桩板墙在路堑高边坡加固处治设计中的应用

罗云松

（广东省九域工程技术咨询有限公司，广东 广州 510000）

0 引言

随着社会经济的快速发展，城镇地区机动车保有量激增，既有道路的规模已经很难与日益增长的交通量匹配，对既有道路的扩宽改造也势在必行。道路拓宽改造一般根据项目所在区域地形地貌因地制宜，采取在既有道路两侧对称增加车道或者单侧增加对等车道数的方式。工点所在项目即是单侧新建四车道公路与既有道路形成双八城市快速路，受城市规划用地严格要求，本项目一处深路堑需垂直开挖14 m后正常放坡才能确保不侵占红线[1]。传统挡墙受结构高度限制，且大体积混凝土浇筑质量难以保证，而采用桩板墙结构不仅可以减少开挖，节约用地，还可以快速封挡临空面，确保路基稳定。

1 工程概况

项目YK1+328—YK1+450段路线经过山体中部，形成右侧垂直挖深约23 m，规划红线距离坡脚水平距离约27 m，且右侧山势陡峭，正常放坡开挖受限。经比选讨论采用悬臂14 m抗滑桩+挡土板的支护方案，先行施工抗滑桩，后开挖坡面挂板，为防止桩顶边坡发生越顶破坏，采用锚索框架加固。

2 工程地质

2.1 地层岩性

场区所在山体高，山势陡峭，山坡自然坡度25°～50°，局部陡坡陡坎。根据地质调绘、钻探揭示场区内地层自上而下依次为第四系杂填土（Q4ml）、冲洪积层（Q4al+pl）、残积层（Qel）以及下古生界（Pzl）片麻岩、燕山期（γy2）花岗岩。边坡主体为强风化片麻岩，裂隙发育，岩体极破碎，岩芯呈半岩半土状、砂土状、碎块状。

2.2 主要节理产状

通过对工点所在位置岩体露头情况进行现场勘察，测得3组主要节理裂隙，分别为J1:55°∠68°，J2:140°∠36°，J3:303°∠44°，边坡及主要结构面的赤平投影图如图1所示。

图1 边坡节理赤平投影图

3 边坡稳定性分析

根据赤平投影图，J2、J3节理面与开挖坡面大角度（大于40°）相交，J1节理面与坡面小角度斜交顺倾，但倾角大于开挖边坡坡角，故单一结构面产状对坡体稳定有利；J1、J2、J3组合交线倾向均与坡向夹角大于40°，节理面组合切割体属于稳定结构。综上，边坡沿结构面发生折线破坏的可能性不大，同时考虑边坡范围内岩体受裂隙发育，将岩体切割成碎裂结构或散裂结构，边坡稳定性主要取决于岩块间的镶嵌情况和岩块间的咬合力，判断边坡失稳破坏形式为类土质的圆弧破坏。

4 边坡加固方案设计

4.1 坡率坡形

受规划红线限制，拟建边坡采用四级放坡，最大坡高35.5 m。其中最下一级为14 m垂直放坡，以上采用8 m分级，坡率取1∶0.5，各级设2 m宽平台。

图2 YK1+328—YK1+450段右侧边坡典型横断面图

4.2 剩余下滑力计算

4.2.1 计算方法

采用最为严格满足力和力矩平衡的刚体极限平衡方法——Morgensten&Price法。

4.2.2 计算参数

岩土体参数根据地质提供室内土工试验，同时结合地方岩土经验确定。计算断面的岩土指标参数如表1所示。

表1 主断面岩土指标参数

4.2.3 计算结果

采用边坡工程专业软件Geo-Slope之Slope/W进行边坡稳定性计算，计算结果显示：采用边坡开挖后，自然工况下稳定系数为0.962，采用桩板墙加固之后要求安全系数大于1.25，此时作用在桩板上的剩余下滑力为1 090 kN/m（K=1.203）。

图3 自然工况下，边坡开挖后，稳定性系数0.962

图4 自然工况下，边坡加固后，安全储备系数1.251

4.3 抗滑桩设计计算

本次设计首先根据推力大小、地层性质、滑体厚度等拟定桩长、锚固深度、桩体界面尺寸、桩间距及地基系数，通过计算桩体变形系数及其计算深度判定是按弹性桩还是刚性桩来进行设计。同时根据嵌固段地质条件确定桩底边界条件，从而采用相应的公式计算桩身各界面的位移、内力及侧壁应力并进行地基强度校核。对于桩体结构及挡土板设计，采用理正岩土软件抗滑桩模块计算结果进行配筋设计，限于篇幅，本文不做详细介绍。

4.3.1 桩体变形特征

拟采用抗滑桩截面为2.0×3.0 m，桩长28 m，桩间距L=6 m，锚固段h2=14 m，受荷段h1=14 m。桩体锚固地层为强风化片麻岩，地基系数与深度成正比，取m=40 000 kN/m。

其中Bp为桩的设计宽度；EI为桩的抗弯刚度。

4.3.2 外力计算

每根桩的滑坡推力Et=En×L=1090×6=654 t，按三角形分布，滑面位置水平推力为剪力弯矩

4.3.3 桩体内力计算

采用“m”法计算桩身变位和内力，根据弹性地基上的弹性桩桩顶受水平荷载作用时的绕曲微分方程[2]：

得出锚固段桩身任一截面位移（x）y、转角（φ）y、弯矩（M）y、剪力（Qy）与滑面位置位移（XA）、转角（φA）、弯矩（MA）、剪力（QA）的关系式。结合桩底支撑边界条件，本次桩底为强风化片麻岩，桩底按自由端考虑，即取桩端弯矩、剪力均为0，即可求得滑面位置位移及转角公式[2]：

式中：Ai、Bi、Ci、Di为随着桩身的换算深度而异的“m”法的影响函数值，进而求得桩身各截面位置变位、弯矩、剪力如表2所示。

表2 截面弯矩、剪力、水平位移及地基土抗力

4.3.4 桩侧应力校核

抗滑桩将滑坡推力传递给桩周岩土体，桩前岩土产生被动土压力，桩后岩土体产生主动土压力，达到平衡状态时，桩身任意一点对地层的侧壁应力不应大于该点的被动与主动土压力之差，即满足[2]

根据表2可知，σ17.5≤σmax=1243.82 kPa，满足规范要求。

综上，桩顶最大位移为65 mm，小于悬臂段的1/10且不大于100 mm；桩侧最大压应力小于岩土体所能提供的最大抗力，拟定的桩身截面、埋深、间距满足设计要求。

4.4 桩顶边坡加固

鉴于桩顶以上边坡坡率较陡峭，为避免边坡发生越顶破坏，对桩顶以上边坡采用预应力锚索框架加固[3]。方案设计过程中，采用类似土质边坡稳定性分析方法，通过自动搜索确定最危险，计算在一定安全储备条件下（K=1.25）剩余下滑力，进而确定锚索设计锚固力及布置形式。本次设计在第二、三级边坡中均设置3排预应力锚索，第四级边坡设置一排锚索。锚索采用6φ15.42 mm钢绞线，长度以锚固段进入中风化片麻岩为准。

5 结语

工程建设中，受规划用地严格限制时，经常需要采用支挡措施进行收坡，在传统支挡结构不能满足工程需求时，桩板式结构可以以直立形式放坡，且坡高可达15 m左右[4]。实际工程中，当悬臂过长时，还可与锚索组成桩锚结构，通过预应力锚索限制桩顶位移及改善桩体受力桩体，减小锚固长度，达到更大悬臂的要求。随着土地资源的日益紧张，桩板式支挡结构将在未来的工程建设中发挥巨大作用。