ)上，采用公式(1)對(duì)每延米地基反力進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表1 I-31號(hào)抗滑樁側(cè)向位移測(cè)斜管監(jiān)測(cè)結(jié)果

表2 I-31號(hào)抗滑樁錨固段每延米的地基反力計(jì)算值

σ(i)=Kibsi

(1)

式中：σ(i)為深度為i米處地層抗力；Ki為深度為i米處地基反力系數(shù)；B為抗滑樁的寬度；si為抗滑樁滑動(dòng)面以下深度為i米處的側(cè)向位移。

(2)滑坡剩余下滑力計(jì)算

錨索拉力T為868 kN，結(jié)合表1中錨固段每延米的地基反力計(jì)算結(jié)果，通過(guò)公式(2)和公式(3)計(jì)算緩坡體剩余下滑力和力矩。

(2)

(3)

式中：l為錨索作用點(diǎn)到滑動(dòng)面的距離，l=4.211。

計(jì)算得出抗滑樁剩余下滑力F=10.89 MN，根據(jù)鋼筋計(jì)監(jiān)測(cè)結(jié)果，分析確定埋深為8 m、13 m、17 m和20 m位置的抗滑樁截面鋼筋受力。通過(guò)計(jì)算得出各截面處的彎矩，I-31號(hào)抗滑樁鋼筋計(jì)單根鋼筋受力監(jiān)測(cè)結(jié)果和截面彎矩計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 I-31號(hào)單根鋼筋受力和截面彎矩計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)表

I-31號(hào)抗滑樁深度為16～20 m為回填土，這個(gè)深度范圍內(nèi)滑坡剩余下滑力接近于零。取z=16 m，采用MATLAB計(jì)算軟件分析得出滑坡體剩余下滑力的分布函數(shù)如下

f(z)=-3.29z2+32.6z+989.3

式中：z的取值范圍為-16～0。分析上述分布函數(shù)可知，該函數(shù)分布曲線形狀接近于三角形?？够瑯堵裆顉在-15～-13.2 m段，抗滑樁后部滑坡體的推力小于抗滑樁前部的土層抗力，該深度范圍內(nèi)滑坡體剩余下滑力小于0?？够瑯堵裆顉在-13.2 m～0段，滑坡剩余下滑力與抗滑樁埋深成正比。

(3)抗滑樁內(nèi)力對(duì)比分析

根據(jù)上述計(jì)算結(jié)果，可以確定I-31號(hào)抗滑樁上部假設(shè)作用力，計(jì)算確定抗滑樁的理論彎矩值和剪力值，得出最大彎矩值為19.7 MN·m，最大剪力為6.49 MN。結(jié)合抗滑樁彎矩和剪力監(jiān)測(cè)結(jié)果，繪制抗滑樁彎矩、剪力的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化曲線，如圖1和圖2所示。

圖1 抗滑樁彎矩的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化曲線

圖2 抗滑樁剪力的理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)值變化曲線

對(duì)比分析圖1和圖2曲線變化情況，抗滑樁的彎矩和剪力的實(shí)測(cè)值均遠(yuǎn)小于理論計(jì)算值，說(shuō)明抗滑樁的實(shí)際受力遠(yuǎn)小于極限抗滑力，得出抗滑樁的工作狀態(tài)是穩(wěn)定安全的。

為了準(zhǔn)確評(píng)價(jià)抗滑樁的工作狀態(tài)，還需要計(jì)算安全度K，是抗滑樁彎矩和剪力最大理論計(jì)算值與實(shí)測(cè)最大值的比值，計(jì)算結(jié)果如下。

彎矩安全度K1=95.73/19.7=4.86

剪力安全度K2=33.66/6.49=5.19

內(nèi)力安全度K3=16/10.89=1.47

結(jié)合彎矩、剪力、內(nèi)力安全度計(jì)算結(jié)果，I-24號(hào)抗滑樁處于安全狀態(tài)，且抗滑樁工作狀態(tài)時(shí)所受的下滑力遠(yuǎn)低于極限抗滑力，說(shuō)明抗滑樁設(shè)計(jì)偏安全，安全余度較大，可以對(duì)樁體設(shè)計(jì)進(jìn)行優(yōu)化。

2.3 抗滑樁所受滑坡剩余下滑力的反演

結(jié)合抗滑樁所處地層地質(zhì)情況，確定抗滑樁錨設(shè)計(jì)參數(shù)，建立有限元抗滑樁分析模型。以I-31號(hào)抗滑樁為研究對(duì)象，設(shè)計(jì)樁長(zhǎng)為30 m，其中錨固段長(zhǎng)度為12 m，設(shè)計(jì)錨索長(zhǎng)度為35 m?；麦w剩余下滑力取2～15 MN，結(jié)合分布型式，進(jìn)行側(cè)向位移計(jì)算，計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)位移如表4所示。

表4 I-31號(hào)抗滑樁側(cè)向位移計(jì)算結(jié)果

結(jié)合表4有限元分析結(jié)果，對(duì)不同分布型式抗滑樁側(cè)向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值進(jìn)行對(duì)比分析?？够瑯秱?cè)向位移實(shí)測(cè)值與計(jì)算值接近，說(shuō)明二者的符合度較高。通過(guò)滑坡剩余下滑力反演分析，得出矩形滑坡推力2.89 MN，三角形為4.45 MN，梯形為4.316 MN，階梯形為5.1 MN。結(jié)合本項(xiàng)目抗滑樁所處的地質(zhì)情況，四種分布型式均滿足要求。按照最保守的梯型分析，滑坡推力值為5.1 MN。結(jié)合設(shè)計(jì)資料，設(shè)計(jì)抗滑力為15 MW，結(jié)合上述計(jì)算方法得出抗滑樁安全度K=3，說(shuō)明抗滑樁處于偏安全狀態(tài)，可以對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。

3 抗滑樁工作狀態(tài)綜合評(píng)價(jià)

結(jié)合上述抗滑樁內(nèi)力和抗滑力計(jì)算結(jié)果，確定I-31號(hào)抗滑樁處于安全狀態(tài)。結(jié)合抗滑樁彎矩、剪力和抗滑力有限元計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)結(jié)果，通過(guò)分析計(jì)算得出安全度分別為安全度4.86、5.19和1.47。通過(guò)滑坡剩余下滑力反演分析，得出抗滑樁安全度K=3。

綜合分析上述計(jì)算結(jié)果，I-31號(hào)抗滑樁的安全度均大于1，處于安全狀態(tài)。結(jié)合抗滑樁側(cè)向位移監(jiān)測(cè)結(jié)果，位移值變化量較小，說(shuō)明坡體處于穩(wěn)定狀態(tài)，抗滑樁可有效控制滑坡位移。綜合上述結(jié)果，可以得出該抗滑樁有效提高了滑坡體的穩(wěn)定性，且具有較高的安全余度。

4 結(jié) 語(yǔ)

為了合理評(píng)價(jià)抗滑樁的抗滑效果，采用MATLAB計(jì)算軟件，通過(guò)有限元分析計(jì)算抗滑樁彎矩、剪力和滑坡剩余下滑力，并結(jié)合監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析得出以下結(jié)論。

(1)對(duì)比分析抗滑樁內(nèi)力計(jì)算結(jié)果和監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，I-31號(hào)抗滑樁安全度均大于1，說(shuō)明抗滑樁處于安全狀態(tài)，且安全余度較大；

(2)對(duì)比分析抗滑樁側(cè)向位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值，得出抗滑樁安全度為3，說(shuō)明I-31號(hào)抗滑樁處于安全狀態(tài)。

總之，I-31號(hào)抗滑樁具有較高的安全余度，處于偏安全狀態(tài)，需要對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行優(yōu)化。