桩锚挡土墙在道路工程高挖方边坡支护中的应用

2017-05-24张静

湖南交通科技 2017年1期

关键词：挖方水泥砂浆路段

张静

(衡阳公路桥梁建设有限公司，湖南衡阳 421001)

桩锚挡土墙在道路工程高挖方边坡支护中的应用

张静

(衡阳公路桥梁建设有限公司，湖南衡阳 421001)

以某市主干道的高挖方边坡支护工程为例，研究了桩锚挡土墙在道路工程高挖方边坡支护中的应用。通过分析地勘资料，提出桩锚支护结构适用于素填土较高，边坡稳定性较差的路段。根据地质情况的不同分段取最不利断面进行计算，确定在保证边坡稳定性的基础上，得到合理桩径和间距，锚索布置及长度。最后从锚桩、锚索、挡土板及排水等方面介绍设计内容，供其他工程借鉴。

高挖方；边坡支护；桩锚挡土墙；边坡稳定性；桩径；锚索

城市发展需要道路的建设，然而随着城市用地受到约束，道路建设遇到的高挖方地段，已较少采用自然放坡形式。桩锚支护以其占地面积小，施工安全性高，边坡稳定性好的特点，在高边坡支护中得到广泛应用[1-7]。本文以某城市主干道K0+660～K1+100高挖方边坡为例，阐述了桩锚支护的设计理念、结构设计思路和设计计算方法，以期为后续工程提供参考。

1 工程概况

某城市主干道是某市开发区内南北向一条城市主干道，全长约2099.328 m。本道路红线控制宽度为60 m，绿线控制宽90 m，按双向8车道城市主干道标准进行设计。根据现场踏勘及地勘、测量，本次设计路段拟建场地原始地貌主要为丘陵坡地，呈南北走向，沿线地形起伏较大，南高北低，地面高程介于68.00～117.00 m之间，高差约49.00 m。沿线其他以山体、菜地、农田、水塘为主。该段道路标准横断面如图1所示。

图1 道路标准横断面图(单位： cm )

道路竖向设计结合规划控制标高、区域内现状地形、起点现状标高、道路旁已建小区地坪标高、道路排水、两厢现状排水、防洪需求等条件进行拟合设计。K0+660～K1+100段道路路面设计标高为88.97～92.6 m，西侧边坡坡顶地坪标高116.5～93 m，道路建成后该路段形成的边坡坡高为5～27.5 m。该路段原为卸土区，坡体主要以素填土为主，厚度为14.1～29.4 m(K0+880段最厚)不等，岩层埋置相对较深。考虑该路段边坡稳定性较差，且用地范围受限，本文提出采用桩锚支护加自然放坡的形式。边坡支护断面示意图如图2所示。

图2 边坡支护断面图

2 工程地质条件

2.1 地层岩性

根据地勘资料显示K0+660～K1+100段道路主要地层为素填土、粉质粘土、强风化泥质粉砂岩，其地层岩性主要为：

素填土(Qml)①2：灰黄～红褐色，稍湿～饱和，主要由黏性土组成，不均匀含约10%～15%的砾石、碎石等硬杂质，偶见碎砖块，其块径一般5～10 cm。密实度不均匀，堆填时间1～5 a，未完成自重固结，呈松散状态。

粉质粘土(Qal)④：红褐～黄褐色，稍湿，硬塑，含铁、锰质结核，呈网纹状构造，稍具光滑，无摇震反应，干强度中等，韧性中等，结构中密，均匀性一般，冲积成因。

强风化泥质粉砂岩(E)⑦：红褐色，干，强风化，裂隙很发育，可见层理，见铁锰质氧化物，泥质结构，中厚层构造，岩芯呈碎块状或短柱状，岩石质量指标差。

2.2 水文地质

勘察期间，局部钻孔遇见地下水，场地地下水类型主要为上层滞水，上层滞水主要赋存于人工填土层中，分布不均匀，受大气降水和地表水补给，水量、水位均随季节而变化较大，未形成连续稳定水位。

2.3 岩土参数

根据勘察结果，拟建场地内各地层的工程特性指标建议采用表1所示。

表1 土质参数指标地层天然重度γ/(kN·m-3)抗剪强度(固快)凝聚力c/kPa内摩擦角φ/(°)基底摩擦系数土体与锚固体极限粘结强度标准值frbk/kPa地基土水平抗力系数的比例系数m/(MN·m-4)素填土16.8109.0/256粉质粘土19.63019.00.256030强风化泥质粉砂岩22.54025.00.35220120

3 桩锚结构计算

3.1 设计思路

由于该路段均为素填土，土质松散，根据该段土体性质及坡高，放坡坡比较大，若直接减少坡比后进行格构+锚杆防护将造成锚杆过长的巨大浪费及施工难度较大，因此结合道路施工进度要求及远期商业用地建设计划，采用桩锚+放坡形式进行支护可同时兼顾。根据地勘资料结合实际开挖深度5～27.5 m，分路段取10个最不利断面(同一边坡高度范围，最不利土层最厚断面或者相同地层坡高最高断面)进行计算。

对桩顶以上坡体，将桩顶以下假定为稳定体，桩顶以上按坡率法放坡对边坡进行稳定性分析。

3.2 计算方法

计算采用安全系数法、m法、瑞典条分法等等一系列方法计算、复核，土压力采用朗肯土压力公式弹性法土压力建模。

3.3 计算方式

桩锚计算：通过交互方式自动搜索最不利滑动面计算桩身受力及桩锚各项技术指标及边坡的各项安全系数。根据计算锚索(自由段、锚固段)长度、锚固体直径、锚索轴向拉力标准值、桩技术参数及嵌固深度等数据，反复迭代验算边坡稳定性安全系数及桩顶位移、锚索抗拉、锚固体抗拔等安全系数。

桩顶以上放坡坡体计算：采用瑞典条分法，通过交互方式自动搜索最不利滑动面计算坡体的局部稳定性及整体稳定性，根据计算结果取稳定系数最小值，通过最小稳定系数复核边坡稳定性及放坡坡比。

本文采用理正深基坑计算软件对全路段10个断面的桩锚结构进行计算，计算断面示意如图3所示。

图3 计算断面示意图(单位： m)

其中包含有5个施工工况分别为：

1) 开挖至第1排锚索位置；

2) 施工第1排锚索；

3) 继续开挖至第2排锚索位置；

4) 施工第2排锚索；

5) 开挖至基底。

3.4 计算结果

根据不同地质断面计算得出桩合理直径及间距：Z1～Z74、Z191～Z202桩径为1.2 m，桩间距为2.5 m；Z75～Z164桩径为1.2 m，桩间距为2.0 m；Z165～Z190桩径为1.5 m，桩间距为2.0 m。根据桩顶以上边坡稳定性计算，桩锚以上坡体采用8 m一级分级放坡，坡级间设置2 m宽平台，第1级(下级)计算坡比：桩号Z1～Z54为1∶2，Z55～Z190为1∶2.5；第2级坡比，桩号Z1～Z34为1∶4 ，桩号Z35～Z112为1∶4.25，放坡到位后进行坡面绿化防护(三维网植草防护)以减少雨水对坡面的冲刷，保障坡体不被冲刷及局部稳定。通过计算桩顶坡体稳定性系数均大于1.25。

根据各路段最不利断面计算，桩Z1～Z67冠梁处设置1排锚索；桩Z68～Z75设置2排锚索，冠梁处设置第1排锚索，第2排距第1排5 m；桩Z76～Z115设置4排锚索，冠梁处设置第1排锚索，以下3排排距为2.5 m；桩Z116～Z190设置3排锚索，冠梁处设置第1排锚索，以下2排距为2.0 m；桩Z191～Z201设置1排锚索，设置于冠梁处。通过计算边坡稳定性安全系数均大于1.35，锚索抗拉安全系数均不小于2.2，锚固体抗拔安全系数均不小于2.6。桩顶最大位移均小于35 mm。

根据计算结果具体各段支护结构布置见表2。

表2 桩锚支护结构布置桩代号锚索排数桩径水平间距/m锚索倾角/(°)各排锚索总长/m各排锚索钢绞线束数(15.24mm) Z1～Z24 1D1202.53014.52束 Z25～Z35 1D1202.53015.02束 Z36～Z67 1D1202.530216束 Z68～Z74 2D1202.53022、13.55束、5束 Z75～Z1154D12023537.5、33.5、28.5、21.510束、10束、8束、4束Z116～Z1243D12023528.5、22.5、17.59束、7束、6束Z125～Z1343D12023530.5、26.5、19.57束、8束、5束Z135～Z1643D12023529.5、23.5、1810束、9束、8束Z165～Z1903D15023545、39.5、3211束、9束、6束Z191～Z2021D1202.535175束

4 支护结构设计

4.1 锚桩设计

根据计算分析，锚桩桩径为1.2～1.5 m，间距均为2～2.5 m，桩顶标高距建成后路面8 m，桩锚立面布置(局部)如图4，桩身纵筋：N1为桩身通长筋、加强钢筋N2，其均采用HRB400三级钢，桩芯采用C30混凝土浇筑；冠梁、腰梁全线贯通，高宽为1.2 m×1.8 m。

图4 桩锚立面布置图

4.2 锚索设计

锚索布置根据计算结果设置。边坡锚索体采用单束公称直径15.24 mm(每根由7×Φ5 mm扭成) 的高强度低松弛钢绞线，钢绞线强度标准值为1860 MPa，锚杆倾角为30°、35°，锚索每隔1 m设置1个锚杆隔离架，保证锚杆满足规范要求。锚固体注浆采用二次注浆法，均采用P.O.42.5普通硅酸盐水泥，第1次注浆采用水泥砂浆，施工配合比经试验比选后确定。水泥砂浆强度不低于40 MPa，配合比为1∶1(重量比)，施工配合比最终经试验比选后确定，水灰比为0.4～0.5，28 d无侧限强度不低于40 MPa，即锚固段和自由张拉段同步注水泥砂浆，采用孔底返浆法，注浆压力为0.5～1.5 MPa，当孔口出现溢浆且持续时间不低于5 min后(或排气管停止排气),方可停止注浆，砂浆必须饱满密实。第2次注浆为高压劈裂注浆，待第1次注浆4～5 h后，采用M40纯水泥砂浆对锚固段进行劈裂注浆，注浆压力不小于2.0～4.0 MPa，2次高压注浆宜使用水灰比为0.5～0.60的纯水泥浆。

为增加浆液的和易性和早期强度，在浆液中掺入适量减水剂和早强剂；为防止水泥砂浆凝固收缩时锚固体与孔壁锚固力的损失，掺入适量膨胀剂；水泥砂浆拌合均匀，随拌随用，一次拌合的水泥浆、水泥砂浆在初凝前用完。以保证灌浆达到“早强、高强和高时效”的效果。

4.3 挡土板设计

面板采用在护壁桩临空面支模后现场浇筑，混凝土强度为C30。钢筋网片采用焊接连接，网格允许偏差为10 mm，钢筋网铺设时每边的搭接长度必须满足规范要求。

4.4 排水设计

坡顶、低级平台均设置50 cm×50 cm截水沟，面板处纵、竖向按2 m×3 m设置φ75PVC泄水孔，沿桩锚纵向每隔10 cm于桩间设置φ1.2 m降水井，井底标高至路面标高，井内采用级配砂砾石填充，竖向设置2排φ120PVC泄水孔。