一种多功能框架式抗滑棚洞的应用研究

幸 芊

（1.中机中联工程有限公司，重庆 400039；2.重庆交通大学 土木工程学院，重庆 400074）

0 引言

我国西部地区山地城镇众多，这些城市由于用地条件限制，很多建筑、道路和公共设施都需建设在山体斜坡上。特别是很多隧道出入口受山体地形条件和城市用地条件限制，洞口展线及路基支护结构的设计存在很大的困难。

对于设置在山体上的洞口挖方路基段，当存在较深厚不稳定土层或其他产生较大下滑力与土压力的情况时，传统的棚洞结构不能满足支护边坡的需要，同时传统棚洞的施工易引起边坡稳定性问题，故一般采用抗滑桩支挡的挖方路基方案，常用的抗滑桩形式有抗滑桩板挡墙和锚拉式桩板挡墙两种。由于荷载较大抗滑桩一般都需采用方形截面，有的甚至需要双排桩满足受力要求，同时采用逆作法施工。过去的工程经验往往表现出以下问题：（1）矩形截面的抗滑桩在山区深厚的土层中成孔困难，施工安全风险大；（2）传统的双排桩结构设置在道路单侧，超出道路红线很远的距离，占地很大；（3）对于锚拉桩结构，其锚索在深厚的土层中成孔困难，且对于后期有一定变形的边坡，对锚索的受力和耐久均存在诸多不利影响，故有时锚索方案也不尽合理；（4）山体上存在落石坠落可能时，路基支挡结构没有棚洞或明洞的防坠功能；（5）由于相关的研究和规范不尽完善，路基支挡结构很难充分发挥抗震性能；（6）开挖路堑后，将山坡绿地分割开，破坏了城市山体绿化原有的功能。

隧道的棚洞结构实际也是一种用于山坡上的路基结构物，一半进入山体内，一半外露在山体上，形成一种半隧道半刚架的结构物。马国民等[1]、张志文等[2]介绍了这种结构的基本性能和施工方式。棚洞可以解决山坡上的落石问题[3]。

双排桩是利用前后两排桩、横向连系梁以及桩间土形成大刚度的刚架结构，实现对边坡的支护从而避免采用锚索来提高刚度。肖世国[4]介绍了框架式双排抗滑桩的结构机理和分析模型。

山地建筑是一种修建在半山上的建筑，这种建筑同样需考虑侧向土压力作用和山体边坡的稳定性问题，朱贝宝[5]和范 重等[6]系统介绍了这种建筑结构的特点，且提出了采用土弹簧法模拟土体对地下室外墙的作用，土体面弹簧的刚度由地基土水平抗力系数的比例系数计算确定。

综合传统棚洞、双排抗滑桩和建筑框架三种结构的特点，提出一种采用空间整体框架形式的新型棚洞结构。这种结构既是一种棚洞，又是一种挡土墙。

1 框架式抗滑棚洞的力学机理

1.1 基本结构形式

框架式棚洞结构首先需要解决支挡边坡的功能问题，因此其基本结构需考虑抗滑构造。与双排抗滑桩结构类似，框架式棚洞采用两排或两排以上抗滑桩和桩间横向框架梁组成空间棚洞结构。与双排抗滑桩结构整体位于道路单侧不同，棚洞结构两排抗滑桩分别位于道路两侧。由于道路路面以上区域没有土体，两排抗滑桩在这一范围内只能通过横向框架梁传递力。

在实际运用中，可根据道路的路幅分布情况采用两排或多排抗滑桩；根据地形情况，采用单层或多层结构，并沿山体斜坡错落布置。增加的楼层空间可以作为市政管理用房、公共停车空间、公共休闲空间以及绿化景观区域等，与山体建筑结构类似。另外，与常规的棚洞一样，框架式棚洞结构具有防山体落石的功能。当采用多层布置时，使用同样的缓冲处理措施，较普通棚洞有更可靠的防坠落性能。图1为框架式支挡结构的构造示意图，单榀单层的框架形式见图1（a），多榀多层的框架形式见图1（b），图中具体构造尺寸根据计算确定。各榀框架能根据需要自由组合，可采用装配式建筑技术。

图1 新型棚洞的构造示意图（单位：cm）

1.2 结构受力图式

为计算框架式棚洞的抗滑挡土性能，需计算作用在结构上的基本荷载。路基边坡上，挡土墙受到的荷载主要分两种情况：（1）当边坡稳定系数不满足规范要求时，存在剩余下滑力作用到结构上，此时按滑坡推力计算；（2）按边坡的土压力计算外力，并根据相关规范乘以调整系数。两种计算取最不利结果控制设计。

滑坡推力或边坡的土压力作用在临土侧的抗滑桩上（见图2）。棚洞路面以上的桩体长度为桩的悬臂长度，路面以下范围且滑动面以下范围的桩体长度为桩的嵌固长度，根据地质条件，按“m”法或“k”法计算水平地基抗力系数。

土压力的计算应根据框架结构的具体刚度和位移选择合理的土压力计算方式。《欧洲岩土设计规范 Eurocode7》（BS EN1997-1:2004）规定，当挡土结构的水平位移小于等于0.05%挡土结构计算高度时，或结构体转动位移小于等于0.00005 rad 时，挡土结构上的土压力为静止土压力[7]。经试算，一般情况，横向单榀的框架结构位移相对大，可采用修正后的主动土压力。双榀以上框架侧向刚度大，结构位移小，推荐采用静止土压力。

1.3 结构分析的基本方法

双排桩的排距在3～4d（d为桩径）计算位移和弯矩比较理想[8]。由于框架式棚洞的两排桩分别位于道路的两侧，其间距大于3～4d，此时临空侧的抗滑桩对于临土侧抗滑桩起的作用相当于锚拉作用。在空间协同作用下，框架梁两端可近似按具有一定抗弯刚度固定支座考虑，两根桩分别对框架梁产生水平力、弯矩和扭矩，且满足力、位移叠加原理。可由变形连续、静力平衡条件确定该结构的方程，求出框架结构的内力和变形[9]。由于实际工程中边界条件、受力情况比较复杂，有必要采用有限元法数值计算。基于变形协调原理，支挡结构的静力平衡，考虑桩、梁的刚度，由有限元直接刚度法建立刚度矩阵求解[10]：

式中： {F}为节点荷载向量；{M}为节点位移向量；[K]为结构整体刚度矩阵。

有限元模型中，棚洞的框架梁和抗滑桩采用普通梁单元（见图3）。建立空间模型时，挡土板采用板单元，建立平面模型时，不考虑挡土板。滑坡推力和土压力作为荷载作用在对应的梁单元上。边界条件：抗滑桩的嵌固段按岩土弹性抗力计算刚度设置地层弹簧单元；车行道地梁按“Winkler”地基梁方法计算刚度并设置地基弹簧边界，当该区域的地层为欠固结土层时；若考虑后期沉降造成与地梁的脱空，则不设置地基弹簧边界。

图3 结构有限元模型

其中建模的关键是棚洞抗滑桩侧向地层弹簧单元的设置。地基弹簧单元的计算按静力有限元方法计算，根据《地下结构抗震设计标准》（GBT 51336-2018）第6.2.3 条，取值方法如下：

（1）首先通过K30试验结合原位测试和室内试验以及当地经验综合确定基床系数K。

（2）然后通过K计算地基弹簧刚度

式中：l为地基的集中弹簧间距；d为结构的纵向计算长度。

2 项目概况

重庆曾家岩大桥北延伸工程位于重庆市两江新区人和组团、鸳鸯组团，起于重庆曾家岩嘉陵江大桥终点，向北延伸穿越火凤山，终点接重庆园博园东路。其中火凤山1#隧道与2#隧道之间的道路为从现状山体斜坡上通过的路基段，线路空间关系见图4。道路位于自然斜坡中部，原始斜坡总体倾向东南侧，地形坡度一般为25°～35°，局部土达到65°。

图4 路基方案剖面示意图（单位：cm）

斜坡地表残填土分布广泛，为城市建设形成，上部填土厚达21.1～33.2 m，现状为火凤山公园的绿地区域。下伏基岩为中侏罗统沙溪庙组泥岩夹砂岩。强风化层厚0.8～3.7 m，中等风化层岩体4 为软岩。基本地质参数见表1。坡体覆盖的回填土整体较松散，局部粒径较大，回填材料以开挖的山体岩块石和黏土为主，局部坚硬，局部软弱。场地内又因回填时的差异可能存在较大的离散性，土工试验难掌握人工回填土的特性。

表1 地质参数

2.1 传统路基支挡方案

根据边坡稳定性计算成果，开挖路基后，道路上部边坡会发生下滑，按折线滑动法计算滑坡剩余下滑力为1100 kN/m，折算到14 m 长悬臂的抗滑桩上，按矩形分布，抗滑桩间距5 m，则每根桩承受的荷载为1100×5/14=393 kN/m。

两种可能的路基支挡方案为双排桩方案和锚拉桩方案（见图5）。抗滑桩均为方形截面，逆作法施工。

2.2 框架式抗滑棚洞方案

根据路幅，框架式棚洞采用四排抗滑桩布置，分别位于道路两侧，顶部和路面下均设置横向框架梁，对应的抗滑桩位置设置纵向框架梁，顶部根据山体斜坡分阶布置第二、三层结构，形成棚洞结构方案（见图5）。除棚洞的交通空间外，创造出来的建筑空间可以作为市政管理用房、停车用房和公园休闲区域等公共空间，结构顶部进行绿化处理，将棚洞融入到山体公园中。

图5 框架式棚洞方案剖面示意图（单位：cm）

抗滑棚洞较传统路基方案存在如下技术优势：

（1）抗滑棚洞刚度大，桩采用圆形截面即可，较路基结构的矩形截面，施工难度和风险均减小。

（2）抗滑棚洞的框架覆盖在整个道路红线范围内，不占用外侧用地。而双排桩方案大量超出道路红线，锚拉桩的锚索则占用红线外的地下空间。

（3）路基锚拉桩方案，其预应力锚索需要在回填土中成孔，施工困难。且因荷载大，岩体为软岩，需采用压力分散型锚索才能满足受力要求。但这种锚索施工工序繁琐，后期土体沉降和边坡变形易造成锚索的受力不均，也很难补张拉，影响耐久[11]；抗滑棚洞不采用锚索就能达到需要的刚度。

（4）抗滑棚洞具有阻隔落石的功能，且具有多层构造，采取适当的缓冲措施，较常规棚洞有更可靠的防落石坠落性能。

（5）抗滑棚洞以山体建筑的形式，连通山体上、下部绿地，将建筑融入到山体公园中。增加的楼层，可被赋予公共建筑的功能，实现项目增值。

3 框架式抗滑棚洞受力性能

3.1 结构有限元分析

通过1.3 节的方法建立有限元模型，模型采用空间三维模型，棚洞的抗滑桩和框架梁采用梁单元，挡土板和楼板采用板单元，抗滑桩与岩土体接触部位设置地层弹簧单元（见图6）。按照1.2 节的方法计算，将计算下滑力施加到抗滑桩上，考虑停车区车辆荷载、绿化区覆土荷载以及人群荷载，分别施加到相应的框架梁楼板上，通过规范进行荷载组合。

图6 有限元结构模型

结构侧向变形如图7，最大侧向位移为40 mm。可以认为已获得理想的支护刚度。

图7 结构最大侧向位移计算图

最终结构的弯矩分布见图8。此时棚洞的抗滑桩最大弯矩为8228 kN·m，采用圆形截面承载力可以满足要求。可以看出，较常规的双排桩结构，框架式抗滑棚洞各排桩之间的弯矩分布更均匀。同时，也可以通过调整框架梁的位置和刚度来优化抗滑桩上的内力分布。

图8 结构计算弯矩分布图

3.2 框架式棚洞施工过程的数值模拟分析

框架式抗滑棚洞的必要功能之一，就是满足施工过程的边坡稳定需要。为分析框架式抗滑棚洞施工过程对山体的扰动影响情况，采用有限元数值模拟的方式进行计算分析。

计算采用“地层-结构”模型，抗滑桩和框架梁采用梁单元，岩土体采用平面应变单元，梁单元与平面应变单元之间节点耦合。岩、土体单元采用摩尔-库伦本构，并将土岩界面处的区域单独模拟，用于模拟滑动面单元。当滑动面比较薄时可采用接触对的方式建立接触面。

施工过程模拟如下：（1）边坡整体计算，自重应力场产生，位移清零；（2）激活抗滑桩单元；（3）逆作法分层开挖土体单元，并激活对应的框架梁单元；（4）完成全部开挖和梁单元激活后，施加楼板单元及荷载。最后完成施工。

各个施工阶段结构和边坡侧向位移见图9，最大位移40 mm，各阶段变形均处于可控范围。

图9 边坡水平方向位移图

为检验棚洞设置后的效果，采用强度折减法计算边坡安全系数。强度折减法是对整个边坡岩土参数的折减，认为边坡达到临界状态时，对应的折减系数就是安全系数。本模型采用塑性应变的发展来判断边坡临界破坏状态（见图10）。得到此时的安全系数为1.625。可以看出棚洞结构上方的边坡塑性区无贯通，主要塑性区产生在棚洞结构下方，表现为土体内部圆弧滑动，此时安全系数已大于1.35，满足安全要求。

图10 边坡塑性区计算图

4 结论与讨论

4.1 结论

（1）框架式抗滑棚洞结构有很强的侧向刚度，能代替锚拉结构解决控制边坡变形的问题。

（2）框架式抗滑棚洞结构的各梁、柱构件能整体发挥受力作用，可避免出现局部受力过大的问题。

（3）从实施工法上看，能通过先桩后梁，从上至下的“逆作法”工艺，减少施工对边坡的扰动，并获得更好的施工安全性。

4.2 讨论

框架式抗滑棚洞结构解决了大荷载作用下挖方路基边坡的技术问题，具有很强的施工安全性、结构稳定性、结构可靠性，还为城市公共空间和地下空间的开发提供了新的方案。主要应用范围如下：

（1）受到较力荷载或边坡存在稳定性风险的山体斜坡上的道路或隧道明洞。

（2）受力较大，但又需要减少道路红线外支挡结构占地的道路挖方路基。

（3）需要强化抗滑桩侧向刚度而又不适合采用锚索的边坡。

（4）山体存在落石可能，有防坠需要的项目。

（5）有条件或有需要进行城市公共空和地下空间拓展和开发的道路工程项目。