桩锚支护结构在高边坡治理工程中的应用

昌 思

（中国铁路设计集团有限公司 天津 300251）

1 工程概况

1.1 地形地貌

某停车场场地东、西、北三面环山，南侧为出口，为山区丘陵地貌，地势起伏较大，地面高程一般在31.90～127.78 m之间。停车场主体南北向长约307 m，东西向宽约110 m，总占地面积约21.3万m2，停车场平面位置示意图如图1所示。

图1 停车场平面位置示意图Fig.1 Plan Location of the Parking Lot

1.2 地层岩性

1.3 水文地质

场地地表水系较发育，主要为山区沟涧及汇集谷底的地表水，在各边坡坡底发育有湖泊望基湖，如图2所示。可见，场地地表水主要为望基湖与两条大冲沟。地表水受雨季影响较明显，暴雨季雨量丰富，湖水水位上升较快，旱季与雨季水位差最大可达3.0 m。冲沟水流较急，水深不到0.5 m。

图2 停车场场地地表水Fig.2 Surface Water of the Parking Lot

地下水运动主要受地形、地貌控制，场地范围内总体地形起伏较大，四周地势较高，中间为汇水洼地，地势较低。地下水水平运动较快，水位较深，地下水的渗流方向由较高水头处向较低水头处渗流，流速快，流量大。受地形地貌的控制，地下水径流总体上边坡四周坡顶向谷底排泄，汇集到望基湖，垂直上主要为大气蒸发排泄。

2 边坡稳定性分析

2.1 有限元模型建立

根据边坡结构特征及工程地质条件，选取新开挖的北侧边坡典型断面WJH-01，地层及几何尺寸如图3 所示，排桩直径1.5 m，桩长20.0 m，其中嵌固段长12.0 m，悬臂段长8.0 m，排桩上采用锚索进行加固，锚固段长10.0 m，自由段长20.0 m，倾角25°。边坡坡率1∶1～1∶1.5，每8.0 m 设置一个平台，最大边坡高度约为62.52 m。边坡防护采用3.0 m×3.0 m 锚杆框架梁，锚杆长度9.0 m，倾角25°。

图3 WJH-01剖面Fig.3 WJH-01 Section （cm）

在边坡荷载作用下，支挡结构及坡体的受力变形可以简化为平面应变问题，因此可以简化为2D 模型进行计算分析［1-7］。生成的有限元模型如图4 所示。计算时土体采用摩尔-库伦模型，桩、锚杆及锚索锚固段采用梁单元，锚杆（索）与土体之间设置接触单元，采用三角形单元进行网格划分，单元划分如图5所示。边界条件设置：约束左右两侧边界的水平位移，约束下部边界的水平向和垂向位移［8-11］。

图4 WJH-01剖面计算模型Fig.4 Calculation Model of WJH-01 Section

图5 WJH-01剖面单元网格Fig.5 Element Grid of WJH-01 Section

2.2 模型参数的选取

模型参数的选取参考了停车场详细勘察阶段岩土工程勘察报告中的岩土物理力学指标参数建议值，模型参数取值如表1 所示，排桩、锚杆（索）计算参数如表2所示［12-14］。

表1 土层材料参数Tab.1 Soil Material Parameter

表2 锚杆（索）计算参数Tab.2 Bolt（Anchor Cable）Calculation Parameters

2.3 计算结果分析

2.3.1 边坡稳定性分析

边坡位移云图如图6～图8 所示。从中可知，边坡在重力作用下，排桩桩顶上边坡形成了浅层滑移面，塑性区已经连通，最大位移发生在边坡的中下部，总变形最大值为65.48 mm，沉降变形最大值62.14 mm，水平位移最大值24.61 mm。运用强度折减法，得到边坡稳定性安全系数为1.731，大于《建筑边坡工程技术规范：GB 50330—2013》要求的1.35，边坡处于稳定状态。

图6 总位移云图Fig.6 Cloud Chart of Total Displacement

图7 竖向位移云图Fig.7 Cloud Chart of Vertical Displacement

图8 水平位移云图Fig.8 Cloud Chart of Horizontal Displacement

2.3.2 桩身弯矩分析

排桩弯矩沿桩身的分布曲线如图9 所示，由图9可知，排桩最大弯矩为1 300 kN·m/m，最大弯矩发生在嵌固点位置，距桩顶约8.0 m 处，桩身弯矩呈“鼓肚子”形态，应加强嵌固点位置配筋。

图9 排桩弯矩沿桩身的分布曲线Fig.9 Moment Distribution Curve of Pile

排桩轴力沿桩身的分布曲线如图10 所示，由图10 可知，排桩最大轴力为3 460 kN/m，最大轴力发生在嵌固点以下的位置。

图10 排桩轴力沿桩身的分布曲线Fig.10 Axial Force Distribution Curve of Pile

排桩剪力沿桩身的分布曲线如图11所示，排桩最大剪力为409.83 kN/m，最大剪力发生在嵌固点位置。

图11 排桩剪力沿桩身的分布曲线Fig.11 Shear Force Distribution Curve of Pile

排桩位移沿桩身的分布曲线如图12所示，排桩的最大水平位移3.15 mm，最大竖向位移20.11 mm。最大水平位移发生在嵌固点位置。桩顶位置由于锚索预加力作用，排桩向墙后发生位移，位移很小，由此可见，锚索有效的限制了排桩的位移。

图12 排桩位移沿桩身的分布曲线Fig.12 Displacement Distribution Curve of Pile

3 结论

某地铁停车场北侧边坡最大高度超60.0 m，边坡采用锚杆进行加固，坡脚采用排桩挡墙及预应力锚索进行支护，利用有限元分析软件对边坡稳定性及排桩的受力进行分析计算，通过计算可以得到边坡稳定性系数、桩身弯矩、桩身轴力及剪力情况，得出如下结论：

⑴边坡在锚杆、排桩挡墙及预应力锚索支护下，边坡稳定性系数为1.731，边坡处于稳定状态。

⑵边坡失稳破坏时，桩顶上边坡形成了浅层滑移面，塑性区已经连通，说明边坡潜在的滑动面桩顶坡体内，排桩能防止边坡出现深层滑移。

⑶桩后土体及锚索作用下，排桩最大弯矩及位移发生在嵌固点位置，桩身弯矩呈“鼓肚子”形态，应加强嵌固点位置配筋。

⑷桩顶位置采用预应力锚索，不仅可以增大桩的抗弯能力，还可以有效限制桩顶位移。