兩種結(jié)合抗滑鍵的自平衡擋墻對(duì)滑坡的防治效果研究

他國(guó)山 劉長(zhǎng)青 康 凱 張宇翔

（北京市勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，北京 100038）

0 引言

抗滑鍵結(jié)合擋墻的形式，又稱為自平衡擋墻[1]，因其綜合利用了抗滑鍵的抗彎能力與擋墻的抗剪性能，被廣泛地應(yīng)用在邊坡治理中。擋墻可以有效控制表層土體滑動(dòng)，利用自身結(jié)構(gòu)將墻后土體產(chǎn)生的水平推力傳遞到墻基礎(chǔ)，但是對(duì)于一些深層滑動(dòng)的邊坡，擋墻往往治標(biāo)不治本，而抗滑鍵可以提供深層阻力，防止邊坡發(fā)生深層滑動(dòng)，對(duì)于既有深層滑動(dòng)又有淺層滑動(dòng)的邊坡，即可采用自平衡擋墻對(duì)邊坡進(jìn)行治理。自平衡擋墻不但可以減小樁身彎矩，降低配筋率、錨固深度和工程造價(jià)，而且可以縮短工期，增加邊坡支護(hù)高度[2]。

目前，自平衡擋墻對(duì)滑坡的治理方式已有廣泛研究，劉 杰應(yīng)用極限分析上限法，定量分析了樁間距、懸臂段高度、嵌固段深度、填土內(nèi)摩擦角、填土黏聚力對(duì)抗滑樁穩(wěn)定性的影響[3]；鄭俊杰等提出了樁基擋墻極限狀態(tài)的確定方法，認(rèn)為隨路面荷載不斷增大，樁基擋墻結(jié)構(gòu)首先出現(xiàn)抗滑樁剪切破壞，結(jié)構(gòu)承載力極限狀態(tài)由抗滑樁抗剪承載力確定[4]；李新衛(wèi)等利用有限差分法對(duì)抗滑樁的空間位置進(jìn)行優(yōu)化，認(rèn)為應(yīng)該將抗滑樁布置在滑體的前部，除了發(fā)揮抗滑樁的抗滑作用，還能夠使擋墻起到一定的支護(hù)作用[5]；姜孟分析了微型樁擋墻組合結(jié)構(gòu)加固時(shí)邊坡的水平位移、豎向位移以及微型樁的樁身變形與位移情況[6]；宋 曦完善了自平衡擋墻加預(yù)應(yīng)力錨索的計(jì)算方法，并著重對(duì)嵌固面以下直樁、斜樁嵌固和樁前土體穩(wěn)定性問題進(jìn)行了理論推導(dǎo)[7]；李鈞民認(rèn)為防止擋墻下地基發(fā)生滑動(dòng)，除了設(shè)置抗滑樁外，還可采用散體樁(碎石樁 、渣土樁等)、水泥土樁、CFG 樁等復(fù)合地基和高壓噴射注漿、灌漿等方法以提高其強(qiáng)度[8]；鐘國(guó)輝對(duì)自平衡擋墻的變形、高填方區(qū)雙排樁疊加扶壁式擋墻邊坡支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究，該技術(shù)既保證了擋墻的支護(hù)高度，又確保其自身穩(wěn)定，支護(hù)較為可靠[9]；代凌輝等研究擋墻與抗滑樁相結(jié)合的邊坡復(fù)式斷面，結(jié)果表明，此類邊坡的潛在滑弧位置會(huì)隨著抗滑樁的樁長(zhǎng)增加而上移[10]；鐘玉斌研究了自平衡擋墻的力學(xué)性能與設(shè)計(jì)方法，認(rèn)為新型的自平衡擋墻效果明顯優(yōu)于傳統(tǒng)抗滑樁[11]。

根據(jù)上述學(xué)者的研究，說明擋墻結(jié)合抗滑鍵的自平衡擋墻防治措施是切實(shí)可行的，可以有效地阻止滑坡發(fā)生。目前的研究主要集中在擋墻結(jié)合不同形式抗滑鍵的防治效果，對(duì)于不同形式擋墻結(jié)合抗滑鍵對(duì)滑坡的防治效果研究還比較少。本文結(jié)合北京延慶區(qū)某索道邊坡治理中應(yīng)用的抗滑鍵+擋墻的形式，對(duì)直立式擋墻+抗滑鍵與仰斜式擋墻+抗滑鍵的防治效果進(jìn)行比較分析。

1 工程背景

某索道基座臨近高陡邊坡，該邊坡巖體節(jié)理發(fā)育，較破碎，被列為高危地質(zhì)災(zāi)害點(diǎn)。為保證索道順利運(yùn)行，需對(duì)該邊坡進(jìn)行專項(xiàng)防治。

此邊坡地質(zhì)災(zāi)害類型為滑坡。坡寬約22 m，坡高約9～12 m，坡度約50°，索道沿線未見地表水或地下水出露，場(chǎng)地地層劃分為人工堆積層、第四紀(jì)崩坡積層及白堊紀(jì)侵入巖。

（1）人工堆積層：碎石素填土①1層，鉆探揭露的碎石粒徑D一般=6～9 cm，D大=14 cm，D長(zhǎng)=23 cm，充填粉土、砂土。

（2）第四紀(jì)崩坡積層：碎石、塊石⑤層，雜色，密實(shí)，稍濕-濕，鉆探揭露的D一般=8～10 cm，D大=16 cm，D長(zhǎng)=20 cm，棱角形，含中砂、粗砂約20 %。場(chǎng)地內(nèi)的碎石土分布廣泛，局部含粒徑大于1.0 m 的塊石，對(duì)土層開挖影響較大。

（3）白堊紀(jì)侵入巖（K1Xd）：花崗巖⑥層，鉆探揭示整體為中等風(fēng)化，黃色顯粉紅，局部灰綠色，細(xì)粒結(jié)構(gòu)，塊狀構(gòu)造，礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量角閃石和黑云母，較堅(jiān)硬巖-堅(jiān)硬巖，巖體為裂隙塊狀，較完整-較破碎，巖芯呈柱狀、碎塊狀，一般柱長(zhǎng)15～30 cm，最大柱長(zhǎng)120 cm，錘擊聲脆，不易擊碎；花崗巖⑥1層，鉆探揭示整體為強(qiáng)風(fēng)化，局部全風(fēng)化，黃色顯粉紅，局部灰綠色，塊狀構(gòu)造，礦物成分以長(zhǎng)石、石英為主，含少量角閃石和黑云母。巖體呈碎塊狀、節(jié)理裂隙發(fā)育，裂隙間充填中砂、粗砂，極破碎-破碎。根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及周邊已有資料，基巖的強(qiáng)風(fēng)化帶厚度一般2 m 左右，并與裂隙發(fā)育程度密切相關(guān)，多呈碎裂結(jié)構(gòu)。索道基座工程地質(zhì)縱斷面如圖1所示。

圖1 索道基座工程地質(zhì)縱斷面

本邊坡可采用直立式擋墻+抗滑鍵或仰斜式擋墻+抗滑鍵的方案進(jìn)行治理，經(jīng)過常規(guī)的邊坡設(shè)計(jì)計(jì)算，兩種自平衡擋墻均能滿足抗傾覆要求，本文通過ANSYS 建立自平衡擋墻有限元模型，研究自平衡擋墻的應(yīng)力及位移變化，最終達(dá)到優(yōu)化設(shè)計(jì)選型的目的。

2 數(shù)值建模

為保證模型的可靠收斂，需對(duì)實(shí)際邊坡簡(jiǎn)化處理：（1）不考慮抗滑樁內(nèi)部鋼筋的分布影響，假定鋼筋混凝土樁為均質(zhì)彈塑性材料；（2）不考慮地下水滲流及地震作用的影響；（3）邊坡頂部的石籠擋墻及人工回填的雪道與碎石土共同作為滑體。

2.1 參數(shù)選擇

材料本構(gòu)模型的選取是否合適，直接影響分析結(jié)果的準(zhǔn)確性和合理性。參照邊坡土體的材料特性，目前常用的本構(gòu)模型有Mohr-Coulomb(M-C)模型和Drucker-Prager(D-P)模型[12-13]。本文采用D-P 模型，材料參數(shù)根據(jù)勘察報(bào)告提供的巖石參數(shù)及工程常用經(jīng)驗(yàn)取值，確定了滑體、滑床及抗滑鍵三種材料參數(shù)，見表1。

表1 數(shù)值模擬材料參數(shù)

2.2 網(wǎng)格劃分

由于坡體縱向相對(duì)較長(zhǎng)，計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，ANSYS 分析中選用 PLANE42 平面單元[14-15]。為了消除邊界效應(yīng)的影響，數(shù)值計(jì)算模型整體尺寸需要足夠大，最終確定模型幾何邊界為100 m×43 m，有限元分析網(wǎng)格劃分見圖2、圖3。

圖2 直立式擋墻+抗滑鍵網(wǎng)格圖

圖3 仰斜式擋墻+抗滑鍵網(wǎng)格圖

建模過程中，左右兩側(cè)限制水平方向位移，即UX=0，底部邊界設(shè)置全約束，UX=UY=0，頂部為自由邊界，選擇天然工況荷載進(jìn)行計(jì)算。

2.3 模擬計(jì)算結(jié)果分析

計(jì)算完成后，通過后處理提取模型各種應(yīng)力應(yīng)變?cè)茍D，圖4是直立式擋墻+抗滑鍵情況下坡體的塑性區(qū)發(fā)展云圖。

由圖4可知，上部的碎石土有可能沿著土巖交界面形成圓弧滑動(dòng)，但在自平衡擋墻的阻擋下，塑性區(qū)停留在樁前，沒有繼續(xù)往下發(fā)展，擋墻的抗滑移能力明顯，設(shè)置的自平衡擋墻是有效的。選擇兩種支護(hù)形式下總應(yīng)力云圖見圖5、圖6。

圖4 直立式擋墻+抗滑鍵塑性云圖

圖5 直立式擋墻+抗滑鍵應(yīng)力云圖

圖6 仰斜式擋墻+抗滑鍵應(yīng)力云圖

由圖5和圖6可知，兩種形式擋墻在上部邊坡荷載作用下，均出現(xiàn)明顯的壓拉應(yīng)力，受力符合受彎變形特征，尤其是墻后區(qū)域明顯受壓，直立式擋墻+抗滑鍵時(shí)最大壓應(yīng)力為7.51 MPa，仰斜式擋墻+抗滑鍵時(shí)最大壓應(yīng)力為6.11 MPa，但受壓區(qū)范圍有限。圖4-圖6說明數(shù)值分析模型符合實(shí)際。

3 自平衡擋墻防治效果分析

3.1 模型計(jì)算

考慮到索道正常運(yùn)行期間，坡頂是一條滑雪用雪道，后期會(huì)有額外的荷載增加，包括滑雪需要的人工造雪，以及施工機(jī)械的活荷載。為進(jìn)一步分析兩種自平衡擋墻的防治效果，基于以上模型，在邊坡頂部增加外荷載，模擬現(xiàn)實(shí)情況，荷載施加為線荷載，具體位置如圖7所示。

圖7 自平衡擋墻坡頂加載圖

外荷載從0 開始，依次遞增10 kN/m，直到模型不收斂為止，分別對(duì)直立式擋墻+抗滑鍵、仰斜式擋墻+抗滑鍵的模型進(jìn)行計(jì)算，并依次提取各個(gè)荷載作用下自平衡擋墻的位移，當(dāng)外荷載為0 時(shí)，直立式自平衡擋墻最大位移為2.72 mm，仰斜式自平衡擋墻最大位移為2.26 mm。

3.2 對(duì)比分析

計(jì)算各級(jí)荷載作用下自平衡擋墻的應(yīng)力及位移，整理并繪制圖8。

圖8中紅色線條代表直立式自平衡擋墻計(jì)算數(shù)據(jù)，藍(lán)色線條代表仰斜式自平衡擋墻計(jì)算數(shù)據(jù)，黑色三角為墻頂最大位移，綠色圓點(diǎn)為自平衡擋墻最大拉應(yīng)力，黃色方塊為自平衡擋墻最大壓應(yīng)力，通過對(duì)比可知：

圖8 自平衡擋墻受外荷載作用時(shí)應(yīng)力及位移圖

（1）在外荷載增加至40 kN/m 之前，不管是墻頂位移還是樁身應(yīng)力，直立式擋墻均大于仰斜式自平衡擋墻，從這個(gè)角度來(lái)看，仰斜式自平衡擋墻更有優(yōu)勢(shì)，可以更好地保持邊坡穩(wěn)定，且自身受力更合理。

（2）隨著坡頂荷載的繼續(xù)增加，超過40 kN/m時(shí)，仰斜式擋墻模型計(jì)算出現(xiàn)不收斂，擋墻位移急劇增加，說明此時(shí)模型已經(jīng)破壞，而直立式擋墻依舊可以正常計(jì)算，直到80 kN/m 之后才出現(xiàn)不收斂的情況，模型發(fā)生破壞。

（3）直立式自平衡擋墻在高外荷載作用時(shí)依舊可以發(fā)揮作用，相對(duì)同等高度的仰斜式自平衡擋墻防治效果更好，安全儲(chǔ)備更高。

根據(jù)以上模擬結(jié)果，該邊坡治理中，選擇了直立式擋墻+抗滑鍵的自平衡擋墻形式，目前擋墻已正常運(yùn)行，邊坡穩(wěn)定，治理方案見圖9。

圖9 索道基座直立式擋墻+抗滑鍵剖面圖

4 結(jié)論

本文基于延慶區(qū)某邊坡治理工程，利用數(shù)值模擬分析了兩種不同形式擋墻結(jié)合抗滑鍵的防治效果，得出以下結(jié)論，對(duì)于同一邊坡，采用自平衡擋墻支護(hù)時(shí)，相同樁長(zhǎng)及墻高情況下：

（1）當(dāng)坡頂外加荷載小于40 kN/m 時(shí)，仰斜式自平衡擋墻相對(duì)于直立式自平衡擋墻的墻頂位移和墻身應(yīng)力更小，控制邊坡穩(wěn)定更有優(yōu)勢(shì)。

（2）當(dāng)坡頂情況較復(fù)雜，如坡頂為道路路肩，外加荷載大于40 kN/m 時(shí)，仰斜式自平衡擋墻位移及應(yīng)力急劇增加導(dǎo)致?lián)鯄κХ€(wěn)，而直立式自平衡擋墻依舊可以保持穩(wěn)定，有效地起到防護(hù)作用，其防護(hù)效果更佳，安全性更高。