某邊坡工程樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)分析及加固研究

謝先浩

(貴州省建筑設(shè)計研究院有限責(zé)任公司，貴州 貴陽 550081)

近年來由于人類工程建設(shè)形成了大量人工邊坡或建筑基坑，催生了大量的滑坡治理與邊坡支擋結(jié)構(gòu)物。其中基于傳統(tǒng)抗滑樁發(fā)展而來的預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)體系已廣泛應(yīng)用于邊坡支護(hù)工程，它改變了單純抗滑樁受力狀態(tài)，使得抗滑樁由被動受力改為主動受力，大大減小了其截面和埋置深度[1]，對減小邊坡體或基坑側(cè)向位移有良好的效果[2]。由于基坑邊坡施工的特殊性，預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁在施工過程中的安全問題日益突出，并對后續(xù)主體結(jié)構(gòu)或建筑場地整體穩(wěn)定形成較大威脅[3]。本文討論的邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)就是典型的錨索抗滑樁基坑邊坡，該邊坡在建筑基坑開挖過程中出現(xiàn)樁頂位移超限，樁身開裂等一系列病害，從支護(hù)結(jié)構(gòu)病害表觀參數(shù)出發(fā)，深入分析結(jié)構(gòu)真實運(yùn)行狀態(tài)并以此反演出真實的巖土體參數(shù)，最后基于此給出最合理的加固方案，對類似的支擋結(jié)構(gòu)物加固工程研究提供了一個新的思路和方向。

1 工程概況

本項目為貴州省織金縣某安置小區(qū)南側(cè)永久性支護(hù)邊坡，邊坡長120m，最大高度約為30～35m，為砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖夾煤層、煤線順向巖土混合邊坡，支護(hù)方案為上部15m高度采用錨索+格構(gòu)支護(hù)體系，下部15～20m高度采用抗滑樁+錨索支護(hù)。坡腳為擬建32層商住樓，并設(shè)有1層地下室。邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)施工完成后下方建筑基坑開挖過程中安置小區(qū)建筑及支護(hù)結(jié)構(gòu)出現(xiàn)一系列病害，主要表現(xiàn)為安置小區(qū)建筑底層墻體、樓地面不同程度開裂，抗滑樁出現(xiàn)較大的樁頂位移，抗滑樁樁身大面積的開裂等。邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)完工時現(xiàn)場情況見圖1所示。

根據(jù)現(xiàn)場調(diào)查情況，本項目安置小區(qū)南側(cè)邊坡共布置有36根樁徑2.4m的圓形抗滑樁，樁間距4m，并在樁身布置三排預(yù)應(yīng)力錨索，錨索間距2.5m。坡腳建筑基坑開挖后抗滑樁出現(xiàn)超限變形及樁身開裂，最大樁頂位移及最大樁身裂縫均位于第28#抗滑樁，最大樁頂位移達(dá)到34.2cm，最大樁身裂縫寬度2.9cm(位于基坑底面以上2m處)。

2 支護(hù)結(jié)構(gòu)病害成因分析

本項目經(jīng)過多次現(xiàn)場踏勘，并查詢相關(guān)勘察設(shè)計資料后，認(rèn)為病害產(chǎn)生的原因主要有以下兩個方面：1)地質(zhì)條件惡劣：該段邊坡所在場地巖體以泥巖為主，遇水極易軟化，并且邊坡體中含有煤層，經(jīng)水浸泡后邊坡巖體巖土參數(shù)指標(biāo)下降嚴(yán)重，導(dǎo)致支護(hù)結(jié)構(gòu)受到的側(cè)壓力逐漸大于結(jié)構(gòu)抗力，引起病害；2)原設(shè)計結(jié)構(gòu)抗力不足：該段邊坡“抗滑樁+錨索支護(hù)體系”結(jié)構(gòu)設(shè)計時采用原地勘資料提供的45°巖層面作為潛在滑動面進(jìn)行結(jié)構(gòu)驗算，而重新勘察后認(rèn)為巖層面傾角為34°，并且?guī)r土參數(shù)指標(biāo)也較原地勘資料提供參數(shù)小，這就直接導(dǎo)致了原設(shè)計結(jié)構(gòu)抗力嚴(yán)重不足，或原設(shè)計支護(hù)體系選用不當(dāng)。

3 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀受力狀態(tài)分析

根據(jù)實測資料，本項目邊坡13#～32#樁均出現(xiàn)不同程度的樁身開裂及較大的樁頂位移，具體樁身裂縫分布及樁頂位移情況見圖1所示。

圖1 實測13#～32#抗滑樁樁頂位移及樁身裂縫

3.1 樁頂位移分析

現(xiàn)狀錨索抗滑樁配置三排錨索，第一排錨索距離樁頂1.0m，每根錨索為6束15.2低松弛鋼絞線，設(shè)計張拉力f1=1100kN，極限張拉力f2=1551kN，在極限張拉力時鋼絞線伸長量為11.2cm。

根據(jù)實測樁頂位移分布情況可知，15#～32#抗滑樁樁頂位移均超過錨索極限伸長量11.2cm，其中28#樁樁頂位移最大，為34.2cm，由此可知，從第15#樁開始，錨索均已產(chǎn)生滑移，否則不可能有如此大的樁頂位移。

3.2 對樁身裂縫進(jìn)行分析

為查清現(xiàn)狀抗滑樁工作模式，先假定抗滑樁外側(cè)(臨空面)裂縫為彎拉裂縫，根據(jù)現(xiàn)場裂縫寬度反算其對應(yīng)的彎矩。裂縫寬度計算公式采用《水運(yùn)工程混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)范》中關(guān)于圓形截面受彎構(gòu)件最大裂縫寬度計算公式。

根據(jù)現(xiàn)狀樁配筋情況可得，樁身產(chǎn)生彎拉裂縫縫寬及對應(yīng)的彎矩如表1所示。

表1 樁身產(chǎn)生彎拉裂縫及對應(yīng)的彎矩

從樁身裂縫分布情況看，有可能為彎拉裂縫，但裂縫位于樁身外側(cè)臨空面，則應(yīng)為錨索拉力作用下產(chǎn)生的負(fù)彎矩。根據(jù)彎拉裂縫寬度與對應(yīng)的彎矩表，產(chǎn)生0.5mm彎拉裂縫需要的彎矩達(dá)到14215kN·m，而對錨索抗滑樁體系進(jìn)行分析，樁身外側(cè)出現(xiàn)2000kN·m以上的負(fù)彎矩時錨索已經(jīng)拉斷，這說明，樁身外側(cè)臨空面產(chǎn)生的裂縫不可能是彎拉裂縫。

根據(jù)樁頂位移分析及樁身裂縫分析可得出結(jié)論，本項目受損抗滑樁預(yù)應(yīng)力錨索已出現(xiàn)滑移失效，抗滑樁現(xiàn)狀應(yīng)為懸臂樁受力模式。

4 樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)反演

4.1 依據(jù)樁頂位移的樁身側(cè)壓力反演

查清了現(xiàn)狀抗滑樁工作模式為懸臂樁模式后，為了準(zhǔn)確進(jìn)行抗滑樁加固設(shè)計需了解樁后巖土體真實的側(cè)壓力及其真實巖體參數(shù)，為此決定以實測樁頂位移為依據(jù)，反算達(dá)到該位移所需的樁側(cè)壓力并給出對應(yīng)的樁身內(nèi)力。

本項目13#～32#抗滑樁實測樁頂水平位移數(shù)值為8.3～34.2cm，規(guī)律為從13#至28#樁持續(xù)增加，從28#樁至32#樁逐漸變小，最大樁頂變形位于28#樁，變形連續(xù)無突變?；诖?，可根據(jù)實測樁頂位移數(shù)據(jù)分布進(jìn)行分區(qū)，每區(qū)取一個特征變形作為該區(qū)樁后側(cè)壓力反算依據(jù)。

具體分區(qū)為：13#～19#樁為第一區(qū)，按樁頂位移Δ=15cm控制；20#～21#樁為第二區(qū)，按樁頂位移Δ=22cm控制；22#～23#樁為第三區(qū)，按樁頂位移Δ=26cm控制；24#～32#樁為第四區(qū)，按樁頂位移Δ=34cm控制。

按懸臂樁受力模式，抗滑樁受荷段側(cè)壓力采用矩形分布，錨固段邊界條件采用節(jié)點彈性連接，彈簧剛度采根據(jù)m法計算，樁底邊界為鉸接。上述13#～32#抗滑樁樁根據(jù)現(xiàn)狀樁頂位移分區(qū)后反算結(jié)果匯總見下表2所示。

表2 根據(jù)樁頂位移反算成果表

4.2 樁身側(cè)壓力反演結(jié)論驗證

對上述由樁頂位移反算得到的側(cè)壓力及對應(yīng)樁身內(nèi)力結(jié)果分析，按樁頂位移Δ=15cm反算的樁身彎矩已經(jīng)達(dá)46170 kN.m，對于一般的鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)而言，要抵抗如此巨大的彎矩，結(jié)構(gòu)尺寸及配筋率需求將會極大。為了解抗滑樁真實的受力情況，決定對已實施的抗滑樁極限抗力進(jìn)行分析。

根據(jù)現(xiàn)場踏勘，并查閱相應(yīng)的施工圖，原設(shè)計并已施工的抗滑樁均為直徑2.4m的圓樁，樁間距為4m，配筋情況為：樁頂11m至樁頂23m樁身受拉側(cè)配置48根直徑32的螺紋鋼，其余為直徑28的螺紋鋼，共32根；樁身抗剪箍筋為直徑22的圓形箍筋，間距15cm布置(剪力較大處)。根據(jù)上述抗滑樁尺寸及配筋，考慮混凝土與鋼筋的極限強(qiáng)度后反算樁的極限抗力，其中材料極限強(qiáng)度取值為。

C30混凝土：ft,=2.01N/mm2，fc,=20.1N/mm2

HRB400鋼筋：fy,=540N/mm2

根據(jù)上述混凝土及鋼筋極限強(qiáng)度，可得到已實施抗滑樁極限抗力為。

彎矩：M,=45000kN·m

按照已實施抗滑樁極限抗力，假定現(xiàn)狀抗滑樁處于破壞的臨界狀態(tài)，樁身內(nèi)力已經(jīng)達(dá)到其抗力的極限值，計算此時的樁側(cè)壓力及樁頂位移。計算模型仍采用前述懸臂樁模型，結(jié)果如下：側(cè)壓力：1470kN；彎矩：45166kN·m；剪力：5877 kN；樁頂位移：14.9cm。

根據(jù)計算結(jié)果，已實施抗滑樁彎矩最先達(dá)到抗力極限，達(dá)到極限抗力時樁頂位移為14.9cm。而實測樁頂位移在第28#樁已經(jīng)達(dá)到34.2cm，并且大部分抗滑樁實測樁頂位移大于14.9cm，但抗滑樁現(xiàn)場并未破壞，這說明實測的樁頂位移應(yīng)該不全是由樁側(cè)壓力引起的受荷位移，還應(yīng)包含了一部分樁體的剛體位移。

綜上所述，根據(jù)樁頂實測位移及樁身材料極限強(qiáng)度對應(yīng)的樁頂位移數(shù)據(jù)，并考慮到抗滑樁仍未最終破壞的事實，可認(rèn)為，此時部分抗滑樁已接近或正處于最終破壞的臨界狀態(tài)，對于第四區(qū)(樁頂位移最大區(qū))抗滑樁反算其側(cè)壓力時可認(rèn)為抗滑樁已處于臨界破壞狀態(tài)，按樁頂位移Δ=14.9cm反算其側(cè)壓力，而對于其他區(qū)可按第四區(qū)反算樁頂位移占實測位移的比值，推算其實際樁頂?shù)氖芎晌灰啤?/p>

處于臨界破壞狀態(tài)的第四區(qū)樁頂受荷位移占實測位移比重為。

則各個區(qū)抗滑樁由側(cè)壓力引起的樁頂位移(受荷位移)見表3。

表3 由側(cè)壓力引起的樁頂位移

4.3 支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計參數(shù)反演

根據(jù)上述各個區(qū)由側(cè)壓力引起的樁頂位移(受荷位移)對抗滑樁實際受力狀態(tài)進(jìn)行反算，計算模型仍如前述，反算得到結(jié)果如表4所示。

表4 根據(jù)樁頂受荷位移反算側(cè)壓力結(jié)果

按照上述側(cè)壓力，取現(xiàn)狀抗滑樁支檔結(jié)構(gòu)對應(yīng)的滑體，側(cè)壓力按樁后巖土體下滑力控制，按緩傾結(jié)構(gòu)面計算最大剩余下滑力并以此反算此時的巖土參數(shù)，計算得到結(jié)果見表5。

表5 根據(jù)下滑力反算巖土參數(shù)結(jié)果

5 加固方案

由于1#～19#抗滑樁狀態(tài)較好，僅做結(jié)構(gòu)補(bǔ)強(qiáng)即可，本文僅對病害較嚴(yán)重的20#～32#抗滑樁加固方案作論述。根據(jù)前述反演結(jié)論，將20#～32#排樁偏安全的統(tǒng)一取第四區(qū)參數(shù)進(jìn)行加固設(shè)計。由于該段抗滑樁大部分樁頂位移及最大樁身裂縫寬度均以超過限值，已到達(dá)臨界狀態(tài)，必須對抗滑樁自身進(jìn)行加固處理后再依據(jù)支擋結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀反算得到的驗算下滑力E=1636.9kN/m，對錨索排樁體系進(jìn)行加固設(shè)計，具體加固方案如下[4]。

5.1 抗滑樁樁身加固

為保證該段抗滑樁仍然能參與抗滑樁+錨索支護(hù)體系的整體受力，對該段受損的抗滑樁采用增大截面法加固，選用植筋方式對樁身開裂部位進(jìn)行加固，并在樁身外側(cè)包裹80cm厚混凝土以增大受損抗滑樁截面，增大截面范圍為基坑底面至基坑底面以上8.4m高樁身范圍，加固長度為20#樁至32#樁范圍。

5.2 錨索排樁擋墻加固

根據(jù)前述支護(hù)結(jié)構(gòu)現(xiàn)狀分析結(jié)論，20#～32#抗滑樁樁后實際巖土參數(shù)指標(biāo)已非常低，且該段邊坡坡后巖體破碎軟化現(xiàn)場嚴(yán)重、坡后巖體主要為泥巖，遇水后極易軟化，抗剪指標(biāo)將進(jìn)一步下降，已不適宜采用單純預(yù)應(yīng)力錨索進(jìn)行加固，故考慮采用剛性樁加固，即在原排樁外側(cè)新增一排抗滑樁，并將原樁與新增加樁之間采用剛性連系梁連接在一起，形成雙排樁閉合門式剛構(gòu)支護(hù)體系。新增抗滑樁寬度為1.2m，高度與原抗滑樁等高，新增抗滑樁嵌巖深度受已實施建筑樁基礎(chǔ)限值，深度不超過建筑樁基礎(chǔ)[5]。

5.3 加固后結(jié)構(gòu)驗算

根據(jù)前述分析，20#～32#樁驗算用下滑力，驗算斷面原排樁受荷段長15m，嵌固段15m，樁斷面為直徑2.4m的圓形，新增外側(cè)抗滑樁受荷段長15m，前后排抗滑樁間設(shè)置三排聯(lián)系梁，新增外側(cè)抗滑樁為1.2*1.5m矩形截面，連系梁截面為1.5*1.5m矩形截面，前后排樁均采用C30鋼筋混凝土，彈性模量Eh=30e6 kPa，樁的中心距l(xiāng)=4m，采用midas有限元軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)計算。

抗滑樁受荷段下滑力采用矩形分布，經(jīng)過計算，本次20#～32#錨索樁段邊坡支護(hù)體系加固后結(jié)構(gòu)驗算內(nèi)力匯總至如表6中。

經(jīng)過驗算，錨索設(shè)計張拉力及錨固長度均滿足要求，原抗滑樁配筋強(qiáng)度也滿足要求，加固后邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)滿足規(guī)范要求。

表6 20#～32#錨索樁段邊坡結(jié)構(gòu)驗算內(nèi)力表

6 結(jié)語

對邊坡或基坑支護(hù)結(jié)構(gòu)而言，真實受力狀態(tài)與結(jié)構(gòu)后巖土體真實地質(zhì)參數(shù)常常是其病害分析及加固設(shè)計的難點，也控制著支護(hù)結(jié)構(gòu)損傷狀態(tài)分析和加固設(shè)計的成敗。本文以某一典型樁錨支護(hù)結(jié)構(gòu)為例，深入剖析了其病害成因，從結(jié)構(gòu)直觀的變形與裂縫寬度入手一步一步揭示了支護(hù)結(jié)構(gòu)真實受力狀態(tài)，并對全段支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行分類，針對不同損傷狀態(tài)及受力特性的支護(hù)結(jié)構(gòu)給出不同的加固方案，使得整個邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)加固工程更加合理。