理正岩土和FLAC3D在边坡处治设计计算中的应用

李德心，邓 宇，程 建

(1.四川省交通运输厅交通勘察设计研究院，四川 成都 610017；2.中国科学院成都山地灾害与环境研究所，四川 成都 610041)

0 引言

桩板式挡土墙是由桩和桩间的墙面板组成，桩板承受土压力作用，将土压力(土体剩余下滑力)传递到地层，靠埋在稳定地层的桩体和桩周岩土体的相互嵌制作用保证结构稳定。西南山区地形复杂，龙门山断裂带地震频发，继汶川地震、芦山地震和九寨沟地震后，公路很容易产生路基沉陷和边坡垮塌。本文采用某工点边坡处治实例，简述了预应力锚索桩板式挡墙的设计过程，在用常规软件理正岩土计算的基础上，结合采用FLAC3D软件，对比二者计算结果，论证该方案设计和计算的合理性。

1 工程概况

国道108线K2447+220～K2447+312段路基变形体处位于荥经县界荥河乡红星村楠田坝。路基填筑于斜坡中部，外侧为荥河，路基范围内地层上部为人工填土，其下为碎石质粉质黏土和碎石土，碎石质粉质黏土厚约4.0～5.0 m，碎石土厚约10.0～13.0 m，稍密状，下伏炭质泥岩、粉砂岩，呈互层构造，岩体较破碎，风化较为严重。原公路为填方路堤，最大填方高度约15.0 m，外侧采用铁丝笼挡墙防护，局部已有沉降变形，路面开裂，加之受“4·20”芦山强烈地震影响，铁丝笼挡墙已发生鼓胀破坏，路基填筑体局部已失稳，严重影响公路的安全运营。

2 设计思路

对边坡进行稳定性分析。用条分法中的传递系数法计算剩余下滑力，即预应力锚索桩板式挡墙所承受的总拉力，初拟桩和锚索的材料、尺寸(截面面积，锚固段长度直径等参数)，进行内力和变位计算。计算桩的反力将桩简化为受横向约束的弹性地基梁，按地基系数法计算锚索拉力及锚固段桩身内力、位移和转角。悬臂段，按照土压力和锚索拉力的荷载效应叠加计算内力转角。校核地基强度，不满足时调整桩尺寸埋深等参数，按照基本组合计算荷载效应(设计弯矩和设计剪力)，根据锚索桩身弯矩、剪力图，进行桩身结构配筋设计(在正负最大弯矩处配筋，并在锚固点、锚拉点附近箍筋适当加密)。挡土板设计(因其受力总体而言较小，作为次要因素考虑)和排水设施，按照均布荷载下的简支梁计算(挡土板的荷载宽度，按照计算板长计算，荷载取最底层挡土板对应的土压力，按均布荷载分布)。

3 处治方案

拟于现有公路路肩外侧18.5 m处，设置预应力锚索桩板式挡土墙，桩身采用矩形(T形)截面桩，桩径2 m×3 m，桩基嵌入基岩长度≥5 m，锚索采用7φJ15.2钢绞线，锚固段长10 m，锚索自由段进入基岩长度≥2 m，单孔锚索设计锚固荷载为800 kN。桩身上部设置3个锚索孔(至上而下第三孔为锚索后期预留孔，施工时仅施工上部两孔锚索)。其立面图见图1。

图1 预应力锚索桩板式挡墙立面图

3.1 理正岩土计算

3.1.1 边坡稳定性分析

用条分法中的传递系数法计算剩余下滑力，用理正岩土软件计算剩余下滑力如图2所示，计算结果：最后一块土体剩余下滑力为485 kN，下滑力角度为7.362°。

图2 边坡计算简图

3.1.2 抗滑桩

设置桩长37 m，嵌入深度25 m，桩底边界条件按自由端考虑，初拟定桩身尺寸为桩宽2 m，桩高3 m，桩间距5 m，桩身内力和变位，按弹性地基梁，地基弹性抗力系数采用m法(认为地基系数是随深度而变化，比例系数以m表示)，根据挠曲微分方程和桩底约束条件，校核验算桩位移，桩顶位移应小于桩悬臂端长度的1/100，且<100 mm。

3.1.3 锚索

考虑此段碎石质粉质黏土厚约4～5 m，碎石土厚约10～13 m，稍密状，下伏炭质泥岩、粉砂岩，岩体较破碎，风化严重。选择用预应力锚索桩板式挡墙，通过锚索施加预应力，能够主动控制岩土体变形。初步拟定锚索采用7φJ15.2钢绞线，锚固体直径150 mm，入射角为18°和25°，锚固段长10 m，锚索自由段进入基岩长度≥2 m，单孔锚索设计锚固荷载为800 kN。

施加预应力主动控制岩土体变形，与岩土体变形后才发挥作用的被动受力结构，比如一般挡墙和抗滑桩有本质区别(二者具体的计算方法见文献[2])，此工点处治方案设计计算简图见图3。

图3 预应力锚索桩板式挡墙计算简图(单位：m)

第1道锚索水平拉力为886.635 kN，距离桩顶1 m，第2道锚索水平拉力830.038 kN，距离桩顶3 m。

3.2 FLAC3D计算

采用数值模拟软件FLAC3D5.0构建边坡模型，从下到上分为粉砂岩、碎石土、粉砂质黏土、杂填土、路基填土五部分，共划分实体单元19 844个。抗滑桩采用pile结构单元，锚索采用cable结构单元，板墙采用liner结构单元。其中，cable单元与pile单元之间，liner单元与pile单元之间分别建立刚性连接。桩身全长37 m，其中嵌固段25 m，桩身横截面2 m×3 m，桩间距5 m，在距桩顶1 m处，布置水平入射角18°，全长51 m的锚索，其中锚固段长度10 m，板墙厚0.5 m。模型与结构单元如图4所示。

图4 边坡模型示意图

边坡岩土体视为弹塑性模型，服从Mohr-Coulomb屈服强度准则，参照现场地质资料，岩土体计算参数如表1所示。计算结果如图5～7所示。

图5 边坡位移示意图

图6 桩体位移示意图

图7 桩受剪力示意图

3.3 对比分析

通过理正岩土计算，桩最大位移18 mm，最大剪力为1 606 kN，最大弯矩为10 456 kN·m，参照2015年《公路路基设计规范》中桩侧地基横向容许承载力的计算公式，满足土反力小于地基土容许承载力(桩内力计算表略)。FLAC3D计算结果为桩最大位移18.49 mm，最大剪力为1 554.2 kN，最大弯矩为8 132.5 kN·m。二者计算结果基本一致。

3.4 挡土板设计

挡土板按照均布荷载下的简支梁计算，挡土板的荷载宽度按照计算板长计算，荷载取最底层挡土板对应的土压力，按均布荷载分布。拟定挡土板预制长度2.9 m，宽度1 m，板厚50 cm，根据2015年《公路路基设计规范》规定其计算跨径L为：矩形桩L=L0+1.5t，L0为矩形桩间的净距，t为挡土板的板厚，L为5.75 m，求出板的跨中弯矩设计值和剪力设计值，根据理正岩土计算结果，挡土板内力配筋计算见表2。

3.5 排水

(1)于原公路内侧边坡设两排仰斜式排水孔，排水孔采用φ90PVC花管，其外围包裹渗水土工布，排水孔仰角为10°，长度按进入基岩1 m控制，水平间距4 m，竖向间距3 m，呈品字形布置。

(2)公路内侧边沟底部增设纵向片石排水沟1道，并沿路线走向设横向片石排水沟10道，间距10 m。

(3)于填方路基边坡设拱形骨架护坡，坡面喷播植草绿化，桩基顶部平台及桩基外侧土体采用30 cm厚M15浆砌片石封面，以防止地表水冲刷及下渗。

4 结语

本文采用山区公路边坡处治工程实例，介绍了预应力锚索桩板式挡墙的设计过程，配合使用理正岩土和FLAC3D软件，对比二者计算结果确定该方案的合理性。工程处治方案没有唯一性，没有最好，作为设计人员，可以经过方案比选和动态设计，优化调整选择更合理经济、实用美观的处治措施。桩板墙施工简便，造价相比桥梁费用低，效果比一般挡墙好，其应用会日益广泛。