預應力錨索樁板墻在高填方邊坡中的失穩(wěn)分析及加固研究

陳玉新，郭建輝，陳似華

（廣東博意建筑設計院有限公司，廣東佛山 528312）

0 引言

隨著城鎮(zhèn)化進程的推進，出現(xiàn)了越來越多的高填方邊坡工程，而預應力錨索樁板墻支護作為常規(guī)的高填方邊坡支護結構，得到了較為廣泛的應用。但預應力錨索樁板墻中填土-樁-錨索-擋土板之間的相互協(xié)同工作原理非常復雜[1]，常出現(xiàn)方案選型不合理或施工不滿足規(guī)范要求導致高填方邊坡失穩(wěn)情況，易引發(fā)安全事故。

高填方地區(qū)的工程事故時有發(fā)生，目前國內(nèi)外對高填方地區(qū)采用預應力錨索樁板墻支護的研究較少。孫書偉等[2]分析了預應力錨索樁板墻在高填方路堤中的受力特性。李中國[3]分析了兩排預應力錨索樁板墻在高回填土中的受力，總結了填土高度及預應力錨索對抗滑樁的影響。富海鷹[4]對某預應力錨索樁板墻項目中的土壓力、樁身內(nèi)力、錨索內(nèi)力和邊坡沉降進行了現(xiàn)場監(jiān)測及分析。鄭國星[5]對某高填方項目加高失穩(wěn)進行了分析并提出了相應的加固措施。黃建、姚仰平針對高填方邊坡的失穩(wěn)時間提出了實用模型[6]。深入研究高填方地區(qū)預應力錨索樁板墻支護結構的失穩(wěn)原因及加固措施具有非常重要的意義。

1 工程概況

工程邊坡靠近河流，坡頂為一至兩層商鋪，現(xiàn)場無放坡空間，需進行垂直支護，最大支護高度約16m，最大填土厚度約24m。

擬建場地地貌屬巖溶洼地、溝谷階地地貌，根據(jù)鉆探揭露，場地地層自上而下為填土、強風化白云巖、中風化白云巖，場地土層物理力學參數(shù)詳見表1。場地地下水主要為上層滯水和基巖裂隙水，上層滯水賦存于土層和強風化巖石的孔隙中。項目距河流較近，河流百年洪水位最高約絕對標高586m。

表1 土層物理力學參數(shù)

2 原設計方案

原設計在滿足安全可靠以及使用條件的同時，考慮經(jīng)濟性和景觀要求，采用常規(guī)的錨索樁板墻支護結構，抗滑樁采用直徑1.8m 人工挖孔樁，樁間距為4m，豎向設三道預應力錨索，豎向間距約3m，橫向間距4m，預應力錨索長度為30 ～45m，傾角20°，樁間設置擋土板。具體支護剖面如圖1 所示。

圖1 原設計支護剖面圖

3 失穩(wěn)原因分析

支護結構施工完成5 年后，在前期未出現(xiàn)明顯變形的情況下突然失穩(wěn)坍塌，抗滑樁在某個斷面斷裂，斷裂面基本在一個標高，預應力錨索已破壞，從現(xiàn)場看斷裂處的預應力錨索銹蝕較嚴重。本次邊坡失穩(wěn)造成了較大的經(jīng)濟損失，但未發(fā)生人員傷亡情況，具體失穩(wěn)后的照片如圖2 所示。

圖2 現(xiàn)場失穩(wěn)照片

通過現(xiàn)場調(diào)研及施工資料查驗，認為邊坡失失穩(wěn)主要有以下幾個原因：

（1）該工程回填土較厚，施工回填土時未按規(guī)范及圖紙要求進行分層壓實，壓實度不滿足規(guī)范要求，導致后期填土在自重作用下發(fā)生固結沉降。經(jīng)過5 年的時間沉降還未穩(wěn)定，固結沉降仍在進行，土體總沉降變形一直在緩慢增大。由于錨索側(cè)向剛度小，錨索隨土體一起緩慢沉降變形，錨索變形后錨索應力也逐漸增大，當錨索受力超過錨索極限承載力時導致錨索斷裂。錨索斷裂后所有的土壓力由抗滑樁承擔，抗滑樁變成懸臂支護后內(nèi)力急劇增加，最終導致抗滑樁斷裂、邊坡失穩(wěn)。由此可見預應力錨索失效是邊坡失穩(wěn)的直接原因；

（2）該項目回填土較厚，預應力錨索需穿過回填土進入中風化層一定深度，最長錨索達45m，施工難度大，質(zhì)量較難保證；

（3）預應力錨索防腐處理未達到設計要求，邊坡失穩(wěn)時現(xiàn)場錨索銹蝕嚴重，從而加速了預應力錨索斷裂；

（4）預應力錨索自下而上分層施工，施工完下層錨索后需在上部繼續(xù)回填土方及夯實，后期回填土方的施工會對已施工的錨索產(chǎn)生影響；

（5）抗滑樁未滿足規(guī)范要求搭接鋼筋，施工時在同一個斷面搭接鋼筋，造成了薄弱位置，失穩(wěn)時抗滑樁斷裂面平整光滑，發(fā)生脆性破壞。

4 加固方案及分析

4.1 加固方案

由于在高回填土中對填土及錨索施工要求較高，且對填土的壓實度及錨索的施工質(zhì)量要求較高，但施工時其質(zhì)量往往又難以保證，因此為確保后期邊坡安全，結合現(xiàn)場條件，加固方案采用“H 型”雙排樁+連梁支護，前后樁排距為6.3m，樁間距為4.0m，前（后）排抗滑樁樁徑均為2.3m，抗滑樁嵌入完整中風化巖石不小于8.0m。

同時在樁間采用厚度0.4m 現(xiàn)澆板，加固方案如圖3 所示。加固用抗滑樁、冠梁及連梁混凝土強度均為C40，樁間板混凝土強度C30，樁間板設置泄水孔。加固后邊坡變形穩(wěn)定，同時滿足現(xiàn)場使用要求，加固后現(xiàn)場照片如圖4 所示。

太醫(yī)諾諾答應了，素心轉(zhuǎn)過臉來，朝著青櫻一笑，話也客氣了許多：“回小主的話，主子娘娘要在里頭歇息了，怕今夜不能再去大殿主持喪儀。主子娘娘說了，一切有勞小主了?！?/p>

圖3 加固支護剖面圖

圖4 加固后現(xiàn)場照片

4.2 加固分析

在基本受力分析的基礎上，為了更詳細了解抗滑樁的內(nèi)力和變形，確保邊坡支護安全，基于Midas GTS NX 有限元軟件，采用地層結構法對雙排樁加固方案進行數(shù)值模擬。將實際工況抽象為數(shù)值模擬所采用的施工步驟，首先建立基準模型，然后對單元進行網(wǎng)格劃分，靠近抗滑樁處的網(wǎng)格劃分較密，遠離抗滑樁處的網(wǎng)格劃分較疏，如圖5 所示。

圖5 基準模型的有限元單元

有限元基準模型包含填土、強風化白云巖、中風化白云巖三層土體，每層土體的厚度、粘聚力、內(nèi)摩擦角等參數(shù)見表1?；贛idas GTS 軟件本構模型特征，填土層采用修正莫爾庫倫模型，其它土層均采用莫爾庫倫模型，混凝土連梁及抗滑樁的材料采用線彈性模型。

表2 支護結構參數(shù)

邊坡的有限元模型取平面尺寸寬65m，高40m，頂部荷載取地面均布超載20kPa。在定義分析模型邊界時，需要定義邊坡底部的豎向自由度和水平方向的水平平動自由度，并且在水平方向施加約束垂直于法線的旋轉(zhuǎn)自由度[7]。

在Midas GTS NX 中主要通過單元組的“激活”和“鈍化”來實現(xiàn)施工步驟的模擬[7]，施工步驟如下：（1）將模型的邊界條件、所有的土層網(wǎng)格單元激活，并勾選“位移清零”，計算初始地應力；（2）激活抗滑樁和連梁，地面均布超載，并勾選“位移清零”；（3）鈍化被挖區(qū)的土體。

通過Midas GTS NX 二維有限元分析，抗滑樁的計算位移如圖6 所示，抗滑樁的計算彎矩如圖7 所示。從計算結果來看，抗滑樁的最大位移為29.6mm，位于樁頂部，滿足規(guī)范及現(xiàn)場使用要求?？够瑯兜淖畲髲澗匚挥谔钔僚c巖層的交界處及第二道連梁位置，最大彎矩為15968kN·m，其它計算結果見表3。同時對原設計樁錨支護進行建模分析，計算結果見表3。

圖6 雙排樁位移

圖7 雙排樁彎矩

表3 計算結果

5 結論

通過對某預應力錨索樁板墻支護項目的失穩(wěn)分析，提出了相應的加固方案，得出以下結論：

（1）邊坡失穩(wěn)是諸多因素疊加造成的，在勘察、設計、施工各個環(huán)節(jié)均存在風險源，各方應對風險源進行辨識并且提出相應的措施；

（2）預應力錨索樁板墻支護結構在高填方中應用時，回填土體必須分層壓實并滿足壓實度要求值，以降低施工及工后沉降量。若沉降量無法滿足要求，應對回填區(qū)錨索采取措施進行保護，否則易導致錨索沉降變形，使錨索應力過大而導致錨索斷裂破壞，致使整個受力結構發(fā)生強度破壞；

（3）原設計預應力錨索樁板墻計算位移23mm，整體穩(wěn)定性能2.644，能滿足規(guī)范要求，但一旦錨索失效仍會發(fā)生較大風險，因此錨索的耐久性是預應力錨索樁板墻在高填方邊坡中成功運用的關鍵。在高填方邊坡中采用“H 型”雙排樁+連梁支護結構安全性及耐久性優(yōu)于預應力錨索樁板墻支護結構，加固后的計算位移29.6mm，整體穩(wěn)定系數(shù)3.689；

（4）通過合理的參數(shù)選取及建模分析，可運用Midas GTS NX數(shù)值分析軟件模擬高填方地區(qū)雙排樁支護結構?！癏 型”雙排樁+連梁支護結構可運用于高填方邊坡失穩(wěn)加固，加固效果較好， 可為類似工程提供借鑒。