樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)在高邊坡治理工程中的應(yīng)用

昌 思

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司 天津 300251）

1 工程概況

1.1 地形地貌

某停車場(chǎng)場(chǎng)地東、西、北三面環(huán)山，南側(cè)為出口，為山區(qū)丘陵地貌，地勢(shì)起伏較大，地面高程一般在31.90～127.78 m之間。停車場(chǎng)主體南北向長(zhǎng)約307 m，東西向?qū)捈s110 m，總占地面積約21.3萬(wàn)m2，停車場(chǎng)平面位置示意圖如圖1所示。

圖1 停車場(chǎng)平面位置示意圖Fig.1 Plan Location of the Parking Lot

1.2 地層巖性

1.3 水文地質(zhì)

場(chǎng)地地表水系較發(fā)育，主要為山區(qū)溝澗及匯集谷底的地表水，在各邊坡坡底發(fā)育有湖泊望基湖，如圖2所示。可見，場(chǎng)地地表水主要為望基湖與兩條大沖溝。地表水受雨季影響較明顯，暴雨季雨量豐富，湖水水位上升較快，旱季與雨季水位差最大可達(dá)3.0 m。沖溝水流較急，水深不到0.5 m。

圖2 停車場(chǎng)場(chǎng)地地表水Fig.2 Surface Water of the Parking Lot

地下水運(yùn)動(dòng)主要受地形、地貌控制，場(chǎng)地范圍內(nèi)總體地形起伏較大，四周地勢(shì)較高，中間為匯水洼地，地勢(shì)較低。地下水水平運(yùn)動(dòng)較快，水位較深，地下水的滲流方向由較高水頭處向較低水頭處滲流，流速快，流量大。受地形地貌的控制，地下水徑流總體上邊坡四周坡頂向谷底排泄，匯集到望基湖，垂直上主要為大氣蒸發(fā)排泄。

2 邊坡穩(wěn)定性分析

2.1 有限元模型建立

根據(jù)邊坡結(jié)構(gòu)特征及工程地質(zhì)條件，選取新開挖的北側(cè)邊坡典型斷面WJH-01，地層及幾何尺寸如圖3 所示，排樁直徑1.5 m，樁長(zhǎng)20.0 m，其中嵌固段長(zhǎng)12.0 m，懸臂段長(zhǎng)8.0 m，排樁上采用錨索進(jìn)行加固，錨固段長(zhǎng)10.0 m，自由段長(zhǎng)20.0 m，傾角25°。邊坡坡率1∶1～1∶1.5，每8.0 m 設(shè)置一個(gè)平臺(tái)，最大邊坡高度約為62.52 m。邊坡防護(hù)采用3.0 m×3.0 m 錨桿框架梁，錨桿長(zhǎng)度9.0 m，傾角25°。

圖3 WJH-01剖面Fig.3 WJH-01 Section （cm）

在邊坡荷載作用下，支擋結(jié)構(gòu)及坡體的受力變形可以簡(jiǎn)化為平面應(yīng)變問題，因此可以簡(jiǎn)化為2D 模型進(jìn)行計(jì)算分析［1-7］。生成的有限元模型如圖4 所示。計(jì)算時(shí)土體采用摩爾-庫(kù)倫模型，樁、錨桿及錨索錨固段采用梁?jiǎn)卧^桿（索）與土體之間設(shè)置接觸單元，采用三角形單元進(jìn)行網(wǎng)格劃分，單元?jiǎng)澐秩鐖D5所示。邊界條件設(shè)置：約束左右兩側(cè)邊界的水平位移，約束下部邊界的水平向和垂向位移［8-11］。

圖4 WJH-01剖面計(jì)算模型Fig.4 Calculation Model of WJH-01 Section

圖5 WJH-01剖面單元網(wǎng)格Fig.5 Element Grid of WJH-01 Section

2.2 模型參數(shù)的選取

模型參數(shù)的選取參考了停車場(chǎng)詳細(xì)勘察階段巖土工程勘察報(bào)告中的巖土物理力學(xué)指標(biāo)參數(shù)建議值，模型參數(shù)取值如表1 所示，排樁、錨桿（索）計(jì)算參數(shù)如表2所示［12-14］。

表1 土層材料參數(shù)Tab.1 Soil Material Parameter

表2 錨桿（索）計(jì)算參數(shù)Tab.2 Bolt（Anchor Cable）Calculation Parameters

2.3 計(jì)算結(jié)果分析

2.3.1 邊坡穩(wěn)定性分析

邊坡位移云圖如圖6～圖8 所示。從中可知，邊坡在重力作用下，排樁樁頂上邊坡形成了淺層滑移面，塑性區(qū)已經(jīng)連通，最大位移發(fā)生在邊坡的中下部，總變形最大值為65.48 mm，沉降變形最大值62.14 mm，水平位移最大值24.61 mm。運(yùn)用強(qiáng)度折減法，得到邊坡穩(wěn)定性安全系數(shù)為1.731，大于《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范：GB 50330—2013》要求的1.35，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

圖6 總位移云圖Fig.6 Cloud Chart of Total Displacement

圖7 豎向位移云圖Fig.7 Cloud Chart of Vertical Displacement

圖8 水平位移云圖Fig.8 Cloud Chart of Horizontal Displacement

2.3.2 樁身彎矩分析

排樁彎矩沿樁身的分布曲線如圖9 所示，由圖9可知，排樁最大彎矩為1 300 kN·m/m，最大彎矩發(fā)生在嵌固點(diǎn)位置，距樁頂約8.0 m 處，樁身彎矩呈“鼓肚子”形態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)嵌固點(diǎn)位置配筋。

圖9 排樁彎矩沿樁身的分布曲線Fig.9 Moment Distribution Curve of Pile

排樁軸力沿樁身的分布曲線如圖10 所示，由圖10 可知，排樁最大軸力為3 460 kN/m，最大軸力發(fā)生在嵌固點(diǎn)以下的位置。

圖10 排樁軸力沿樁身的分布曲線Fig.10 Axial Force Distribution Curve of Pile

排樁剪力沿樁身的分布曲線如圖11所示，排樁最大剪力為409.83 kN/m，最大剪力發(fā)生在嵌固點(diǎn)位置。

圖11 排樁剪力沿樁身的分布曲線Fig.11 Shear Force Distribution Curve of Pile

排樁位移沿樁身的分布曲線如圖12所示，排樁的最大水平位移3.15 mm，最大豎向位移20.11 mm。最大水平位移發(fā)生在嵌固點(diǎn)位置。樁頂位置由于錨索預(yù)加力作用，排樁向墻后發(fā)生位移，位移很小，由此可見，錨索有效的限制了排樁的位移。

圖12 排樁位移沿樁身的分布曲線Fig.12 Displacement Distribution Curve of Pile

3 結(jié)論

某地鐵停車場(chǎng)北側(cè)邊坡最大高度超60.0 m，邊坡采用錨桿進(jìn)行加固，坡腳采用排樁擋墻及預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行支護(hù)，利用有限元分析軟件對(duì)邊坡穩(wěn)定性及排樁的受力進(jìn)行分析計(jì)算，通過計(jì)算可以得到邊坡穩(wěn)定性系數(shù)、樁身彎矩、樁身軸力及剪力情況，得出如下結(jié)論：

⑴邊坡在錨桿、排樁擋墻及預(yù)應(yīng)力錨索支護(hù)下，邊坡穩(wěn)定性系數(shù)為1.731，邊坡處于穩(wěn)定狀態(tài)。

⑵邊坡失穩(wěn)破壞時(shí)，樁頂上邊坡形成了淺層滑移面，塑性區(qū)已經(jīng)連通，說(shuō)明邊坡潛在的滑動(dòng)面樁頂坡體內(nèi)，排樁能防止邊坡出現(xiàn)深層滑移。

⑶樁后土體及錨索作用下，排樁最大彎矩及位移發(fā)生在嵌固點(diǎn)位置，樁身彎矩呈“鼓肚子”形態(tài)，應(yīng)加強(qiáng)嵌固點(diǎn)位置配筋。

⑷樁頂位置采用預(yù)應(yīng)力錨索，不僅可以增大樁的抗彎能力，還可以有效限制樁頂位移。