某边坡工程桩锚支护结构损伤状态分析及加固研究

谢先浩

(贵州省建筑设计研究院有限责任公司，贵州 贵阳 550081)

近年来由于人类工程建设形成了大量人工边坡或建筑基坑，催生了大量的滑坡治理与边坡支挡结构物。其中基于传统抗滑桩发展而来的预应力锚索抗滑桩支护体系已广泛应用于边坡支护工程，它改变了单纯抗滑桩受力状态，使得抗滑桩由被动受力改为主动受力，大大减小了其截面和埋置深度[1]，对减小边坡体或基坑侧向位移有良好的效果[2]。由于基坑边坡施工的特殊性，预应力锚索抗滑桩在施工过程中的安全问题日益突出，并对后续主体结构或建筑场地整体稳定形成较大威胁[3]。本文讨论的边坡支护结构就是典型的锚索抗滑桩基坑边坡，该边坡在建筑基坑开挖过程中出现桩顶位移超限，桩身开裂等一系列病害，从支护结构病害表观参数出发，深入分析结构真实运行状态并以此反演出真实的岩土体参数，最后基于此给出最合理的加固方案，对类似的支挡结构物加固工程研究提供了一个新的思路和方向。

1 工程概况

本项目为贵州省织金县某安置小区南侧永久性支护边坡，边坡长120m，最大高度约为30～35m，为砂质泥岩、炭质泥岩夹煤层、煤线顺向岩土混合边坡，支护方案为上部15m高度采用锚索+格构支护体系，下部15～20m高度采用抗滑桩+锚索支护。坡脚为拟建32层商住楼，并设有1层地下室。边坡支护结构施工完成后下方建筑基坑开挖过程中安置小区建筑及支护结构出现一系列病害，主要表现为安置小区建筑底层墙体、楼地面不同程度开裂，抗滑桩出现较大的桩顶位移，抗滑桩桩身大面积的开裂等。边坡支护结构完工时现场情况见图1所示。

根据现场调查情况，本项目安置小区南侧边坡共布置有36根桩径2.4m的圆形抗滑桩，桩间距4m，并在桩身布置三排预应力锚索，锚索间距2.5m。坡脚建筑基坑开挖后抗滑桩出现超限变形及桩身开裂，最大桩顶位移及最大桩身裂缝均位于第28#抗滑桩，最大桩顶位移达到34.2cm，最大桩身裂缝宽度2.9cm(位于基坑底面以上2m处)。

2 支护结构病害成因分析

本项目经过多次现场踏勘，并查询相关勘察设计资料后，认为病害产生的原因主要有以下两个方面：1)地质条件恶劣：该段边坡所在场地岩体以泥岩为主，遇水极易软化，并且边坡体中含有煤层，经水浸泡后边坡岩体岩土参数指标下降严重，导致支护结构受到的侧压力逐渐大于结构抗力，引起病害；2)原设计结构抗力不足：该段边坡“抗滑桩+锚索支护体系”结构设计时采用原地勘资料提供的45°岩层面作为潜在滑动面进行结构验算，而重新勘察后认为岩层面倾角为34°，并且岩土参数指标也较原地勘资料提供参数小，这就直接导致了原设计结构抗力严重不足，或原设计支护体系选用不当。

3 桩锚支护结构现状受力状态分析

根据实测资料，本项目边坡13#～32#桩均出现不同程度的桩身开裂及较大的桩顶位移，具体桩身裂缝分布及桩顶位移情况见图1所示。

图1 实测13#～32#抗滑桩桩顶位移及桩身裂缝

3.1 桩顶位移分析

现状锚索抗滑桩配置三排锚索，第一排锚索距离桩顶1.0m，每根锚索为6束15.2低松弛钢绞线，设计张拉力f1=1100kN，极限张拉力f2=1551kN，在极限张拉力时钢绞线伸长量为11.2cm。

根据实测桩顶位移分布情况可知，15#～32#抗滑桩桩顶位移均超过锚索极限伸长量11.2cm，其中28#桩桩顶位移最大，为34.2cm，由此可知，从第15#桩开始，锚索均已产生滑移，否则不可能有如此大的桩顶位移。

3.2 对桩身裂缝进行分析

为查清现状抗滑桩工作模式，先假定抗滑桩外侧(临空面)裂缝为弯拉裂缝，根据现场裂缝宽度反算其对应的弯矩。裂缝宽度计算公式采用《水运工程混凝土结构设计规范》中关于圆形截面受弯构件最大裂缝宽度计算公式。

根据现状桩配筋情况可得，桩身产生弯拉裂缝缝宽及对应的弯矩如表1所示。

表1 桩身产生弯拉裂缝及对应的弯矩

从桩身裂缝分布情况看，有可能为弯拉裂缝，但裂缝位于桩身外侧临空面，则应为锚索拉力作用下产生的负弯矩。根据弯拉裂缝宽度与对应的弯矩表，产生0.5mm弯拉裂缝需要的弯矩达到14215kN·m，而对锚索抗滑桩体系进行分析，桩身外侧出现2000kN·m以上的负弯矩时锚索已经拉断，这说明，桩身外侧临空面产生的裂缝不可能是弯拉裂缝。

根据桩顶位移分析及桩身裂缝分析可得出结论，本项目受损抗滑桩预应力锚索已出现滑移失效，抗滑桩现状应为悬臂桩受力模式。

4 桩锚支护结构设计参数反演

4.1 依据桩顶位移的桩身侧压力反演

查清了现状抗滑桩工作模式为悬臂桩模式后，为了准确进行抗滑桩加固设计需了解桩后岩土体真实的侧压力及其真实岩体参数，为此决定以实测桩顶位移为依据，反算达到该位移所需的桩侧压力并给出对应的桩身内力。

本项目13#～32#抗滑桩实测桩顶水平位移数值为8.3～34.2cm，规律为从13#至28#桩持续增加，从28#桩至32#桩逐渐变小，最大桩顶变形位于28#桩，变形连续无突变。基于此，可根据实测桩顶位移数据分布进行分区，每区取一个特征变形作为该区桩后侧压力反算依据。

具体分区为：13#～19#桩为第一区，按桩顶位移Δ=15cm控制；20#～21#桩为第二区，按桩顶位移Δ=22cm控制；22#～23#桩为第三区，按桩顶位移Δ=26cm控制；24#～32#桩为第四区，按桩顶位移Δ=34cm控制。

按悬臂桩受力模式，抗滑桩受荷段侧压力采用矩形分布，锚固段边界条件采用节点弹性连接，弹簧刚度采根据m法计算，桩底边界为铰接。上述13#～32#抗滑桩桩根据现状桩顶位移分区后反算结果汇总见下表2所示。

表2 根据桩顶位移反算成果表

4.2 桩身侧压力反演结论验证

对上述由桩顶位移反算得到的侧压力及对应桩身内力结果分析，按桩顶位移Δ=15cm反算的桩身弯矩已经达46170 kN.m，对于一般的钢筋混凝土结构而言，要抵抗如此巨大的弯矩，结构尺寸及配筋率需求将会极大。为了解抗滑桩真实的受力情况，决定对已实施的抗滑桩极限抗力进行分析。

根据现场踏勘，并查阅相应的施工图，原设计并已施工的抗滑桩均为直径2.4m的圆桩，桩间距为4m，配筋情况为：桩顶11m至桩顶23m桩身受拉侧配置48根直径32的螺纹钢，其余为直径28的螺纹钢，共32根；桩身抗剪箍筋为直径22的圆形箍筋，间距15cm布置(剪力较大处)。根据上述抗滑桩尺寸及配筋，考虑混凝土与钢筋的极限强度后反算桩的极限抗力，其中材料极限强度取值为。

C30混凝土：ft,=2.01N/mm2，fc,=20.1N/mm2

HRB400钢筋：fy,=540N/mm2

根据上述混凝土及钢筋极限强度，可得到已实施抗滑桩极限抗力为。

弯矩：M,=45000kN·m

按照已实施抗滑桩极限抗力，假定现状抗滑桩处于破坏的临界状态，桩身内力已经达到其抗力的极限值，计算此时的桩侧压力及桩顶位移。计算模型仍采用前述悬臂桩模型，结果如下：侧压力：1470kN；弯矩：45166kN·m；剪力：5877 kN；桩顶位移：14.9cm。

根据计算结果，已实施抗滑桩弯矩最先达到抗力极限，达到极限抗力时桩顶位移为14.9cm。而实测桩顶位移在第28#桩已经达到34.2cm，并且大部分抗滑桩实测桩顶位移大于14.9cm，但抗滑桩现场并未破坏，这说明实测的桩顶位移应该不全是由桩侧压力引起的受荷位移，还应包含了一部分桩体的刚体位移。

综上所述，根据桩顶实测位移及桩身材料极限强度对应的桩顶位移数据，并考虑到抗滑桩仍未最终破坏的事实，可认为，此时部分抗滑桩已接近或正处于最终破坏的临界状态，对于第四区(桩顶位移最大区)抗滑桩反算其侧压力时可认为抗滑桩已处于临界破坏状态，按桩顶位移Δ=14.9cm反算其侧压力，而对于其他区可按第四区反算桩顶位移占实测位移的比值，推算其实际桩顶的受荷位移。

处于临界破坏状态的第四区桩顶受荷位移占实测位移比重为。

则各个区抗滑桩由侧压力引起的桩顶位移(受荷位移)见表3。

表3 由侧压力引起的桩顶位移

4.3 支护结构设计参数反演

根据上述各个区由侧压力引起的桩顶位移(受荷位移)对抗滑桩实际受力状态进行反算，计算模型仍如前述，反算得到结果如表4所示。

表4 根据桩顶受荷位移反算侧压力结果

按照上述侧压力，取现状抗滑桩支档结构对应的滑体，侧压力按桩后岩土体下滑力控制，按缓倾结构面计算最大剩余下滑力并以此反算此时的岩土参数，计算得到结果见表5。

表5 根据下滑力反算岩土参数结果

5 加固方案

由于1#～19#抗滑桩状态较好，仅做结构补强即可，本文仅对病害较严重的20#～32#抗滑桩加固方案作论述。根据前述反演结论，将20#～32#排桩偏安全的统一取第四区参数进行加固设计。由于该段抗滑桩大部分桩顶位移及最大桩身裂缝宽度均以超过限值，已到达临界状态，必须对抗滑桩自身进行加固处理后再依据支挡结构现状反算得到的验算下滑力E=1636.9kN/m，对锚索排桩体系进行加固设计，具体加固方案如下[4]。

5.1 抗滑桩桩身加固

为保证该段抗滑桩仍然能参与抗滑桩+锚索支护体系的整体受力，对该段受损的抗滑桩采用增大截面法加固，选用植筋方式对桩身开裂部位进行加固，并在桩身外侧包裹80cm厚混凝土以增大受损抗滑桩截面，增大截面范围为基坑底面至基坑底面以上8.4m高桩身范围，加固长度为20#桩至32#桩范围。

5.2 锚索排桩挡墙加固

根据前述支护结构现状分析结论，20#～32#抗滑桩桩后实际岩土参数指标已非常低，且该段边坡坡后岩体破碎软化现场严重、坡后岩体主要为泥岩，遇水后极易软化，抗剪指标将进一步下降，已不适宜采用单纯预应力锚索进行加固，故考虑采用刚性桩加固，即在原排桩外侧新增一排抗滑桩，并将原桩与新增加桩之间采用刚性连系梁连接在一起，形成双排桩闭合门式刚构支护体系。新增抗滑桩宽度为1.2m，高度与原抗滑桩等高，新增抗滑桩嵌岩深度受已实施建筑桩基础限值，深度不超过建筑桩基础[5]。

5.3 加固后结构验算

根据前述分析，20#～32#桩验算用下滑力，验算断面原排桩受荷段长15m，嵌固段15m，桩断面为直径2.4m的圆形，新增外侧抗滑桩受荷段长15m，前后排抗滑桩间设置三排联系梁，新增外侧抗滑桩为1.2*1.5m矩形截面，连系梁截面为1.5*1.5m矩形截面，前后排桩均采用C30钢筋混凝土，弹性模量Eh=30e6 kPa，桩的中心距l=4m，采用midas有限元软件进行结构计算。

抗滑桩受荷段下滑力采用矩形分布，经过计算，本次20#～32#锚索桩段边坡支护体系加固后结构验算内力汇总至如表6中。

经过验算，锚索设计张拉力及锚固长度均满足要求，原抗滑桩配筋强度也满足要求，加固后边坡支护结构满足规范要求。

表6 20#～32#锚索桩段边坡结构验算内力表

6 结语

对边坡或基坑支护结构而言，真实受力状态与结构后岩土体真实地质参数常常是其病害分析及加固设计的难点，也控制着支护结构损伤状态分析和加固设计的成败。本文以某一典型桩锚支护结构为例，深入剖析了其病害成因，从结构直观的变形与裂缝宽度入手一步一步揭示了支护结构真实受力状态，并对全段支护结构进行分类，针对不同损伤状态及受力特性的支护结构给出不同的加固方案，使得整个边坡支护结构加固工程更加合理。