沿河路堤高边坡“h”形桩支护体系分析

常娟娟 黄质宏 黄彦森＊ 武宁波 王 波

（1.贵州联建土木工程质量检测监控中心有限公司，贵州贵阳 550081；2.贵州大学，贵州贵阳 550025）

1 工程概况

沿河地处贵州高原东北边缘斜坡、大娄山脉和武陵山脉交错地带，乌江由南至北将沿河县分割为西北、东南两大部分，西北部属大娄山脉，东南部属武陵山脉。岩溶区占比为72.5%，非岩溶区占比为27.5%，是典型的岩溶山区。

本项目位于沿河县城南约1.5 km，紧邻乌江河畔，乌江河面宽160～225 m，水深0.2～20.0 m，乌江历史最高洪水位312 m。由于受降水时空变化的影响，乌江水量变幅大，月际分配极不均匀，水位变化频繁。

道路近南北走向，场区位于沿河县城乌江河谷西岸，乌江河谷切割较深、岸坡次一级支沟发育；海拔289.15～321.31 m，相对高差32.16 m，地势较陡，场地上覆土层主要为素填土，基岩为奥陶系下统湄潭组泥质石灰岩，其中强风化泥质石灰岩：灰黑色，结构大部分破坏，风化裂隙很发育，岩体极破碎，裂隙中含黏土；中风化泥质石灰岩：灰色，含方解石脉，节理面铁质浸染，节理、裂隙较发育，岩体较破碎。

2 原支护方案单排桩支护体系

该路堤高边坡K0+500～K1+000段最初设计采用单排直径1.8 m抗滑桩加桩间板，桩中心距5 m，桩总长桩顶至路基边缘线按1∶1.5坡率放坡后，坡面采用浆砌片石及菱形窗口护坡。

现场按：临时安全防护→防排水处理→桩板墙工程→坡面防护工程的顺序施工，项目抗滑桩参数如表1所示。

表1 单排桩设计参数表 单位：m

在上述设计支护体系的桩和桩间板制作完成桩后，进行悬臂段桩板后路基回填，在回填到1/2悬臂高度时，悬臂较高位置的桩顶产生了向外位移，根据现场实测数据，桩顶最大产生了3 cm的位移（指向边坡外侧）。

经过分析由于本项目K0+500～K1段路基右侧紧邻乌江河，沿岸杂填土较多，覆土层较厚，地质环境总体脆弱，洪水位较高，受水位上涨和地表降水双重因素的影响，导致了尚处于施工过程中的桩间板发生了位移，经过分析计算单排桩支护体系已无法满足该场地的支护需求，继续进行路基回填，支护体系将完全失效。故需要对原单排1.8 m直径的支护体系进行修正和加固。

3 加固方案“h”形桩支护体系

桩顶产生异常位移，经分析暴雨影响使得桩后填料及覆盖层部分的物理力学参数发生了变化，经核算，直径1.8 m单排桩体系在暴雨及洪水工况下安全储备不够，桩顶变形理论值过大，需要进行加固。

通过场地地质条件、施工难易、经济性等多方面对比最终确定采用“h”形桩支护体系，即在已经完成的1.8 m单排桩体系内侧增加一排抗滑桩，桩顶标高低于已经施工完成的抗滑桩，桩径和配筋通过具体断面的侧压力和剩余下滑力计算确定，两排桩在新增抗滑桩的桩顶增加冠梁连接成整体，支护体系布置如图1所示。

图1 加固方案“h”形桩支护体系断面图（单位：cm）

4 高边坡“h”形桩支护体系应用分析

4.1 理论计算

理论计算时，分别计算边坡侧向岩土压力和剩余下滑力，其中剩余下滑力根据不同工况分别计算土层内部圆弧滑动和岩土结合面折线滑动，三者计算结果中取大值控制抗滑桩内力和位移计算。

计算中考虑最不利工况，按浸水工况进行计算，坡顶道路附加荷载q=30 kPa，折算成回填土土柱高度，根据地勘报告结合工程经验选取各项计算参数。

岩土物理力学性质指标如表2所示。

表2 岩土物理力学性质指标表

依据现行规范中边坡理论计算的相关规定[1-2]，采用库仑土压力、圆弧滑动、折线滑动等经典岩土力学理论，对该高边坡进行侧压力和稳定性分析，边坡理论分析计算结果如表3所示。

表3 边坡理论分析计算汇总 单位：kN/m

由计算结果可知，该边坡支护结构内力分析应采用侧向土压力Eak=1 703.57 kN/m控制计算。

通过多方案试算和对比最终确定结构布置最合理、经济最优的方案为：对应1.8 m桩每个段面内侧增加2.0 m直径抗滑桩（新增抗滑桩桩顶低于外侧原设计桩顶6 m，形成“h”形桩受力体系），两根桩之间设置冠梁形成整体受力的“h”形刚架体系，将侧向岩土压力简化成均布荷载作用于“h”形结构，利用结构力学原理计算支护体系内力和位移，结算结果如图2所示。

图2 结构受力分布图、弯矩、剪力曲线图

4.2 MIDAS GTS数值模拟

由于“h”形桩支护体系理论计算采用的是简化的结构模型进行计算，因此，计算结果势必无法完全拟合复杂的岩土环境和结构自身的变形。

本文采用MIDAS GTS对原设计单排桩支护结构的水平变形和加固推荐方案“h”形桩支护体系进行数值模型分析，MIDAS GTS是将通用的有限元分析内核与岩土结构的专业性有机地结合而开发的岩土有限元分析软件，能尽可能贴近实际地模拟岩土体结构的作用情况，因此选用该软件对本文拟分析的复杂支护体系在复杂岩土地质条件下的变形值进行分析，分析结果如图3所示。

图3 “h”形桩支护回填完成后整体水平位移

4.3 理论计算和数值模拟对比

由数值模拟结果可知，理论计算和数值模拟得到两种桩端的水平位移值，两种方法在“h”形桩支护体系5个关键结构节点处的位移值汇总如图4所示。

图4 桩端位移理论计算和数值分析对比图

由上图可知理论计算和数值模拟出的结果显示，“h”形支护体系5个关键节点处的水平变形值趋势相同，变形数值基本一致。

5 结语

数值分析结果与理论计算结果相契合，二者相互论证，说明该高边坡在单排桩不能满足边坡支护稳定性的条件下，加固方案采用“h”形支护体系是经济合理的，优于排桩（包括桩锚）和双排桩两种方案，既充分利用了原设计单排桩的作用，又保证了路堤边坡的安全使用，比桩+锚结构节省工期，比常规双排桩节约造价，对于此类紧邻河畔、无多余的放坡空间、沿岸杂填土多、覆土厚度大、洪水位高、地质环境总体脆弱的路堤回填高边坡，是一种经济合理的支护形式。