公路高边坡抗滑桩设计与综合评价

郭立华

(山西省交通规划勘察设计院有限公司，山西 太原 030006)

1 工程概况

某高速公路路基高边坡上部有一处滑坡体，长度为55 m，水平距离380 m、宽330 m，滑坡体厚度为13～37 m之间，滑坡体前后缘高差为118 m。该滑坡体岩体破碎，风化严重，滑动面有破碎带，内部有次生夹泥，有滑动变形，滑床岩体类别为砂岩，强度较高，稳定性良好。

2 滑坡体抗滑桩加固设计

2.1 抗滑桩加固方案

为了有效控制高边坡滑坡体位移，设计采用抗滑桩进行加固。该滑坡体一共设置46根抗滑桩，其中8根位移滑坡体两侧边缘(每侧4根)，断面尺寸为2.0 m×3.0 m，单桩设计抗滑力为2 MN，另外38位于滑动体中部，断面尺寸为2.5 m×4.0 m，单桩设计抗滑力为15 MN。为了提高加固效果，在部分抗滑桩顶部设置预应力锚索，设计长度为30 m，其中锚固段长度为12 m。为了确定抗滑桩对滑坡体的加固效果，完工后对滑坡体稳定性进行监测，在滑坡体内部布置的抗滑桩上部布置10根测斜管和5根钢筋计，整理监测结果作为分析抗滑桩加固效果的依据。

2.2 抗滑桩内力计算

(1)锚固段地层抗力计算

选取I-31号抗滑桩作为研究对象，进行锚固段地层抗力计算。I-31号抗滑桩断面尺寸为2.5 m×4.0 m，桩长30 m，其中锚固段长度为12 m。锚固段长度岩体类型为砂岩，结构完整，稳定性良好。锚固段地层抗力采用“K”法进行计算，查表确定地基反力系数为4×108N/m3。

I-31号抗滑桩侧向位移测斜管监测结果如表1所示，在Winkler弹性地基梁模型的基础上，采用公式(1)对每延米地基反力进行计算，计算结果如表2所示。

表1 I-31号抗滑桩侧向位移测斜管监测结果

表2 I-31号抗滑桩锚固段每延米的地基反力计算值

σ(i)=Kibsi

(1)

式中：σ(i)为深度为i米处地层抗力；Ki为深度为i米处地基反力系数；B为抗滑桩的宽度；si为抗滑桩滑动面以下深度为i米处的侧向位移。

(2)滑坡剩余下滑力计算

锚索拉力T为868 kN，结合表1中锚固段每延米的地基反力计算结果，通过公式(2)和公式(3)计算缓坡体剩余下滑力和力矩。

(2)

(3)

式中：l为锚索作用点到滑动面的距离，l=4.211。

计算得出抗滑桩剩余下滑力F=10.89 MN，根据钢筋计监测结果，分析确定埋深为8 m、13 m、17 m和20 m位置的抗滑桩截面钢筋受力。通过计算得出各截面处的弯矩，I-31号抗滑桩钢筋计单根钢筋受力监测结果和截面弯矩计算结果如表3所示。

表3 I-31号单根钢筋受力和截面弯矩计算结果统计表

I-31号抗滑桩深度为16～20 m为回填土，这个深度范围内滑坡剩余下滑力接近于零。取z=16 m，采用MATLAB计算软件分析得出滑坡体剩余下滑力的分布函数如下

f(z)=-3.29z2+32.6z+989.3

式中：z的取值范围为-16～0。分析上述分布函数可知，该函数分布曲线形状接近于三角形。抗滑桩埋深z在-15～-13.2 m段，抗滑桩后部滑坡体的推力小于抗滑桩前部的土层抗力，该深度范围内滑坡体剩余下滑力小于0。抗滑桩埋深z在-13.2 m～0段，滑坡剩余下滑力与抗滑桩埋深成正比。

(3)抗滑桩内力对比分析

根据上述计算结果，可以确定I-31号抗滑桩上部假设作用力，计算确定抗滑桩的理论弯矩值和剪力值，得出最大弯矩值为19.7 MN·m，最大剪力为6.49 MN。结合抗滑桩弯矩和剪力监测结果，绘制抗滑桩弯矩、剪力的理论计算值与实测值变化曲线，如图1和图2所示。

图1 抗滑桩弯矩的理论计算值与实测值变化曲线

图2 抗滑桩剪力的理论计算值与实测值变化曲线

对比分析图1和图2曲线变化情况，抗滑桩的弯矩和剪力的实测值均远小于理论计算值，说明抗滑桩的实际受力远小于极限抗滑力，得出抗滑桩的工作状态是稳定安全的。

为了准确评价抗滑桩的工作状态，还需要计算安全度K，是抗滑桩弯矩和剪力最大理论计算值与实测最大值的比值，计算结果如下。

弯矩安全度K1=95.73/19.7=4.86

剪力安全度K2=33.66/6.49=5.19

内力安全度K3=16/10.89=1.47

结合弯矩、剪力、内力安全度计算结果，I-24号抗滑桩处于安全状态，且抗滑桩工作状态时所受的下滑力远低于极限抗滑力，说明抗滑桩设计偏安全，安全余度较大，可以对桩体设计进行优化。

2.3 抗滑桩所受滑坡剩余下滑力的反演

结合抗滑桩所处地层地质情况，确定抗滑桩锚设计参数，建立有限元抗滑桩分析模型。以I-31号抗滑桩为研究对象，设计桩长为30 m，其中锚固段长度为12 m，设计锚索长度为35 m。滑坡体剩余下滑力取2～15 MN，结合分布型式，进行侧向位移计算，计算结果与实测位移如表4所示。

表4 I-31号抗滑桩侧向位移计算结果

结合表4有限元分析结果，对不同分布型式抗滑桩侧向位移计算值与实测值进行对比分析。抗滑桩侧向位移实测值与计算值接近，说明二者的符合度较高。通过滑坡剩余下滑力反演分析，得出矩形滑坡推力2.89 MN，三角形为4.45 MN，梯形为4.316 MN，阶梯形为5.1 MN。结合本项目抗滑桩所处的地质情况，四种分布型式均满足要求。按照最保守的梯型分析，滑坡推力值为5.1 MN。结合设计资料，设计抗滑力为15 MW，结合上述计算方法得出抗滑桩安全度K=3，说明抗滑桩处于偏安全状态，可以对设计方案进行优化。

3 抗滑桩工作状态综合评价

结合上述抗滑桩内力和抗滑力计算结果，确定I-31号抗滑桩处于安全状态。结合抗滑桩弯矩、剪力和抗滑力有限元计算结果和监测结果，通过分析计算得出安全度分别为安全度4.86、5.19和1.47。通过滑坡剩余下滑力反演分析，得出抗滑桩安全度K=3。

综合分析上述计算结果，I-31号抗滑桩的安全度均大于1，处于安全状态。结合抗滑桩侧向位移监测结果，位移值变化量较小，说明坡体处于稳定状态，抗滑桩可有效控制滑坡位移。综合上述结果，可以得出该抗滑桩有效提高了滑坡体的稳定性，且具有较高的安全余度。

4 结 语

为了合理评价抗滑桩的抗滑效果，采用MATLAB计算软件，通过有限元分析计算抗滑桩弯矩、剪力和滑坡剩余下滑力，并结合监测数据进行对比分析得出以下结论。

(1)对比分析抗滑桩内力计算结果和监测数据，I-31号抗滑桩安全度均大于1，说明抗滑桩处于安全状态，且安全余度较大；

(2)对比分析抗滑桩侧向位移计算值与实测值，得出抗滑桩安全度为3，说明I-31号抗滑桩处于安全状态。

总之，I-31号抗滑桩具有较高的安全余度，处于偏安全状态，需要对设计方案进行优化。