预应力锚索桩板墙在路堑边坡加固中的应用

苏 鹏

（山西省交通科学研究院，山西 太原 030006）

1 工程概况

某高速公路RK85+780—RK85+910段右侧边坡为挖方路基边坡，挖方边坡最大高度16.5 m，分两级设置边坡，坡率均为1∶0.5，平台宽度2 m。RK85+780—RK85+910段右侧边坡坡顶处相邻G309线，坡顶已经侵入到既有公路G309线的硬路肩范围，为保证高速公路边坡稳定及G309线运营安全，原设计采取改移G309线。项目进行中建设单位提出，G309线改线对原国道交通影响大，建议在不改线的情况下，采用技术措施确保高速公路顺利实施。随后建设单位组织设计、施工和监理四方对现场进行了实地踏勘并组织方案论证会，会议确定采用桩板墙方案对该段路堑边坡进行加固处理。

图1 RK85+780—RK85+910段右侧边坡(原设计改路方案)

图2 RK85+780—RK85+910段右侧边坡（预应力锚索桩板墙方案）

2 工程地质条件

2.1 地形地貌

本段边坡地貌上属基岩低中山区安泽河河谷亚区，总体地势北高南低，坡自然坡角10°～35°。山坡上基岩裸露，局部上覆薄层坡积土，线路走向242°，从山腰通过。

2.2 地层岩性

根据钻探揭露及工程地质调绘，本边坡地层主要为二叠系中统石千峰组（P2sh）褐红色中厚层状-厚层状粉细砂岩及黄绿色、紫红色砂质泥岩组成，在揭示深度范围内地层岩性由新至老为：

a）第四系上更新统（Q3） 粉土，褐黄色，稍湿，松散，颗粒分布不均，局部夹砂及岩块，上部见植物根系。坡体范围内少见出露，厚度一般0～0.6 m。

b）二叠系（P2sh） 全风化砂岩，褐黄色，原岩结构基本被破坏呈土状及碎末状，矿物成分主要为长石、黏土矿物；揭示厚度2.6～4.6 m。

c）强风化泥质砂岩 紫红色，粉细粒结构，层状构造，泥质胶结，节理发育，矿物成分主要为长石、黏土矿物、石英等，岩芯破碎呈碎块状，块径2～4 cm，偶见短柱状，锤击易碎；揭示厚度6.3～9.0 m。

d）强风化砂岩 褐红色为主，粉细粒结构，层状构造，节理发育，夹泥质薄层，矿物成分主要为长石、黏土矿物、石英等，岩芯破碎呈块状，偶见短柱状，块径2～5 cm，锤击易碎；揭示厚度约14.0 m。

e）中风化砂岩 褐红色为主，粉细粒结构，层状构造，节理发育，夹泥质薄层，矿物成分主要为长石、黏土矿物、石英等，岩芯较完整呈柱状，局部夹块状，柱长一般5～10 cm，锤击声闷；揭示厚度13.5～24.8 m。

2.3 地质构造及地震

拟建场地属沁水块坳安泽-沁源郭道近南北向褶皱带，由一系列小背斜与小向斜组成。根据GB 18306—2015《中国地震动参数区划图》，场地地震动峰值加速度为0.15g，地震基本烈度为Ⅶ度，区域稳定性较差。岩层产状为30°∠4°，3组节理发育：120°∠70°，2 条 /m；180°∠85°，3 条 /m；265°∠59°，4条 /m。

2.4 水文地质条件

拟建场地的全年降水主要集中在7月、8月、9月份，年平均降水量607.7 mm。

坡体内地下水主要为砂岩裂隙水，主要接受大气降水补给，排泄方式主要为蒸发式排泄，含水性较弱，一般处在干燥状态下。

3 边坡稳定性评价

该边坡为岩质边坡，地层为三叠系（P2sh）褐红色中厚层状-厚层状粉细砂岩及紫红色砂质泥岩，岩层产状为30°∠4°，3组节理发育，岩体较破碎，完整性系数在0.35～0.4之间；结构面之间结合较差；路线走向为242°，边坡整体倾向28°，岩层倾向和边坡倾向一致，不利于边坡稳定，但岩层倾角较小，地层结构稳定，故边坡整体稳定；同时因岩体节理发育，岩体破碎，边坡开挖后坡面易发生掉块或小型崩塌[1]。

图3 RK85+818—RK85+902段赤平投影图

4 方案设计

4.1 路堑边坡加固设计

根据以上边坡稳定分析评价，结合地层岩性，根据桩的平面位置考虑3种方案对路堑边坡进行加固处治[2]。

4.1.1 方案一

路堑边坡采用台阶式边坡，第一级坡高8 m，坡率1∶0.5，采用护面墙防护，第二级平台上设置2×3 m C30混凝土预应力锚索桩板墙，桩长24～34 m，桩间距5 m，桩间设置C30混凝土挡土板，锚索长度22 m，锚固段10 m，单孔锚索采用6束，单孔设计锚固吨位600 kN，设计锁定锚固吨位660 kN，见图 4（方案一）。

图4 方案一

4.1.2 方案二

在碎落台外设置2×3 m C30混凝土预应力锚索桩板墙，桩长20～28 m，桩间距5 m，桩间设置C30混凝土挡土板。自桩顶面下200 cm设置斜面，与水平面成70°夹角，锚索中心位于桩顶面下150 cm处，设置与水平面成20°下倾角，抗滑桩施工时在桩顶面下150 cm处预留φ150锚索孔，设置与水平面成20°下倾角，锚索长度22 m，锚固段10 m，单孔锚索采用5束，单孔设计锚固吨位500 kN，设计锁定锚固吨位550 kN，见图5（方案二）。

图5 方案二

4.1.3 方案三

第一级边坡设置2×3 m C30混凝土预应力锚索桩板墙，桩长24～26 m，桩间距5 m，桩间设置C30挡土板。第二级边坡坡率1∶0.5，平台宽度3 m，采用框架预应力锚索加固边坡，锚索长度22 m，锚固段10 m，单孔锚索采用4束，单孔设计锚固吨位400 kN，设计锁定锚固吨位440 kN，见图6（方案三）。

图6 方案三

方案一总造价955万元，方案二总造价919万元，方案三总造价895万元。方案一优点是第一级边坡及平台与该段路基前后边坡衔接顺畅，施工边坡开挖高度较低，施工安全性相对较高；缺点是桩板墙顶位置与原G309线相距较近，对原国道运营干扰大，工程造价相对较高。方案二优点是桩板墙顶位置与原G309线相距最远，对原国道干扰最小，施工开挖量较方案一大，造价适中。方案三抗滑桩较短，工程造价最低，但其桩顶需开挖边坡，施工时对原国道运营有一定干扰。综合分析以上3个方案，方案二对原国道G309线影响最小，造价适中，故推荐方案二。

4.2 路堑边坡排水设计

边坡坡脚设置60×60 cm M7.5浆砌片石边沟，路堑顶5 m外设60×60 cm M7.5浆砌片石截水沟。在全风化砂岩和强风化泥质砂岩交界面处设置仰斜排水孔，水平间距3 m，排水孔径130 mm，孔内填充φ110硬塑透水管，里端采用两层无纺布包封。做好临时排水和永久排水的衔接，确保边坡排水通畅。

4.3 计算分析

结合工程钻孔资料和岩层产状，对设置桩板墙的每个断面进行计算分析。由于岩层基本呈水平状，钻孔未见地下水，路堑边坡计算仅考虑土压力，土压力计算方法采用库仑理论方法[3]，计算公式如式（1）、式（2），力学参数取值参考有关试验值，并结合工程经验确定，表1为设计指标采用值。

式中:γ、φ为墙后填土的容重及内摩擦角；H为挡土墙的高度；ε为墙背与竖直线间夹角,墙背俯斜时为正，反之，为负值；δ为墙背与填土间的摩擦角；β为填土面与水平面间的倾角；Ka为主动土压力系数。

表1 岩土层的设计力学参数建议值表

同时，路堑边坡主要为全风化砂岩、强风化泥质砂岩、强风化砂岩，岩芯破碎呈碎块状，桩的受力计算采用地基系数法，地基系数随深度成正比例增加，即采用“M法”进行桩内力计算分析[4]，“M法”是根据弹性地基上的弹性梁受挠曲后的微分方程采用幂级数解求得，从而得到桩的水平位移x，计算公式如式（3）：

式中：x0、φ0、M0、Q0分别为在画面处的水平位移、转角（弧度）、弯矩和剪力；A1、B1、C1、D1为随桩之换算深度（ah）而异的系数，可查表确定。

经计算，Ea=365.271 kN，Ex=325.459 kN，Ey=165.830 kN作用点高度Zy=4.811 m桩顶位移为25.6～39.08 mm，位移均小于100 mm，锚固段顶面位移为4.65～6.79 mm，位移均小于10 mm，均满足规范要求。

5 施工工艺及要求

首先施工G309线路侧混凝土防撞墙。

其次再施工锚索桩板墙，待边坡锚固工程全部实施并产生加固作用后（根据实际情况可采用有效可行的临时加固或预加固工程措施）方可进行下级边坡的土石方开挖作业，逐级开挖，逐级加固，直至全部防护工程结束，确保坡体稳定和结构安全。

施工时先施工桩，桩的施工从两侧向中间开始施工，采用跳孔开挖，开挖一个浇注一个孔，禁止全部开挖完毕后再下放钢筋笼及浇注混凝土。

浇注桩的混凝土需一次成型，禁止间隔浇注施工。

挡土板采用预制，挡土板施工需等锚索第一次张拉完毕后（达到设计张拉力的100%），第二次张拉以前，挡土板安放时禁止全面开挖桩间土，需从两侧向中间开始施工，逐幅施工。挡土板全部施工完毕后对锚索采用二次张拉（达到设计张拉力的110%）。

锚索施工顺序：钻孔→清孔→下锚（与注浆管一起）→注浆→施工框架梁→张拉→锁定。

6 监测

根据《公路路基设计规范》要求对该工程进行监测，在桩顶设置位移桩，共设置3处，在预应力锚索处设置锚索计，共3处。

边坡监测工作时间主要为施工期和公路营运初期，总的监测时间应为边坡开挖至公路建成营运后1～2 年[5]。

监测频度应与施工和降雨量相适应，在雨季、边坡开挖期间和已出现变形破坏时应加密观测。

7 结语

a）本文通过具体工程实例对该边坡加固防护措施进行分析，确定出该段边坡防护的最佳处治方案。

b）通过计算分析，确定桩板墙的尺寸，为本段路堑稳定提供支撑。

c）桩板墙施工完成后，对桩顶位移及锚索应力计进行监测。结果表明，边坡处于稳定状态。

d）通过本次路堑加固设计，避免了国道改线，保证其正常通行及运营的安全性，同时，也保证高速公路路堑边坡的稳定，确保高速公路的运营，为类似工程设计提供一定的参考意义。