扶壁結(jié)構(gòu)在抗滑樁傾斜治理工程中的應(yīng)用

鈕洪亮，王敏

(1.中交第二公路勘察設(shè)計(jì)研究院有限公司，湖北 武漢 430056;2.江漢大學(xué) 機(jī)電與建筑工程學(xué)院)

1 引言

抗滑樁作為穩(wěn)定邊坡和滑坡、加固不穩(wěn)定山體的有效措施，在國內(nèi)外都得到廣泛應(yīng)用，國內(nèi)外學(xué)者對(duì)它的理論研究己經(jīng)達(dá)到了一定的水平。無論在滑坡機(jī)理分析、滑坡推力計(jì)算，還是在新型抗滑樁設(shè)計(jì)等方面均有大量的研究及實(shí)踐成果。但是在實(shí)際的工程中，受地質(zhì)情況認(rèn)識(shí)程度、施工質(zhì)量以及各種未知情況(如地震、強(qiáng)降雨等)的影響，也不乏存在抗滑樁失效的工程事故?？够瑯兑坏┌l(fā)生失效破壞，其加固治理是必須面對(duì)的實(shí)際工程問題。

目前，針對(duì)抗滑樁失效的有關(guān)研究主要集中在失效機(jī)理、穩(wěn)定性評(píng)價(jià)等方面。吳永等對(duì)地震波作用下抗滑樁的失效機(jī)理進(jìn)行研究，分析了導(dǎo)致滑坡啟動(dòng)和錨固體系失穩(wěn)的震波特征,并給出了其臨界值的計(jì)算模式；孫巖平進(jìn)行抗滑樁失效判斷與滑坡穩(wěn)定性分析研究，建立了抗滑樁穩(wěn)定性分析體系；Lin Chen等利用有限元方法討論了抗滑樁的失效機(jī)理及失效的主要原因；田義斌等對(duì)某高速公路上滑坡治理中樁板墻失效的原因進(jìn)行了分析和論述；陳林等采用二維有限元強(qiáng)度折減法，對(duì)某邊坡抗滑樁失效機(jī)理進(jìn)行了研究；王偉德等、鐘國輝對(duì)抗滑樁與扶壁式擋土墻聯(lián)合支護(hù)技術(shù)進(jìn)行了研究與應(yīng)用等。而對(duì)于抗滑樁失效后的修復(fù)、糾偏等加固治理措施，除了中鐵西北科學(xué)研究院有限公司公開發(fā)了一種將水泥注漿、預(yù)應(yīng)力錨索加載與掏土結(jié)合的抗滑樁傾斜復(fù)位糾偏與加固方法外(發(fā)明專利)，中國國內(nèi)很少有相關(guān)文獻(xiàn)對(duì)此進(jìn)行報(bào)道研究。

該文以云南省某公路路堤樁板墻傾斜治理工程為例，提出一種扶壁結(jié)構(gòu)加固治理抗滑樁傾斜的方法。以解決發(fā)生較大傾斜角度的懸臂式抗滑樁失效加固修復(fù)工程的難題。

2 工程概況

云南省某公路一段長度為360 m的陡坡高路堤，位于山體坡腳斜坡地形上，中心填土高度為2～10 m，最大填方邊坡高度為26 m，沿老路拓寬改建。設(shè)計(jì)采取路堤式樁板墻支擋方案，抗滑樁為2 m×3 m矩形抗滑樁，樁間距5.0 m，樁長22～24 m，懸臂長6～10 m，懸臂間設(shè)置擋土板，共設(shè)置70根抗滑樁；樁板墻墻頂以上填土高度16 m，結(jié)合地方改路采取臺(tái)階式邊坡坡形，第一級(jí)邊坡坡率為1∶1.5，第二級(jí)邊坡坡率為1∶1.75，改路平臺(tái)寬6.0 m，平臺(tái)高度按改路縱斷面標(biāo)高設(shè)置，原設(shè)計(jì)路基典型橫斷面如圖1所示。

路基施工期間，在樁板墻施工完畢，其上路堤土方填筑至樁板墻頂以上10 m時(shí)，受汛期連續(xù)降雨及強(qiáng)降雨的影響，14#～43#抗滑樁向坡外傾倒，填方路基下沉、開裂，失穩(wěn)跡象明顯。位移監(jiān)測(cè)顯示，26#抗滑樁傾斜幅度最大，傾斜角度約9°，樁頂水平位移達(dá)到1.0 m。事故發(fā)生后，立即通過卸載等應(yīng)急處理措施，控制了樁體失穩(wěn)變形的繼續(xù)發(fā)展。

圖1 原設(shè)計(jì)路基典型斷面圖

3 抗滑樁傾斜機(jī)理分析

3.1 工程地質(zhì)條件

通過補(bǔ)充地質(zhì)勘察及抗滑樁挖孔記錄，查明項(xiàng)目區(qū)工程地質(zhì)條件。地表覆蓋第四系人工填筑土、殘坡積黏土，下伏花枝格組泥巖及礫巖，地層巖性及巖土體物理力學(xué)參數(shù)見表1。原設(shè)計(jì)抗滑樁樁底端多位于③-1a軟化強(qiáng)風(fēng)化泥巖層中，抗滑樁貫穿土層有②可塑黏土層、③-1強(qiáng)風(fēng)化泥巖層。②～③-1層巖土體對(duì)地下水的作用較敏感，受水后易軟化變形。

表1 地層巖性及巖土體物理力學(xué)參數(shù)

3.2 抗滑樁傾斜形態(tài)特征

該案例抗滑樁傾斜主要集中在地表懸臂高度超過8 m的路段，并且傾斜幅度、樁頂水平位移與懸臂高度成正比。26#抗滑樁懸臂高度為12 m，是變形最為嚴(yán)重的位置。通過地表外觀檢查，抗滑樁懸臂段及樁間擋土板結(jié)構(gòu)均未發(fā)現(xiàn)裂縫及破壞跡象。抗滑樁在地面處產(chǎn)生擠土效應(yīng)，樁前土隆起變形，并伴隨有地下水滲出，同時(shí)，樁板墻頂部填筑的路基下沉、開裂。通過對(duì)傾斜抗滑樁取芯檢測(cè)和低應(yīng)變反射波法檢測(cè)，抗滑樁結(jié)構(gòu)自身未發(fā)生剪斷或折斷現(xiàn)象，樁身結(jié)構(gòu)完整性較好。變形特征表明，抗滑樁因支擋能力不足而被推歪，產(chǎn)生了整體傾斜變形。

3.3 抗滑樁傾斜機(jī)理

抗滑樁產(chǎn)生整體傾斜失效，主要是因抗滑樁錨固段長度不足，樁側(cè)最大壓應(yīng)力超過樁前土體的橫向容許承載力，樁前土被擠壓失穩(wěn)破壞或產(chǎn)生較大壓縮變形所致。針對(duì)該工程案例，抗滑樁產(chǎn)生整體傾斜的內(nèi)因主要是凹坡地形匯集地下水和地表水、強(qiáng)風(fēng)化泥巖地層遇水軟化；外因是樁基開挖擾動(dòng)、連續(xù)降雨為泥巖浸水軟化創(chuàng)造了條件。

原設(shè)計(jì)抗滑樁錨固段長度為12 m以上，均超過了樁長的一半，但錨固段所貫穿的地層主要是強(qiáng)風(fēng)化泥巖，該地層對(duì)地下水的作用較敏感，受水后軟化崩解。抗滑樁樁基開挖過程中，導(dǎo)致強(qiáng)風(fēng)化泥巖與外界大面積接觸，爆破加劇了結(jié)構(gòu)擾動(dòng)破壞。同時(shí)，施工期連續(xù)降雨及強(qiáng)降雨，凹坡地形匯集雨水，地基被雨水沖刷、浸泡、地下水位上升，進(jìn)一步加劇了泥巖浸水飽和而軟化、泥化，進(jìn)而導(dǎo)致抗滑樁樁前土體的強(qiáng)度降低，抗滑樁的有效錨固長度減短。在路基填土土壓力的作用下，抗滑樁因樁前土體抗力不足而被整體推歪。

4 穩(wěn)定性計(jì)算

4.1 穩(wěn)定性分析

根據(jù)補(bǔ)充地質(zhì)勘察報(bào)告及c、φ值反演分析，穩(wěn)定性計(jì)算采用的巖土體物理力學(xué)參數(shù)如表1所示。選取19#、26#、37#抗滑樁3個(gè)代表性典型斷面作為計(jì)算剖面，采用簡(jiǎn)化Bishop法，運(yùn)用理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行路堤整體穩(wěn)定性分析計(jì)算。自動(dòng)搜索最危險(xiǎn)滑面結(jié)果表明，受泥巖軟化強(qiáng)度降低的影響，最不利滑面均位于軟化強(qiáng)風(fēng)化泥巖層，路堤及樁板墻發(fā)生深層整體失穩(wěn)變形。

在施工期抗滑樁發(fā)生傾斜的狀態(tài)下，26#樁位路堤整體穩(wěn)定性計(jì)算斷面及最不利滑面搜索結(jié)果如圖2所示。坡體整體穩(wěn)定系數(shù)為0.977，抗滑樁有效錨固段長度僅為4.2 m，受荷段長度19.8 m。在此狀態(tài)下進(jìn)行抗滑樁驗(yàn)算，其樁頂位移為240 cm(理論計(jì)算值)，結(jié)果表明抗滑樁產(chǎn)生了較大的位移，與樁體傾斜實(shí)際情況吻合。

圖2 抗滑樁發(fā)生傾斜狀態(tài)整體穩(wěn)定性計(jì)算斷面(26#樁)

通過穩(wěn)定性定量分析，進(jìn)一步確定了抗滑樁傾斜的機(jī)理，同時(shí)為該工程的加固治理提供了設(shè)計(jì)依據(jù)。

4.2 設(shè)計(jì)剩余下滑力計(jì)算

根據(jù)JTG D30-2015《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》，路堤沿斜坡地基或軟弱層滑動(dòng)的穩(wěn)定性分析工況及穩(wěn)定安全系數(shù)為：① 正常工況為1.30；② 非正常工況Ⅰ，穩(wěn)定安全系數(shù)1.20。在路基填筑至設(shè)計(jì)標(biāo)高及運(yùn)營期間車輛荷載狀態(tài)下，抗滑樁支擋處設(shè)計(jì)剩余下滑力計(jì)算結(jié)果如表2所示。

表2 加固設(shè)計(jì)剩余下滑力計(jì)算結(jié)果

根據(jù)計(jì)算結(jié)果，該案例加固治理設(shè)計(jì)剩余下滑力取為1 400 kN/m。

5 扶壁結(jié)構(gòu)治理方案

5.1 治理方案的擬定

該案例樁板墻樁體傾斜治理方案的擬定主要考慮以下幾個(gè)因素：

(1) 已傾斜的抗滑樁錨固段深度明顯不足，無法提供有效支擋，需增設(shè)抗滑樁等強(qiáng)支擋結(jié)構(gòu)。

(2) 樁體傾斜幅度大，糾偏矯正難度極大，即使采用錨索等措施糾正，抗滑樁依舊因錨固段深度不足而無法提供有效抗力，無法實(shí)現(xiàn)加固效果。

(3) 路基填土已基本完成，若考慮拆除傾斜抗滑樁重新施做，無論在工期、施工難度、還是工程投資上均不可行。

(4) 若在原有抗滑樁之間增設(shè)矩形抗滑樁加固，可以實(shí)現(xiàn)治理加固效果，但已傾斜的抗滑樁沒有得到扶正修復(fù)，難免會(huì)在外觀上對(duì)工程質(zhì)量及工程驗(yàn)收產(chǎn)生影響。

(5) 對(duì)于已經(jīng)失穩(wěn)破壞的坡體加固，若采用人工挖孔的矩形抗滑樁加固，存在施工工期長、人工挖孔施工存在一定安全性風(fēng)險(xiǎn)等問題。

針對(duì)該案例的實(shí)際情況及特點(diǎn)，提出了采用機(jī)械成孔的雙排圓形抗滑樁與扶壁相結(jié)合的治理方案。

5.2 扶壁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)工程實(shí)際，經(jīng)比選設(shè)計(jì)確定采用的扶壁結(jié)構(gòu)由雙排圓形抗滑樁、樁頂冠梁及扶壁等組成，整體附著于傾斜樁板墻外側(cè)設(shè)置，三維結(jié)構(gòu)示意圖如圖3所示。

圖3 扶壁結(jié)構(gòu)三維構(gòu)造示意圖

雙排圓形抗滑樁錨固于滑動(dòng)面以下穩(wěn)定巖土體中，為坡體加固提供有效支擋抗力。圓形抗滑樁采用機(jī)械成孔施工，設(shè)置于每根傾斜抗滑樁正外側(cè)，矩形布設(shè)，第一排距離傾斜抗滑樁4.0 m，第二排與第一排樁間距5.0 m，每根抗滑樁設(shè)計(jì)抗滑力700 kN/m，樁徑設(shè)計(jì)2.0 m，樁長30 m，滑動(dòng)面以下錨固段長20 m。

圓形抗滑樁樁頂設(shè)置橫、縱冠梁連接，冠梁以4根傾斜抗滑樁為一個(gè)加固單元分段受力，以提高雙排樁的整體性及適應(yīng)差異變形能力。橫向冠梁與傾斜抗滑樁一一對(duì)應(yīng)，并與傾斜抗滑樁間植筋固結(jié)，傳遞水平抗力，冠梁設(shè)計(jì)寬度2.4 m，梁高2.0 m。

扶壁用于將抗力傳遞至傾斜抗滑樁的懸臂段，并實(shí)現(xiàn)對(duì)不同傾斜程度的樁身進(jìn)行修正。扶壁設(shè)置于橫向冠梁與傾斜抗滑樁所形成的三角區(qū)內(nèi)，與傾斜抗滑樁間植筋固結(jié)。扶壁厚度與傾斜抗滑樁寬度相同，厚2.0 m，頂部寬1.0 m，設(shè)置坡率為1∶0.5的外傾面坡。

圓形抗滑樁、冠梁、扶壁均采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)尺寸及配筋通過理正巖土計(jì)算軟件和Midas結(jié)構(gòu)計(jì)算軟件輔助計(jì)算確定。從工程安全性及設(shè)計(jì)明確性角度，對(duì)已傾斜抗滑樁按不提供支擋抗力構(gòu)造物考慮。扶壁結(jié)構(gòu)加固傾斜抗滑樁立面圖、平面圖分別如圖4、5所示。

圖5 扶壁結(jié)構(gòu)加固傾斜抗滑樁平面圖(單位：cm)

5.3 扶壁結(jié)構(gòu)治理效果及優(yōu)勢(shì)

該案例實(shí)施效果如圖6所示。道路已建成通車運(yùn)營2年多時(shí)間，經(jīng)歷了罕見暴雨期考驗(yàn)。運(yùn)營期間對(duì)抗滑樁樁頂位移和樁身深層側(cè)向位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)，其中19#、26#、37#樁頂累計(jì)位移過程曲線如圖7所示。圖7表明加固結(jié)構(gòu)受荷后樁頂產(chǎn)生外移位移，變形量小，最大樁頂累計(jì)位移量為105 mm，且變形發(fā)展趨勢(shì)明顯收斂，坡體整體穩(wěn)定。扶壁結(jié)構(gòu)的采用有效地解決了大傾斜角度失效抗滑樁的加固和治理這一實(shí)際問題。

圖6 扶壁結(jié)構(gòu)加固傾斜抗滑樁實(shí)際效果圖(案例)

圖7 運(yùn)營期樁頂位移過程曲線圖

通過實(shí)際工程的驗(yàn)證，采用扶壁結(jié)構(gòu)治理傾斜失效抗滑樁具有以下的優(yōu)勢(shì)：

(1) 不需對(duì)傾斜抗滑樁進(jìn)行糾偏或拆除處理，能適用于傾斜角度大、錨固深度不足甚至樁身斷裂等無法提供有效抗力的失效抗滑樁的加固治理工程。

(2) 圓形抗滑樁機(jī)械成孔，施工效率高、工期短、安全風(fēng)險(xiǎn)可控，具有搶險(xiǎn)工程的時(shí)間優(yōu)勢(shì)和安全優(yōu)勢(shì)。

(3) 冠梁結(jié)構(gòu)不僅增強(qiáng)了雙排圓形抗滑樁的整體剛度，有效控制變形及應(yīng)力分配，而且為上部扶壁結(jié)構(gòu)的實(shí)施創(chuàng)造了基礎(chǔ)條件。

(4) 扶壁結(jié)構(gòu)不僅可以傳遞抗力，而且可有效“治理”樁體傾斜這一工程事故，使傾斜抗滑樁在結(jié)構(gòu)受力及外觀修復(fù)上均得到有效解決。

6 結(jié)論

(1) 提出了一種扶壁結(jié)構(gòu)加固治理抗滑樁傾斜的工程方法。扶壁結(jié)構(gòu)主要由雙排圓形抗滑樁、冠梁及扶壁構(gòu)成。

(2) 通過實(shí)際工程的應(yīng)用，扶壁結(jié)構(gòu)有效地解決了抗滑樁傾斜失效這一工程事故。實(shí)踐證明：該方法施工簡(jiǎn)便快捷，加固效果安全可靠，無需對(duì)傾斜失效的抗滑樁進(jìn)行糾偏復(fù)位及拆除，可應(yīng)用于發(fā)生較大傾斜角度的懸臂式抗滑樁失效加固修復(fù)工程。

(3) 扶壁結(jié)構(gòu)的提出，豐富了治理懸臂式抗滑樁失效這一實(shí)際工程問題的解決方案，可為類似工程提供了治理思路，具有較強(qiáng)的實(shí)用借鑒價(jià)值。