预应力锚索桩板墙在高填方边坡中的失稳分析及加固研究

陈玉新，郭建辉，陈似华

（广东博意建筑设计院有限公司，广东佛山 528312）

0 引言

随着城镇化进程的推进，出现了越来越多的高填方边坡工程，而预应力锚索桩板墙支护作为常规的高填方边坡支护结构，得到了较为广泛的应用。但预应力锚索桩板墙中填土-桩-锚索-挡土板之间的相互协同工作原理非常复杂[1]，常出现方案选型不合理或施工不满足规范要求导致高填方边坡失稳情况，易引发安全事故。

高填方地区的工程事故时有发生，目前国内外对高填方地区采用预应力锚索桩板墙支护的研究较少。孙书伟等[2]分析了预应力锚索桩板墙在高填方路堤中的受力特性。李中国[3]分析了两排预应力锚索桩板墙在高回填土中的受力，总结了填土高度及预应力锚索对抗滑桩的影响。富海鹰[4]对某预应力锚索桩板墙项目中的土压力、桩身内力、锚索内力和边坡沉降进行了现场监测及分析。郑国星[5]对某高填方项目加高失稳进行了分析并提出了相应的加固措施。黄建、姚仰平针对高填方边坡的失稳时间提出了实用模型[6]。深入研究高填方地区预应力锚索桩板墙支护结构的失稳原因及加固措施具有非常重要的意义。

1 工程概况

工程边坡靠近河流，坡顶为一至两层商铺，现场无放坡空间，需进行垂直支护，最大支护高度约16m，最大填土厚度约24m。

拟建场地地貌属岩溶洼地、沟谷阶地地貌，根据钻探揭露，场地地层自上而下为填土、强风化白云岩、中风化白云岩，场地土层物理力学参数详见表1。场地地下水主要为上层滞水和基岩裂隙水，上层滞水赋存于土层和强风化岩石的孔隙中。项目距河流较近，河流百年洪水位最高约绝对标高586m。

表1 土层物理力学参数

2 原设计方案

原设计在满足安全可靠以及使用条件的同时，考虑经济性和景观要求，采用常规的锚索桩板墙支护结构，抗滑桩采用直径1.8m 人工挖孔桩，桩间距为4m，竖向设三道预应力锚索，竖向间距约3m，横向间距4m，预应力锚索长度为30 ～45m，倾角20°，桩间设置挡土板。具体支护剖面如图1 所示。

图1 原设计支护剖面图

3 失稳原因分析

支护结构施工完成5 年后，在前期未出现明显变形的情况下突然失稳坍塌，抗滑桩在某个断面断裂，断裂面基本在一个标高，预应力锚索已破坏，从现场看断裂处的预应力锚索锈蚀较严重。本次边坡失稳造成了较大的经济损失，但未发生人员伤亡情况，具体失稳后的照片如图2 所示。

图2 现场失稳照片

通过现场调研及施工资料查验，认为边坡失失稳主要有以下几个原因：

（1）该工程回填土较厚，施工回填土时未按规范及图纸要求进行分层压实，压实度不满足规范要求，导致后期填土在自重作用下发生固结沉降。经过5 年的时间沉降还未稳定，固结沉降仍在进行，土体总沉降变形一直在缓慢增大。由于锚索侧向刚度小，锚索随土体一起缓慢沉降变形，锚索变形后锚索应力也逐渐增大，当锚索受力超过锚索极限承载力时导致锚索断裂。锚索断裂后所有的土压力由抗滑桩承担，抗滑桩变成悬臂支护后内力急剧增加，最终导致抗滑桩断裂、边坡失稳。由此可见预应力锚索失效是边坡失稳的直接原因；

（2）该项目回填土较厚，预应力锚索需穿过回填土进入中风化层一定深度，最长锚索达45m，施工难度大，质量较难保证；

（3）预应力锚索防腐处理未达到设计要求，边坡失稳时现场锚索锈蚀严重，从而加速了预应力锚索断裂；

（4）预应力锚索自下而上分层施工，施工完下层锚索后需在上部继续回填土方及夯实，后期回填土方的施工会对已施工的锚索产生影响；

（5）抗滑桩未满足规范要求搭接钢筋，施工时在同一个断面搭接钢筋，造成了薄弱位置，失稳时抗滑桩断裂面平整光滑，发生脆性破坏。

4 加固方案及分析

4.1 加固方案

由于在高回填土中对填土及锚索施工要求较高，且对填土的压实度及锚索的施工质量要求较高，但施工时其质量往往又难以保证，因此为确保后期边坡安全，结合现场条件，加固方案采用“H 型”双排桩+连梁支护，前后桩排距为6.3m，桩间距为4.0m，前（后）排抗滑桩桩径均为2.3m，抗滑桩嵌入完整中风化岩石不小于8.0m。

同时在桩间采用厚度0.4m 现浇板，加固方案如图3 所示。加固用抗滑桩、冠梁及连梁混凝土强度均为C40，桩间板混凝土强度C30，桩间板设置泄水孔。加固后边坡变形稳定，同时满足现场使用要求，加固后现场照片如图4 所示。

太医诺诺答应了，素心转过脸来，朝着青樱一笑，话也客气了许多：“回小主的话，主子娘娘要在里头歇息了，怕今夜不能再去大殿主持丧仪。主子娘娘说了，一切有劳小主了。”

图3 加固支护剖面图

图4 加固后现场照片

4.2 加固分析

在基本受力分析的基础上，为了更详细了解抗滑桩的内力和变形，确保边坡支护安全，基于Midas GTS NX 有限元软件，采用地层结构法对双排桩加固方案进行数值模拟。将实际工况抽象为数值模拟所采用的施工步骤，首先建立基准模型，然后对单元进行网格划分，靠近抗滑桩处的网格划分较密，远离抗滑桩处的网格划分较疏，如图5 所示。

图5 基准模型的有限元单元

有限元基准模型包含填土、强风化白云岩、中风化白云岩三层土体，每层土体的厚度、粘聚力、内摩擦角等参数见表1。基于Midas GTS 软件本构模型特征，填土层采用修正莫尔库伦模型，其它土层均采用莫尔库伦模型，混凝土连梁及抗滑桩的材料采用线弹性模型。

表2 支护结构参数

边坡的有限元模型取平面尺寸宽65m，高40m，顶部荷载取地面均布超载20kPa。在定义分析模型边界时，需要定义边坡底部的竖向自由度和水平方向的水平平动自由度，并且在水平方向施加约束垂直于法线的旋转自由度[7]。

在Midas GTS NX 中主要通过单元组的“激活”和“钝化”来实现施工步骤的模拟[7]，施工步骤如下：（1）将模型的边界条件、所有的土层网格单元激活，并勾选“位移清零”，计算初始地应力；（2）激活抗滑桩和连梁，地面均布超载，并勾选“位移清零”；（3）钝化被挖区的土体。

通过Midas GTS NX 二维有限元分析，抗滑桩的计算位移如图6 所示，抗滑桩的计算弯矩如图7 所示。从计算结果来看，抗滑桩的最大位移为29.6mm，位于桩顶部，满足规范及现场使用要求。抗滑桩的最大弯矩位于填土与岩层的交界处及第二道连梁位置，最大弯矩为15968kN·m，其它计算结果见表3。同时对原设计桩锚支护进行建模分析，计算结果见表3。

图6 双排桩位移

图7 双排桩弯矩

表3 计算结果

5 结论

通过对某预应力锚索桩板墙支护项目的失稳分析，提出了相应的加固方案，得出以下结论：

（1）边坡失稳是诸多因素叠加造成的，在勘察、设计、施工各个环节均存在风险源，各方应对风险源进行辨识并且提出相应的措施；

（2）预应力锚索桩板墙支护结构在高填方中应用时，回填土体必须分层压实并满足压实度要求值，以降低施工及工后沉降量。若沉降量无法满足要求，应对回填区锚索采取措施进行保护，否则易导致锚索沉降变形，使锚索应力过大而导致锚索断裂破坏，致使整个受力结构发生强度破坏；

（3）原设计预应力锚索桩板墙计算位移23mm，整体稳定性能2.644，能满足规范要求，但一旦锚索失效仍会发生较大风险，因此锚索的耐久性是预应力锚索桩板墙在高填方边坡中成功运用的关键。在高填方边坡中采用“H 型”双排桩+连梁支护结构安全性及耐久性优于预应力锚索桩板墙支护结构，加固后的计算位移29.6mm，整体稳定系数3.689；

（4）通过合理的参数选取及建模分析，可运用Midas GTS NX数值分析软件模拟高填方地区双排桩支护结构。“H 型”双排桩+连梁支护结构可运用于高填方边坡失稳加固，加固效果较好， 可为类似工程提供借鉴。