公路分级开挖桩板挡墙治理及有限元分析

刘 杰

(中煤科工集团重庆设计研究院，重庆400016)

1 桩板挡墙的特点

桩板式挡土墙至今已在岩土工程领域获得较快发展，并显示出其安全可靠、经济适用等特点，已广泛应用于铁路、公路以及其它支挡工程中［1］。桩板式挡土墙是由锚固桩发展而来的，常用于超高的支挡结构，也用于边坡处理，当路基边坡采用悬臂式锚固桩支挡时，可采用桩间悬挂板形成桩板墙。桩板墙结构能够有效地将上部岩土体和下部锚固段连接成一个共同体，将上部变形体的下滑推力传递到下部岩体，利用其自身强大抗弯刚度和抵御变形的能力，阻止土体滑动，同时能够限制上下岩土体变形差异。桩板墙能有效的运用在路堑边坡的分级开挖之中，分散开挖引起的坡脚应力集中现象［2］。

2 桩板挡墙的计算方法

目前，基于不同的假设条件，不同的理论方法对桩板墙桩身内力和变位、锚固段长度和桩周岩土体被动抗力提出了各自的计算方法。应用比较广泛的理论方法主要有以下两种［3］:

(1)静力平衡法:这种方法假定桩身悬臂段后方岩土体处于被动土压力状态，而锚固段桩身前后的岩土体均处于被动土压力状态。桩体最小锚固长度可根据水平力平衡方程和对桩底的弯矩平衡方程求解，然后求出桩身各截面的内力。

(2)悬臂桩法:该方法将滑动面以下桩身所承受的桩后岩土体推力和桩前岩土体抗力视为已知外力，并假定两者的分布形式相同，然后根据滑动面以下岩土体的地基系数计算锚固段的侧向应力和桩身内力。

3 工程背景及稳定性计算

某公路在勘察过程中发现基岩埋深平均10m左右，上覆有杂填土及坡积土。在路基开挖过程中，采用分级开挖，依次开挖为2m，4m，4m。其右侧发生变形，发现桩板墙后土体开裂，随即进行稳定性计算与验算。

3.1 该路堑边坡影响因素

3.1.1 地形地貌

原地形线路为两坡谷之间，纵向地形略有起伏，横向坡角为10°～35°，下伏土与岩层界面倾角10°～25°;开挖回填后(现状)地面为台阶，回填高度5～15m，地形突变、下伏土与岩层界面倾角局部因开挖挡墙基槽变陡等，是造成土体变形的边界因素之一。

3.1.2 地表水的渗入

2010年12月1日～6日连续6天降雨，地表水渗入地下填土孔隙，使填土饱水，地下水排泄不畅，场地内软弱夹层、软弱土进一步软化，降低软弱带抗剪强度，从而使岩土体失稳产生变形，因强风化基岩极不均匀，裂隙贯通性较差，造成地表裂缝不连续，连续降雨渗入强风化基岩裂隙中对变形体稳定性起决定作用。

3.2 设计参数确定

杂填土:天然重度19.50 kN/m3，饱和重度21.00 kN/m3。弱风化砂岩:天然重度 25.37 kN/m3，饱和重度 25.47 kN/m3。滑面抗剪强度变形体处于蠕滑阶段，取稳定性系数Fs=1.07～1.08进行反算。岩石水平抗力系数:200 MN/m3内力计算时，滑坡推力、库仑土压力分项(安全)系数=1.20。

对下滑力计算安全系数的说明:《公路路基设计规范》(JTG D30－2004)滑坡地段路基滑坡稳定性评价中规定，验算时高速公路安全系数采用1.20～1.30，考虑地震力、多年暴雨的附加作用影响时，安全系数可适当折减0.05～0.1。

根据处治措施计算出支挡结构处的滑坡推力见表1所示。

综合考虑现场地形、地貌、工程地质及水文地质条件、施工现场的具体情况，该段路堑采用人工挖孔抗滑桩+分级开挖挡板支护+护坡综合处治［4］、［5］。

抗滑桩桩径1.6m×2.0m，桩长15m，桩顶标高与出洞口C25钢筋混凝土顶标高齐平;桩必须采用人工开挖，禁止放炮，并且须全桩护壁。桩间距6.0m，桩顶标高与原始地面齐平，桩间设置C30混凝土挡板，挡板尺寸为5.2m×0.6m×0.32m、4.7m×0.6m×0.32m，板后设置厚2m渗水性强的砂砾、碎(砾)石、级配碎石材料，抗滑桩外侧设置排水沟。

桩的长度根据现场地质情况应作调整，保证桩的锚固段须置于完整基岩面、根据勘察报告确定的可能的滑面下占桩长的1/3～2/5，且抗滑桩锚固段不小于4m、位于软弱夹层标高下不小于4m。

4 开挖及抗滑桩支挡有限元分析

该路堑开挖过程中是采用的桩板支档结构，对分级开挖稳定性起决定作用的是抗滑桩的设计参数，而且本文采用的是二维平面应变模拟，依据抗滑桩的影响范围，以道路中线为边界，选取道路右边坡进行模拟分析，模型长18m，高15m，抗滑桩嵌入基岩5m，桩底固定端约束，依据实际的三步开挖，依次开挖2m，4m，4m。设置抗滑桩，桩长15m，桩截面尺寸为1.6m×2m，受荷段和锚固段长分别为10m和5m，计算参数选取如表2所示。

表2 模型参数

采用Plane42平面单元来模拟岩土体，钢筋混凝土抗滑桩采用Beam3单元。材料本构模型时采用DP模型。计算工况主要为三级开挖及各级开挖下的桩后土体水平位移及塑性应变，分别如图1～图4所示。

图1 第一步开挖土体x位移

图2 第二步开挖土体x位移

图3 第三步开挖土体x位移

图4 第三步开挖后土体塑性应变

表1 支挡结构下滑力

可见采用人工挖孔抗滑桩后，达到开挖路基表面时，桩后岩土体内的塑性区扩展是悬臂段桩长的1/3左右，说明桩板挡墙支挡是安全的，满足规范的要求，该设计能有效阻挡坡体变形，保证工程安全。

5 小结

本文通过对桩板挡墙在工程中的应用的总结以及在公路开挖中的运用做了分析计算和有限元模拟，可以得出以下结论:

(1)桩板墙能有效的运用在路堑边坡的分级开挖之中，分散开挖引起的坡脚应力集中现象和减小上部拉应力，避免岩土体，因过大的应力集中而导致塑性破坏。

(2)抗滑桩施工工程量小，针对于下滑推力比较大、滑动带较深时，支挡更加有力，桩位设置灵活，可以单独使用，也可与其他支挡结构联合使用。

(3)间隔开挖桩孔，减小对坡体状态的扰动，利于整治正在活动中的滑坡，利于抢修工程。

(4)采用二维有限元对开挖坡体和抗滑桩支挡模拟能进一步验证该支挡结构的安全稳定性。

［1］ 罗一农．抗滑桩设计中几个问题的商榷［J］．路基工程，1997(2)

［2］ 熊治文．深埋式抗滑桩的受力分布规律［J］．中国铁道科学，2000，21(1):48－56

［3］ 李敏．边坡支挡结构的长期稳定性分析方法探讨［J］．路基工程，2006(2)

［4］ 马惠民，王恭先，周培德．山区高速公路高边坡病害防治实例［M］．北京:人民交通出版社，2006

［5］ 黄志全．边坡工程非线性理论及其应用［M］．河南:黄河水利出版社，2005