扶壁结构在抗滑桩倾斜治理工程中的应用

2019-06-09钮洪亮王敏

中外公路 2019年6期

钮洪亮，王敏

(1.中交第二公路勘察设计研究院有限公司，湖北武汉 430056;2.江汉大学机电与建筑工程学院)

1 引言

抗滑桩作为稳定边坡和滑坡、加固不稳定山体的有效措施，在国内外都得到广泛应用，国内外学者对它的理论研究己经达到了一定的水平。无论在滑坡机理分析、滑坡推力计算，还是在新型抗滑桩设计等方面均有大量的研究及实践成果。但是在实际的工程中，受地质情况认识程度、施工质量以及各种未知情况(如地震、强降雨等)的影响，也不乏存在抗滑桩失效的工程事故。抗滑桩一旦发生失效破坏，其加固治理是必须面对的实际工程问题。

目前，针对抗滑桩失效的有关研究主要集中在失效机理、稳定性评价等方面。吴永等对地震波作用下抗滑桩的失效机理进行研究，分析了导致滑坡启动和锚固体系失稳的震波特征,并给出了其临界值的计算模式；孙岩平进行抗滑桩失效判断与滑坡稳定性分析研究，建立了抗滑桩稳定性分析体系；Lin Chen等利用有限元方法讨论了抗滑桩的失效机理及失效的主要原因；田义斌等对某高速公路上滑坡治理中桩板墙失效的原因进行了分析和论述；陈林等采用二维有限元强度折减法，对某边坡抗滑桩失效机理进行了研究；王伟德等、钟国辉对抗滑桩与扶壁式挡土墙联合支护技术进行了研究与应用等。而对于抗滑桩失效后的修复、纠偏等加固治理措施，除了中铁西北科学研究院有限公司公开发了一种将水泥注浆、预应力锚索加载与掏土结合的抗滑桩倾斜复位纠偏与加固方法外(发明专利)，中国国内很少有相关文献对此进行报道研究。

该文以云南省某公路路堤桩板墙倾斜治理工程为例，提出一种扶壁结构加固治理抗滑桩倾斜的方法。以解决发生较大倾斜角度的悬臂式抗滑桩失效加固修复工程的难题。

2 工程概况

云南省某公路一段长度为360 m的陡坡高路堤，位于山体坡脚斜坡地形上，中心填土高度为2～10 m，最大填方边坡高度为26 m，沿老路拓宽改建。设计采取路堤式桩板墙支挡方案，抗滑桩为2 m×3 m矩形抗滑桩，桩间距5.0 m，桩长22～24 m，悬臂长6～10 m，悬臂间设置挡土板，共设置70根抗滑桩；桩板墙墙顶以上填土高度16 m，结合地方改路采取台阶式边坡坡形，第一级边坡坡率为1∶1.5，第二级边坡坡率为1∶1.75，改路平台宽6.0 m，平台高度按改路纵断面标高设置，原设计路基典型横断面如图1所示。

路基施工期间，在桩板墙施工完毕，其上路堤土方填筑至桩板墙顶以上10 m时，受汛期连续降雨及强降雨的影响，14#～43#抗滑桩向坡外倾倒，填方路基下沉、开裂，失稳迹象明显。位移监测显示，26#抗滑桩倾斜幅度最大，倾斜角度约9°，桩顶水平位移达到1.0 m。事故发生后，立即通过卸载等应急处理措施，控制了桩体失稳变形的继续发展。

图1 原设计路基典型断面图

3 抗滑桩倾斜机理分析

3.1 工程地质条件

通过补充地质勘察及抗滑桩挖孔记录，查明项目区工程地质条件。地表覆盖第四系人工填筑土、残坡积黏土，下伏花枝格组泥岩及砾岩，地层岩性及岩土体物理力学参数见表1。原设计抗滑桩桩底端多位于③-1a软化强风化泥岩层中，抗滑桩贯穿土层有②可塑黏土层、③-1强风化泥岩层。②～③-1层岩土体对地下水的作用较敏感，受水后易软化变形。

表1 地层岩性及岩土体物理力学参数

3.2 抗滑桩倾斜形态特征

该案例抗滑桩倾斜主要集中在地表悬臂高度超过8 m的路段，并且倾斜幅度、桩顶水平位移与悬臂高度成正比。26#抗滑桩悬臂高度为12 m，是变形最为严重的位置。通过地表外观检查，抗滑桩悬臂段及桩间挡土板结构均未发现裂缝及破坏迹象。抗滑桩在地面处产生挤土效应，桩前土隆起变形，并伴随有地下水渗出，同时，桩板墙顶部填筑的路基下沉、开裂。通过对倾斜抗滑桩取芯检测和低应变反射波法检测，抗滑桩结构自身未发生剪断或折断现象，桩身结构完整性较好。变形特征表明，抗滑桩因支挡能力不足而被推歪，产生了整体倾斜变形。

3.3 抗滑桩倾斜机理

抗滑桩产生整体倾斜失效，主要是因抗滑桩锚固段长度不足，桩侧最大压应力超过桩前土体的横向容许承载力，桩前土被挤压失稳破坏或产生较大压缩变形所致。针对该工程案例，抗滑桩产生整体倾斜的内因主要是凹坡地形汇集地下水和地表水、强风化泥岩地层遇水软化；外因是桩基开挖扰动、连续降雨为泥岩浸水软化创造了条件。

原设计抗滑桩锚固段长度为12 m以上，均超过了桩长的一半，但锚固段所贯穿的地层主要是强风化泥岩，该地层对地下水的作用较敏感，受水后软化崩解。抗滑桩桩基开挖过程中，导致强风化泥岩与外界大面积接触，爆破加剧了结构扰动破坏。同时，施工期连续降雨及强降雨，凹坡地形汇集雨水，地基被雨水冲刷、浸泡、地下水位上升，进一步加剧了泥岩浸水饱和而软化、泥化，进而导致抗滑桩桩前土体的强度降低，抗滑桩的有效锚固长度减短。在路基填土土压力的作用下，抗滑桩因桩前土体抗力不足而被整体推歪。

4 稳定性计算

4.1 稳定性分析

根据补充地质勘察报告及c、φ值反演分析，稳定性计算采用的岩土体物理力学参数如表1所示。选取19#、26#、37#抗滑桩3个代表性典型断面作为计算剖面，采用简化Bishop法，运用理正岩土计算软件进行路堤整体稳定性分析计算。自动搜索最危险滑面结果表明，受泥岩软化强度降低的影响，最不利滑面均位于软化强风化泥岩层，路堤及桩板墙发生深层整体失稳变形。

在施工期抗滑桩发生倾斜的状态下，26#桩位路堤整体稳定性计算断面及最不利滑面搜索结果如图2所示。坡体整体稳定系数为0.977，抗滑桩有效锚固段长度仅为4.2 m，受荷段长度19.8 m。在此状态下进行抗滑桩验算，其桩顶位移为240 cm(理论计算值)，结果表明抗滑桩产生了较大的位移，与桩体倾斜实际情况吻合。

图2 抗滑桩发生倾斜状态整体稳定性计算断面(26#桩)

通过稳定性定量分析，进一步确定了抗滑桩倾斜的机理，同时为该工程的加固治理提供了设计依据。

4.2 设计剩余下滑力计算

根据JTG D30-2015《公路路基设计规范》，路堤沿斜坡地基或软弱层滑动的稳定性分析工况及稳定安全系数为：① 正常工况为1.30；② 非正常工况Ⅰ，稳定安全系数1.20。在路基填筑至设计标高及运营期间车辆荷载状态下，抗滑桩支挡处设计剩余下滑力计算结果如表2所示。

表2 加固设计剩余下滑力计算结果

根据计算结果，该案例加固治理设计剩余下滑力取为1 400 kN/m。

5 扶壁结构治理方案

5.1 治理方案的拟定

该案例桩板墙桩体倾斜治理方案的拟定主要考虑以下几个因素：

(1) 已倾斜的抗滑桩锚固段深度明显不足，无法提供有效支挡，需增设抗滑桩等强支挡结构。

(2) 桩体倾斜幅度大，纠偏矫正难度极大，即使采用锚索等措施纠正，抗滑桩依旧因锚固段深度不足而无法提供有效抗力，无法实现加固效果。

(3) 路基填土已基本完成，若考虑拆除倾斜抗滑桩重新施做，无论在工期、施工难度、还是工程投资上均不可行。

(4) 若在原有抗滑桩之间增设矩形抗滑桩加固，可以实现治理加固效果，但已倾斜的抗滑桩没有得到扶正修复，难免会在外观上对工程质量及工程验收产生影响。

(5) 对于已经失稳破坏的坡体加固，若采用人工挖孔的矩形抗滑桩加固，存在施工工期长、人工挖孔施工存在一定安全性风险等问题。

针对该案例的实际情况及特点，提出了采用机械成孔的双排圆形抗滑桩与扶壁相结合的治理方案。

5.2 扶壁结构设计

根据工程实际，经比选设计确定采用的扶壁结构由双排圆形抗滑桩、桩顶冠梁及扶壁等组成，整体附着于倾斜桩板墙外侧设置，三维结构示意图如图3所示。

图3 扶壁结构三维构造示意图

双排圆形抗滑桩锚固于滑动面以下稳定岩土体中，为坡体加固提供有效支挡抗力。圆形抗滑桩采用机械成孔施工，设置于每根倾斜抗滑桩正外侧，矩形布设，第一排距离倾斜抗滑桩4.0 m，第二排与第一排桩间距5.0 m，每根抗滑桩设计抗滑力700 kN/m，桩径设计2.0 m，桩长30 m，滑动面以下锚固段长20 m。

圆形抗滑桩桩顶设置横、纵冠梁连接，冠梁以4根倾斜抗滑桩为一个加固单元分段受力，以提高双排桩的整体性及适应差异变形能力。横向冠梁与倾斜抗滑桩一一对应，并与倾斜抗滑桩间植筋固结，传递水平抗力，冠梁设计宽度2.4 m，梁高2.0 m。

扶壁用于将抗力传递至倾斜抗滑桩的悬臂段，并实现对不同倾斜程度的桩身进行修正。扶壁设置于横向冠梁与倾斜抗滑桩所形成的三角区内，与倾斜抗滑桩间植筋固结。扶壁厚度与倾斜抗滑桩宽度相同，厚2.0 m，顶部宽1.0 m，设置坡率为1∶0.5的外倾面坡。

圆形抗滑桩、冠梁、扶壁均采用钢筋混凝土结构，结构尺寸及配筋通过理正岩土计算软件和Midas结构计算软件辅助计算确定。从工程安全性及设计明确性角度，对已倾斜抗滑桩按不提供支挡抗力构造物考虑。扶壁结构加固倾斜抗滑桩立面图、平面图分别如图4、5所示。

图5 扶壁结构加固倾斜抗滑桩平面图(单位：cm)

5.3 扶壁结构治理效果及优势

该案例实施效果如图6所示。道路已建成通车运营2年多时间，经历了罕见暴雨期考验。运营期间对抗滑桩桩顶位移和桩身深层侧向位移进行监测，其中19#、26#、37#桩顶累计位移过程曲线如图7所示。图7表明加固结构受荷后桩顶产生外移位移，变形量小，最大桩顶累计位移量为105 mm，且变形发展趋势明显收敛，坡体整体稳定。扶壁结构的采用有效地解决了大倾斜角度失效抗滑桩的加固和治理这一实际问题。