錨索抗滑樁受力分析與應(yīng)用

李德奎 北京建達(dá)道橋咨詢有限公司

1 引言

抗滑樁又稱錨固樁, 是一種大截面?zhèn)认蚴芎蓸?。近幾十年?lái)已在鐵路、公路、水電和煤礦等部門廣泛采用，它是一種抗滑支擋結(jié)構(gòu)?？够瑯妒菢堵袢敕€(wěn)定滑床中，依靠樁與樁周巖（土）體的相互嵌制作用把滑坡推力傳遞到穩(wěn)定地層，利用穩(wěn)定地層的錨固作用和被動(dòng)抗力，使滑坡得到穩(wěn)定。樁可改善滑坡?tīng)顟B(tài)，促使滑坡向穩(wěn)定轉(zhuǎn)化?？够瑯犊膳c預(yù)應(yīng)力錨索聯(lián)合組成抗滑支擋結(jié)構(gòu)，錨索的錨固段應(yīng)置于穩(wěn)定巖層內(nèi)。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)保證施加預(yù)應(yīng)力錨索的抗滑樁與預(yù)應(yīng)力錨索的變形協(xié)調(diào)，不應(yīng)使錨索在受剪狀態(tài)工作。

2 工程概述

本項(xiàng)目是貴州某高速公路的挖方邊坡，從開挖面算起到山頂?shù)拇怪备卟顬?0m，若采取自然放坡的型式進(jìn)行邊坡開挖，則開挖邊坡級(jí)數(shù)至少達(dá)到10級(jí)，將對(duì)自然山體環(huán)境造成極大的破壞，且邊坡坡率較陡，邊坡穩(wěn)定性較差。經(jīng)過(guò)綜合比較分析，采用錨索抗滑樁的支護(hù)型式進(jìn)行收坡，避免對(duì)自然山體的破壞開挖。

3 工程地質(zhì)條件及穩(wěn)定性評(píng)價(jià)

3.1 邊坡地質(zhì)條件

在鉆孔揭露深度范圍內(nèi)，地層結(jié)構(gòu)自上而下分述如下：

本區(qū)地層主要為古生界二疊系下統(tǒng)飛仙關(guān)組（T1f）砂巖，第四系覆蓋層為碎石土。在鉆孔揭露深度范圍內(nèi)，地層結(jié)構(gòu)自上而下分別如下：

碎石土（）：褐黃色、灰褐色，稍密狀，碎石主要成分為砂巖，含量約占60%～70%，粒徑3cm～5cm，部分大粒徑8cm～20cm。地表約0.5m為種植土，含較多植物根系。

強(qiáng)風(fēng)化砂巖（T1f）：紫褐色、紫灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)大部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石錘擊聲沙啞，巖質(zhì)軟，巖芯以塊狀為主，塊徑一般5cm～8cm，少量巖芯呈柱狀，柱長(zhǎng)15cm，巖體較破碎。

中風(fēng)化砂巖（T1f）紫褐色、紫灰色，砂質(zhì)結(jié)構(gòu)，層狀構(gòu)造，結(jié)構(gòu)部分破壞，節(jié)理裂隙發(fā)育，巖石錘擊聲清脆，巖質(zhì)較硬，巖芯以柱狀為主，節(jié)長(zhǎng)一般10cm～20cm，少量巖芯呈塊狀，塊徑5cm～8cm，巖體較完整。

3.2 邊坡特征

挖方邊坡主要位于路線左側(cè)，最大開挖高度約80m，坡向216°，邊坡巖土主要為碎石土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖，屬巖土混合邊坡。巖層產(chǎn)狀150°∠63°，巖層傾向與坡向呈大角度斜交（交角56°），屬斜交順向坡，產(chǎn)生順層滑動(dòng)的可能性大，層面參數(shù)可取c=40kPa（暴雨工況c=30kPa），Φ=31°（暴雨工況Φ=25°）；砂巖發(fā)育兩組裂隙，產(chǎn)狀：311°∠35°、212°∠38°，無(wú)順向結(jié)構(gòu)面。

4 抗滑樁的優(yōu)點(diǎn)

（1）抗滑能力強(qiáng)，圬工數(shù)量小，在滑坡推力大、滑動(dòng)帶深的情況下，能夠克服抗滑擋土墻難以克服的困難；（2）樁位靈活，可以設(shè)在滑坡體中最有利抗滑的部位，可以單獨(dú)使用，也能與其它建筑物配合使用；（3）可以沿樁長(zhǎng)根據(jù)彎矩大小合理的布置鋼筋（優(yōu)于管形樁、打入樁）；（4）施工方便，設(shè)備簡(jiǎn)單，采用混凝土或少量鋼筋混凝土護(hù)壁，安全、可靠；（5）間隔開挖樁孔，不易惡化滑坡?tīng)顟B(tài)，利于整治在活動(dòng)中的滑坡，利于搶修工程；（6）通過(guò)開挖樁孔，能夠直接校核地質(zhì)情況，進(jìn)而可以檢驗(yàn)和修改原來(lái)的設(shè)計(jì)，使之更切合實(shí)際，發(fā)現(xiàn)問(wèn)題，易于補(bǔ)救。

5 錨索抗滑樁計(jì)算參數(shù)

錨索抗滑樁支護(hù)設(shè)計(jì)所需巖土參數(shù)值見(jiàn)表1。

表1 巖土參數(shù)值

6 錨索抗滑樁總體布置

圖1 錨索抗滑樁總體布置圖

本段高邊坡抗滑樁采用2.0m×3.0m 抗滑樁，樁長(zhǎng)24m，間距5m,樁頂有2m 高護(hù)壁，內(nèi)部填土，從樁頂邊緣按照1:0.4 放坡。在樁頂1.5m 與4.5m 處分別設(shè)置兩孔錨索,第一級(jí)錨索長(zhǎng)25m,第二級(jí)錨索20m, 錨索深入中風(fēng)化砂巖中。

7 抗滑樁計(jì)算

7.1 抗滑樁設(shè)計(jì)

樁全長(zhǎng)24m，其中受荷段h1=12m，錨固段h2=12m。當(dāng)樁嵌入的巖層完整時(shí)，認(rèn)為側(cè)向地基系數(shù)是常數(shù)（不隨深度變化），相應(yīng)的彈性地基梁的計(jì)算方法為“K”法。

樁間距（中至中）：

樁的混凝土（C30）彈性模量：

屬?gòu)椥詷丁?/p>

樁底邊界條件：按固定端考慮。

7.2 剩余下滑力計(jì)算

圖2 剩余下滑力計(jì)算圖示

滑坡剩余下滑力可采用傳遞系數(shù)法，按下式計(jì)算：

最終，計(jì)算的剩余下滑力為1028kN/m。

7.3 抗滑樁受力計(jì)算

假定荷載矩形分布：

樁后:上部=331.111kN/m，下部=331.111kN/m。

樁前:上部=0.000kN/m，下部=103.057kN/m。

樁前分布長(zhǎng)度=12.000m。

樁身內(nèi)力計(jì)算：

計(jì)算方法: K法。

背側(cè)——為擋土側(cè)；面?zhèn)取獮榉菗跬羵?cè)。

背側(cè)最大彎矩=39859kN·m，距離樁頂：23.500m。

面?zhèn)茸畲髲澗?0.000kN·m，距離樁頂：0.000m。

最大剪力=1810.473kN，距離樁頂：18.000m。

最大位移=23mm。

第1道錨索水平拉力=313.554kN，距離樁頂：1.5m。

第2道錨索水平拉力=275.973kN，距離樁頂：4.5m。

7.4 抗滑樁配筋計(jì)算

圖3 抗滑樁彎矩分布圖

圖4 抗滑樁剪力分布圖

邊坡重要性系數(shù)：

根據(jù)《公路鋼筋混凝土及預(yù)應(yīng)力混凝土橋涵設(shè)計(jì)規(guī)范》JTG 3362—2018，受彎構(gòu)件的一側(cè)受拉鋼筋的配筋百分率不應(yīng)小于45ftd/fsd=45×1.39/330=0.19,同時(shí)不應(yīng)小于0.2。根據(jù)最小配筋率計(jì)算配筋面積：As=3000×2000×0.2/100=1200mm2。

圖5 抗滑樁配筋圖

抗滑樁內(nèi)不宜設(shè)置斜筋，可采用調(diào)整箍筋的直徑、間距和樁身截面尺寸等措施滿足斜截面的抗剪強(qiáng)度，其截面的受剪承載力：

混凝土抗剪滿足要求。

最后，經(jīng)過(guò)配筋計(jì)算，主筋采用108Φ36@20，箍筋采用Φ 16@20。

7.5 抗滑樁嵌固深度驗(yàn)算

樁側(cè)應(yīng)力：

在嵌固段1.485m處為最大側(cè)應(yīng)力位置。

最大側(cè)應(yīng)力：

8 錨索配置計(jì)算

8.1 錨索內(nèi)力計(jì)算

通過(guò)理正巖土設(shè)計(jì)軟件輔助計(jì)算，計(jì)算得到的錨索最大內(nèi)力標(biāo)準(zhǔn)值為354.44kN。

8.2 錨索長(zhǎng)度計(jì)算

預(yù)應(yīng)力錨索設(shè)計(jì)時(shí)，錨索截面積應(yīng)不小于：

根據(jù)滑面傾角為35°，取潛在滑動(dòng)面內(nèi)的最大長(zhǎng)度8.4m為非錨固段長(zhǎng)度，大于規(guī)范規(guī)定自由段長(zhǎng)度不得小于5.0m，故錨索自由段長(zhǎng)度取8.4m?？够瑯稑扼w內(nèi)錨索長(zhǎng)度3.1m。計(jì)算錨索長(zhǎng)度L=9.2+8.4+3.1=20.7m，取錨索長(zhǎng)度為25m。

9 施工要點(diǎn)

（1）邊坡開挖至抗滑樁頂標(biāo)高時(shí)進(jìn)行抗滑樁施工，待抗滑樁施工結(jié)束后，才進(jìn)行路基開挖；（2）抗滑樁的嵌固深度必需達(dá)到設(shè)計(jì)標(biāo)高，以保證抗滑樁的嵌固深度設(shè)計(jì)要求；（3）抗滑樁必需進(jìn)行跳槽施工，以確保施工安全，樁澆筑必須一次完成，以防斷樁；（4）抗滑樁護(hù)壁施工從樁頂?shù)綐兜祝?0ccm，采用C20號(hào)混凝土現(xiàn)澆，為施工開挖安全計(jì)，一次現(xiàn)澆深度不得大于100cm；（5）抗滑樁間擋墻開挖必須在抗滑樁、第二級(jí)及以上邊坡防護(hù)實(shí)施完畢后進(jìn)行，且只能分段跳槽開挖，嚴(yán)禁全段開挖，以免在抗滑樁間擋墻砌筑過(guò)程中發(fā)生坍滑。

10 結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，錨索抗滑樁具有工程造價(jià)高、受力復(fù)雜，施工難度大的確定，但在卻具有抗滑能力強(qiáng)，圬工數(shù)量小，在滑坡推力大、滑動(dòng)帶深的情況下，能夠克服抗滑擋土墻難以克服的困難的優(yōu)點(diǎn)。