抗滑桩在非滑坡情况下深路堑边坡预加固中的应用及计算方法

杨 毅

(中设设计集团股份有限公司 南京市 210014)

抗滑桩依靠桩的强度、滑面以下锚固部分桩周岩土的弹性抗力来平衡滑面以上滑体剩余下滑力，使滑坡保持稳定[1]。作为一种有效的支挡结构，抗滑桩不仅广泛应用于治理滑坡，在非滑坡情况下边坡预加固中也大量应用。

以某非滑坡情况下深路堑边坡预加固为例，对抗滑桩及桩间挡土板进行内力分析，计算内容主要包括抗滑桩桩身弯矩、剪力、位移、横向压应力以及桩间挡土板的弯矩。同时，介绍了该深路堑边坡的设计方案，以期为类似工程提供参考。

1 工程背景概况

某项目位于剥蚀丘陵地区，线路走行于山麓缓坡，较为开阔。丘坡多为林地，低洼处多辟为农田。其中DK25+584～DK25+626段路基为深路堑，边坡最大高度达29.6m，工程地质和水文地质条件如下：

(1)地层岩性：丘坡表层为J2+3gjd(侏罗系下统高基坪群第四亚群)凝灰岩，全风化，黄褐色，原岩结构、构造已基本被破坏，仅具原岩外观，岩芯呈砂土，局部夹强风化碎块，手掰易碎，厚5.0～30.0m，Ⅲ级，σ0=200kPa；下伏J2+3gjd凝灰岩，强风化，灰褐色，原岩结构大部分被破坏，局部可见凝灰质结构，块状构造，节理裂隙发育，岩芯破碎，岩芯呈块状，块径为3～8cm，夹少量短柱状，岩质较软，锤击易碎，Ⅳ级，σ0=350kPa。

(2)地质构造：地震动峰值加速度为0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35s。

(3)水文地质条件：地表水谷地冲沟水，受降雨补给，季节变化大，较发育；谷地地下水以孔隙潜水为主，主要接受地表水及大气降水下渗补给，较发育；丘坡地下水主要以基岩裂隙水为主，弱发育。地下水、地表水无侵蚀性。

(4)不良地质：该段路基全风化层较厚夹强风化碎块，强风层极为破碎呈碎块状，易风蚀剥落。

2 工程设计方案

DK25+584～DK25+626段风化岩与残积土层较厚，路堑边坡最大高度达29.6m，岩土稳定性较差，应对该深路堑边坡进行预加固设计，具体方案如下：

右侧边坡设置C35钢筋混凝土桩板式挡土墙，抗滑桩长14m(锚固段长度8m)，桩间距5m，截面尺寸为2m宽×2.25m厚，抗滑桩桩身采用现场浇注，桩间板采用现场预制的槽形板(3.4m宽×0.5m高)，支承于桩后；槽形板后顶部以下0.3m和找平层以上0.5m设与反滤层等厚的C25混凝土防渗层，防渗层之间设袋装砂夹卵石反滤层，厚0.3m；抗滑桩孔采用C15钢筋混凝土护壁支护，厚0.2m，分节高度1.0m；孔口设置C15钢筋混凝土锁口，锁口高出地面0.2m，厚0.3～0.5m。桩板墙以上一级边坡及二级边坡采用锚杆框架梁(锚杆长8m)，三级边坡采用拱形骨架护坡，各级边坡间设2m宽平台，平台上设置拦水缘(高0.4m宽0.3m)，与平台砌筑成整体。

3 内力分析

3.1 计算前提

对于作用于抗滑桩的力系，应计算滑坡推力、桩前滑体抗力和锚固段地层的抗力。桩侧摩阻力和黏聚力以及桩身重力和桩底反力可不计算。

滑坡推力：本次抗滑桩是用于非滑坡情况下的边坡预加固，作用在桩后的外力是桩后岩土的主动土压力，滑坡推力的分布图形为三角形[2]。

桩前滑体抗力：本次无桩前滑体抗力。

锚固段地层的抗力：当岩土变形在弹性阶段时，可按弹性抗力计算，视地层为弹性介质，弹性抗力等于该地层的地基系数乘以相应的与变形一致的岩土的压缩变形值[1]。本次采用地基系数法中的“m法”考虑。抗滑桩桩底支承采用自由端。

3.2 计算参数

(1)抗滑桩尺寸

锚固桩长H=14m，其中悬臂段长H1=6m，锚固段长H2=8m；桩间距D=5m；抗滑桩采用矩形截面，宽度b=2m，厚度h=2.25m。

(2)地层参数

土体重度γ=20kN/m3；土体综合内摩擦角φ=35°；桩背与土体间摩擦角δ=φ/2=17.5°；桩顶堑坡倾角i=arctan(1/1.5)=33.69°；地基系数m取100 MN/m4[3]。

(3)其它参数

滑坡推力安全系数K取1.2；滑面以下桩的正面计算宽度BP=b+1=3m；桩的钢筋混凝土弹性模量E=31500MPa；桩的截面惯性矩I=bh3/12=1.9m4。

3.3 内力计算

(1)滑动面以上

桩后土压力强度自桩顶至锚固点呈三角型分布，

锚固点处土压应力p0=KaγH1·cos(δ-α)=60.76kPa；

(2)滑动面以下

桩底为自由端，因此，桩底处弯矩MH2=0，剪力QH2=0，位移xH2≠0，转角φH2≠0[1]。

根据下列公式进行计算：

σy=myxy

式中：xy、φy、My、Qy、σy—计算点的位移、转角、弯矩、剪力、侧向应力；

y—计算点至锚固点的深度；

Ai、Bi、Ci、Di—随桩的换算深度(αy)而异的系数；

M0—锚固点弯矩；

Q0—锚固点剪力。

(3)桩身内力计算结果

作用在桩上的荷载宽度按其左右相邻桩之间距离的一半计算。经计算，抗滑桩各位置内力如表1所示。

表1 桩身内力计算结果

根据计算结果绘制桩身内力示意图如图2。

分析可知，桩身最大弯矩Mmax=3924.22kN·m，位于距锚固点 2.57m处；最大剪力Qmax=1093.70kN，位于锚固点处。

滑动面以下H2/3处，横向压应力为200.08kPa，桩底处横向压应力325.51kPa，均满足相应处地基横向容许承载力的要求。

桩身最大水平位移为5.06mm，位于桩顶处。满足桩身水平位移不宜大于10mm的要求。

(4)挡土板内力计算

挡土板置于锚固桩之后，挡土板按库伦主动土压力计算，锚固点处挡土板的土压力最大，该处土压力p0=72.9kPa。

挡土板内力按均布荷载计算，且作用在挡土板上的荷载宽度按板的计算跨度计算。因此，单块挡土板最大弯矩Mmax=113.92kN·m，位于挡土板跨中。

4 抗滑桩及挡土板结构设计

4.1 抗滑桩结构设计

抗滑桩按承载力极限状态法进行计算，抗滑桩允许有较大的变形，桩身裂缝超过允许值后，钢筋的局部锈蚀对桩的强度不会有很大的影响，因此，无特殊要求时，可不做正常使用极限状态验算(变形、抗裂、挠度验算)。

抗滑桩结构的承载能力设计，按荷载效应的基本组合进行。建筑结构的安全等级采用二级，结构的重要性系数γ0=1.0[4]，永久荷载分项系数γG=1.35[5-6]，无可变荷载。因此，抗滑桩的设计弯矩M=γ0γGMmax=1.0×1.35×3924.22=5298 kN·m；设计剪力Q=γ0γGQmax=1.0×1.35×1093.70=1477kN。

根据设计弯矩进行桩的正截面承载力计算；根据设计剪力进行桩的斜截面承载力计算；根据弯矩图进行主筋截断计算；根据剪力图进行箍筋分段计算。最后，根据计算后的钢筋设计面积合理配置钢筋。

4.2 挡土板结构设计

挡土板按荷载效应的基本组合进行结构的承载能力设计，结构的重要性系数γ0=1.0，永久荷载分项系数γG=1.35，无可变荷载。因此，挡土板的设计弯矩M=γ0γGMmax=1.0×1.35×113.92=154kN·m

挡土槽形板按T形梁进行合理的配筋设计，并对挡土板进行正常使用极限状态验算(变形、抗裂、挠度验算)。

5 路堑高边坡监测

为确保深路堑边坡的安全稳定，应对边坡进行位移和状态监测。选择DK25+605右侧边坡作为路堑边坡变形监测剖面，监测内容主要包括：

(1)边坡地表位移监测

于路堑侧沟外平台、桩顶平台、边坡平台以及堑顶外2.0m、10m设置位移监测桩，采用长0.6m的Φ28mm螺纹钢钎。待路堑开挖至设计埋桩位置后，将位移监测桩打入至设计位置，埋置深度0.5m，桩周上部0.3m用混凝土浇注固定，完成埋设后采用经纬仪或全站仪测量，监测施工边坡状态，指导施工。

(2)深部位移监测(测斜管)

边坡成型后，在边坡平台钻孔(孔径Φ127mm，竖直孔，孔深应至稳定地层一定深度内)，安装带导槽的测斜管(Φ71mm)，采用测斜仪精确测量岩土层内部水平位移。

(3)支护结构土压力监测

沿支挡结构深度方向埋设钢弦式土压力盒，监测土压力的大小及变化。土压力盒数量不少于3个。

6 结语

通过对抗滑桩的内力计算分析发现，滑动面以下H2/3处桩身弯矩最大；滑动面处以及滑动面以下2H2/3处桩身剪力最大；桩顶位移最大；桩底以及滑动面以下H2/3处横向压应力最大。

对于较为破碎、易风蚀剥落的深路堑边坡，边坡稳定性较差，采用抗滑桩进行收坡支挡，桩顶各级边坡采用锚杆框架梁；并开展路堑高边坡变形监测。该方案对非滑坡情况下深路堑边坡进行了有效的预加固，保证了深路堑边坡的安全性。