黄土高边坡支护中桩板挡墙的应用研究

顾 军

（甘肃博通工程咨询有限公司， 甘肃 兰州 730030）

0 引言

既往黄土边坡建设中，如果边坡高度超过30m时，建议在局部建设加工工程进行收坡，减少边坡开挖过高而滋生出较高不良因素而降低边坡稳定性；若自然边坡较平缓，通过适当设置宽平台也是一个不错的选择，但是在较陡峭的自然边坡端，若宽平台导致人工边坡高度增速过快时，要严谨选用。为有效应对既往西北黄土地区边坡“宽平台，陡坡率”的设置与黄土锚索锚固力问题，笔者提出尽量应用自稳方式去维持黄土边坡稳定性的建议。

1 边坡主要物质构成及变形破坏特征

某斜坡段全长724m左右，坡底、坡顶高程分别978m、1090m左右，地貌上属于黄土梁区。斜坡坡脚发成高度、坡度分别约20～40m、60～80读的陡坡，且逐渐以缓坡形式朝梁顶过度。

1.1 物质构成

结合野外勘察、钻探及探井资料，本斜坡顶部覆盖厚3～19m的马兰黄土，普遍表现为结构疏松，根系、虫孔均较发育。离石黄土是斜坡主体的主要构成，厚度达到70～90m,能探查到5～10层古土壤，分别发育出NWz、SW，节理。黄土的下方是宝塔山段砂岩，实测倾角 1～3°，砂岩顶面的高程达到980m，仅在局部区段出现裸露[1]。

1.2 变形破坏特征

本斜坡前、后缘高程分别992m、1056m，坡高达63m。由于局部滑坡出现了“圈椅状”

凹坡。当下只残留下局部滑体（15500m³左右），其他都被人工搬运或整改成平台。后缘留下一高度大概40m近乎直立的陡壁。勘察发现壁顶形成了两条弧状裂缝，宽度集中在6～12㎝，最大能达到65㎝，人工已经削除变形土体，打造出两级台坎，陡壁黄土体中发育出两组垂直节理，走向依次是SW220°和NW315°。

综合分析地质勘探结果后，可以确认壁顶张裂缝尚未贯通，但陡壁土体却垂直节理发育，多雨时节市场出现局部崩塌与掉块情况，如果遇到丰水年或者剧烈的人工活动，很可能导致坡体出现大范围滑动，当下稳定性明显不足，相关部门应加大监测力度，尽早整顿治理。

2 桩板挡墙的设计计算

2.1 计算内容与参数选择

2.1.1 内容

（1）土压力的荷载；

（2）测算出板桩的入土深度、抗倾覆等。分析到本滑坡工程存在的现实意义，设定其在正常投用阶段抗滑、抗倾稳定分别是1.35、1.5[2]。

2.1.2 参数选择

（1）土层参数：可供选择的方法有m、k、c法等。M取值的偏差基本不会对墙体受力与变形形成较大影响；k法对基底被动土压力的取值情况表现出较高的敏感性；m法主要分析在桩板的内力变形工况下对坑底土质形成的影响。

（2）物理参数：桩砼强度等级 C30，桩纵筋合力点至外皮距离控制182mm；挡土墙类型：普通挡土墙，后墙填土内摩擦角33°，墙后填土容重达19.8kN/m³，板厚0.36m，板宽0.5m。

2.2 “m”法的计算设计

本文悬臂13m、截面尺寸2×3.5m工况进行设计分析。

2.2.1 基本数据：桩体全长、嵌入深度分别达到30m、17m；截面形状设计成方桩（桩宽、高、间距分别是2m、3.5m、4.5m）[3]。

2.2.2 库仑土压力：测算高度达 13m处的库仑主动土压力，第一破裂角42.4°，Ea、Ex、Ey分别达到674.1kN、646.4kN、191.5kN。作用点高度Zy达4.0m。

2.2.3 计算桩身内力：利用m法计算，背侧是挡土侧，面侧是非挡土侧；面、背侧最大弯矩分别是0kN、30592.7kN，分别和桩顶相距1m、19m；剪力最大4295.1kN，距桩顶26m[4]。

2.2.4 计算挡土板内力配筋：选择1#板进行分析，板厚60mm，板下缘和顶相距 12m，土压力最大值 139.4kPa，单块板挖掘 176.5kN/m，单块板所有纵筋面积2538.2mm²。

2.3 “k”法设计计算

2.3.1 悬臂13m、截面2×3.5m

经试验测得k=11MN/m³。

测算高 13m位置的库仑主动土压力，第 1破裂角 42.4°，Ea、Ex、Ey分别达是674.2kN、646.5kN、191.5kN。作用点高度Zy是4.1m。

桩身内力：背侧、面侧分别是挡土、非挡土侧；面、背侧最大弯矩分别0kN、22538.2kN/m，分别和桩顶相距0m、16.6m；剪力最大3927.1kN，距桩顶13m，桩顶位移98mm。

2.3.2 悬臂11m、截面2×3.5m

经试验测得k=10MN/m³。

测算高 11m位置的库仑主动土压力，第 1破裂角 44.0°，Ea、Ex、Ey分别达是473.2kN、453.7kN、134.4kN。作用点高度Zy是3.4m。

桩身内力：背侧、面侧分别是挡土、非挡土侧；背侧最大弯矩12854.1kN/m，和桩顶相距13.9m；剪力最大2756.1kN，距桩顶11m，桩顶位移99mm。

2.3.3 悬臂9m、截面2×3.5m

k=9MN/m³。

计算9m处的库仑主动土压力，第1破裂角44.8°，Ea、Ex、Ey分别达是303.1kN、290.6kN、86.4kN，高度Zy对应值2.84.1m。

桩身内力：背侧、面侧分别作为挡土、非挡土侧；背侧最大弯矩6525.1kN/m，和桩顶相距11.4m；剪力最大1765.5kN，距桩顶9m，桩顶位移92mm。

2.3.4 悬臂9m、截面2×3m

k=8.6MN/m³。

9m 处的库仑主动土压力，第 1破裂角 44.9°，Ea、Ex、Ey分别达是303.1kN、290.5kN、86.4kN，高度Zy对应值2.84.1m。

桩身内力：背侧、面侧分别作为挡土、非挡土侧；背侧最大弯矩6525.1kN/m，和桩顶相距11.3m；剪力最大1765.6kN，距桩顶9m，桩顶位移99mm。

2.4 比较两组方法的计算结果

即在符合现行规范桩顶位移量的状况下，分别应用“m”法与“k”法计算不同桩截面与桩长。汇总并对比计算结果，发现“k”法的取值和悬臂高度值增减过程呈正比例关系；伴随悬臂长度的增加，桩身的最大挖掘与剪力位置均增加，从这个角度分析，“k”法和现实受力情况之间有更高的吻合度；。比较这两种方法计算出的最大弯矩与剪力，发现“k”法明显小于“m”法，有助于减少工程建设成本[5]。

综合分析以上论述的内容，认定在符合规范准许的位移量大小的工况下，从受力状态与造价两个方面分析，选用悬臂9m、截面2X3.om的方案更具合理性、经济性。

3 实例分析

3.1 案例一

黄土坡体土质构成是马兰黄土（Q3eol）与离石黄土（Q2eol），下伏白垩系（K）强～中风化砂岩。拟定在本坡体内应用1:0.5～1:0.75陡坡率，并布置数级8～18m宽平台进行治理，边坡高77.86m。分析到土方大范围挖掘与多级边坡坡面防护，工程造价A元左右。

拟采方案有如下不足

（1）挖掘边坡时会增加边坡坡脚的黄土与下伏砂岩间被揭穿的风险，很容易造成黄土沿下伏砂岩界面出现滑坡。

（2）开挖后边坡出现显著的“剥山皮”现象，对植被形成较大破坏，人工挖掘面大范围裸露，容易引起边坡坡面冲刷、剥落与坡体失稳等情况。

（3）需要挖掘处理的边坡较高，增加后续工程建设阶段坡面防护和土方工程养护压力。

为了有效规避以上不良情况，笔者建议把长度达20m抗滑桩布置在坡脚，起到固脚的作用，能够全面提升坡体的稳定性，随后按照坡率 1:0.5在桩后离石黄土（Q2eol）内进行收坡。为进一步增强高边坡的稳定性及减少减少坡面冲刷问题，决定配合使用锚杆框架去加固边坡。通过以上方法调整最初的设计方案后，边坡高度由初设计77.86m降到26.4m。整体分析此时的工程造价大概0.8A元，不仅减少了工程成本，还明显提升施工安全性和环保性。

图4是建议应用的工程地质断面图。

图4 建议应用的工程地质断面图

3.2 实例二

某坡体黄土由马兰黄土（Q3eol）、离石黄土（Q2eol）组成，下伏白垩系（K）强～中风化泥岩。技术工人巨鼎在白垩系（K）强～中风化泥岩与黄土坡体内应用1:1坡率与各级2m宽平台建设，边坡高度82m。估计其工程造价C元。

以上方案执行时暴露出如下缺点：（1）边坡设置情况出现了较显著的“剥山皮”情况，破坏植被生长环境不利于生态保护，大范围人工开挖作业面裸露，容易导致坡面冲刷、剥落及降低坡体的稳定性。

（3）边坡挖掘高度达到了82m，形成了较大的安全风险，并且后续施工中边坡坡面防护面积、土石方建设规模均较大。

鉴于以上实际情况，决定在第三系（N）泥岩依照1:0.5的坡率进行收坡，且利用12m锚杆对一级边坡进行固脚处理，把长度20m锚索项目布置在黄土与泥岩界面上，能够对高边坡发挥“强腰”作用。上部马兰和离石黄土统一应用1：0.75坡率进行挖掘直接绿化防护。通过以上形式调整设计方案后，边坡高由最初82m降到设计调整后，边坡的36.06m，此时其工程造价大概是0.5C元（图5）。

图5 建议应用的工程地质断面图

4 结束语

总之，为完善黄土地区高边坡设计，应依照实际的坡体岩土体组成及黄土和下伏岩体的力学性质开展整体分析。尽量先考虑尝试使用陡坡率，并依照高边坡加固理念有针对性的对边坡进行防护防护，借此方式合理降低边坡高度，提升人造工程与自然之间的和谐度，将对植被造成的破坏程度降到最低，减少后续边坡的养护成本，创造出更多的工程效益。