王 宇

(中國鐵道科學(xué)研究院，北京 100081)

預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻是在擋土墻、普通抗滑樁、預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種支擋結(jié)構(gòu)，在高填方路堤加固中應(yīng)用較廣泛。它由樁、板、錨索三部分構(gòu)成，由樁板結(jié)構(gòu)、預(yù)應(yīng)力錨索、錨固地層三者共同承擔(dān)外力作用。

目前，許多學(xué)者對(duì)此種結(jié)構(gòu)進(jìn)行了研究與探索。主要包括4個(gè)方面:墻后填土壓力的分布及大小、樁板設(shè)計(jì)計(jì)算方法、錨索拉力大小及錨索位置的確定和施工工藝［1-5］。預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻結(jié)構(gòu)可分為路堤式和路塹式。路堤式樁板墻有一個(gè)重要特性，即樁結(jié)構(gòu)施工完成后，再進(jìn)行填土，作用于樁板結(jié)構(gòu)上的土壓力并不是恒值，而是逐漸增大的。路堤式預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻的施工工序可簡述為:樁結(jié)構(gòu)施工→板施工、分層填土→施加錨索力→填土→通車。在以往的設(shè)計(jì)中，一般將填土至路面高程時(shí)的狀態(tài)視為最不利狀態(tài)進(jìn)行設(shè)計(jì)，并沒有考慮施工工序?qū)Y(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的影響。本文對(duì)一個(gè)已實(shí)施的設(shè)計(jì)實(shí)例進(jìn)行分工況動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)分析。

1 工點(diǎn)概況

某高速公路K213+848—K214+060段滑坡區(qū)內(nèi)，地層主要為第四系全新統(tǒng)崩坡積低液限黏土(Qcol+dl4)，下伏基巖為侏羅系中統(tǒng)沙溪廟組(Js2)的砂巖和泥巖。1#老滑坡沿線路寬約110 m，長約106 m，坡面平均坡度為27°，后緣位于線路下方，前緣出口位于沖溝底部，滑體厚度為3.0～12.5 m，平均厚度為8.0 m，主滑方向?yàn)镾W53°，處于蠕動(dòng)階段。D8樁截面2 m×3 m，樁長35 m，錨固段12 m，懸臂段23 m，采用C30混凝土澆筑。布設(shè)4孔錨索，每孔錨索由10根φs15.2 mm的高強(qiáng)度、低松弛的1 860級(jí)鋼絞線組成，上排錨索長31 m，下排錨索長27 m，錨固段均為10 m。上排錨索距樁頂4 m，下排錨索距上排錨索4 m。斷面形式如圖1。

圖1 原設(shè)計(jì)斷面(單位:m)

2 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻計(jì)算分析

2.1 預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻施工工況設(shè)置

錨索樁板墻施工順序?yàn)?施工抗滑樁→現(xiàn)澆擋土板(可按高2 m為一節(jié))或安裝預(yù)制擋板→樁后夯填土至下排錨索設(shè)計(jì)高程以上2 m→下排錨索施工→錨索張拉至設(shè)計(jì)荷載的75%→填土至上排錨索設(shè)計(jì)高程以上2 m→上排、下排錨索張拉至設(shè)計(jì)荷載→填土至路面設(shè)計(jì)高程。

根據(jù)上述施工工序以及監(jiān)測資料將D8樁受力狀態(tài)優(yōu)化并簡化為5種工況(圖2):

工況1—填土至下排錨索設(shè)計(jì)高程以上2 m;

圖2 各工況樁受力示意(單位:m)

工況2—張拉下排錨索至設(shè)計(jì)荷載75%;

工況3—繼續(xù)填土至上排錨索設(shè)計(jì)高程以上2 m;

工況4—張拉上排及下排錨索至設(shè)計(jì)荷載;

最終工況—填土至路面高程，通車。

2.2 計(jì)算前的幾點(diǎn)說明

1)預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻支擋結(jié)構(gòu)由于錨索的作用，限制了樁、板及填土的位移，使作用于樁、板上的土壓力大于庫倫主動(dòng)土壓力，因此需對(duì)庫倫主動(dòng)土壓力進(jìn)行修正。本文中結(jié)構(gòu)承受的土側(cè)壓力取1.4倍庫倫主動(dòng)土壓力與滑坡推力中的大值。

2)進(jìn)行樁計(jì)算時(shí)，樁按剛性樁考慮。

3)將錨索拉力作為外力荷載。

4)通車后的車輛附加荷載強(qiáng)度按《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30—2004)規(guī)定，換算成等代均布土層厚度。

5)錨固段長度、截面大小與錨索力大小與原設(shè)計(jì)相同。

2.3 計(jì)算步驟

按照上述工況，分工況進(jìn)行計(jì)算。工況1填土頂面距滑面距離為h1，計(jì)算1.4倍主動(dòng)土壓力與滑坡推力，取二者中的大值E1，進(jìn)行樁內(nèi)力計(jì)算。工況2在(h1－2 m)處施加錨索力75%P1(設(shè)計(jì)拉力的75%)，進(jìn)行樁內(nèi)力計(jì)算。工況3繼續(xù)填土至h2，樁后填土荷載為E2，進(jìn)行計(jì)算。工況4在(h2－2 m)處施加錨索力P2(設(shè)計(jì)拉力的100%，此時(shí)下排錨索也張拉至設(shè)計(jì)拉力的100%)，進(jìn)行計(jì)算。工況5填土至設(shè)計(jì)高程，并施加車輛荷載q，樁后荷載為E3，進(jìn)行計(jì)算。

h1與h2為變量，本文中擬定16 m≤h1≤23 m，19 m≤h2≤23 m。當(dāng)h1＜16 m時(shí)，樁身彎矩較小，不需施加錨索。預(yù)應(yīng)力錨索是群錨機(jī)制，錨索的間距不宜過大。但錨索間距太小時(shí)(受群錨效應(yīng)的影響，單根錨索承載力降低，故錨索間距宜＞1.5 m或5倍孔徑，即3～6 m。故h2－h(huán)1應(yīng)＞3 m。因h1與h2的不同，E1和E2也不同。

2.4 計(jì)算結(jié)果分析

2.4.1 樁上設(shè)置一排錨索時(shí)的樁內(nèi)力變化

先討論樁上僅設(shè)置一排錨索的情況。隨各工況的進(jìn)行，樁內(nèi)力也在發(fā)生變化。圖3為h1為22 m及23 m時(shí)，工況1、工況2及最終工況樁身受力情況。圖4為h1=16～23 m時(shí)，樁身最大彎矩隨填土高度增加而變化的情況。在此只討論樁身受力變化規(guī)律，暫不考慮能否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的要求。

1)由圖4可以看出，隨著填土高度的增加，樁身最大彎矩增加。

2)由圖3、圖4都可以看出，施加錨索拉力可顯著減小樁身彎矩。

3)由圖4可以看出，同樣大小的錨索拉力，越靠近樁頭，樁身彎矩減小得越大。

圖3 h1=22 m，23 m各工況樁身彎矩

圖4 樁身最大彎矩隨填土高度增加而變化

4)并不是錨索越靠近樁頭效果越好。從圖4可以看出:h1=21 m的情況，樁身最大彎矩為85 709 kN·m，出現(xiàn)在填土高度為23 m時(shí)(最終工況);h1=23 m的情況，樁身最大彎矩為114 281 kN·m，出現(xiàn)在填土高度23 m且未施加錨索力時(shí)。顯然，h1=21 m的情況比h1=22 m(23 m)的情況更好。由此可知，及早施加錨索力，可使樁身彎矩得到良好的控制。

5)最不利工況并不一定出現(xiàn)在最終工況。從圖3可看出:h1=22 m時(shí)，工況1的最大彎矩為91 551 kN·m，而最終工況的樁身最大彎矩為84 178 kN·m;h1=23 m時(shí)，工況1的最大彎矩為114 281 kN·m，而最終工況的樁身最大彎矩為82 273 kN·m。

及早施加錨索拉力可使樁身彎矩得到較好的控制，越晚施加錨索拉力其產(chǎn)生的反向彎矩越大，但是過早或過晚施加錨索拉力都不能使錨索產(chǎn)生的有利作用發(fā)揮到最佳。布設(shè)兩排錨索時(shí)，可根據(jù)上述分析，使兩排錨索合理配合，將錨索有利作用發(fā)揮到最佳。

2.4.2 樁上設(shè)置兩排錨索時(shí)的樁內(nèi)力變化

樁上布設(shè)兩排錨索時(shí)，需要進(jìn)行兩排錨索位置的組合。16 m≤h1≤23 m，19 m≤h2≤23 m，3 m≤h2－h(huán)1≤6 m，h1，h2取整數(shù)，共有15種組合。經(jīng)內(nèi)力計(jì)算，選取能滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的最佳的三個(gè)組合:h1=16 m，h2=20 m;h1=17 m，h2=21 m;h1=18 m，h2=21 m。圖5為這三種組合中的兩種各工況及最終工況樁身受力情況。

圖5 兩排索各工況樁身彎矩

計(jì)算結(jié)果分析:

1)兩排錨索的配合設(shè)置可將樁身最大彎矩控制在一定范圍內(nèi)。

2)最大彎矩不一定發(fā)生在最終工況。h1=16 m，h2=20 m時(shí)各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為38 071 kN·m;工況2為16 779 kN·m;工況3為47 375 kN·m;工況4為10 092 kN·m;最終工況為53 260 kN·m。最大彎矩出現(xiàn)在最終工況。

h1=17 m，h2=21 m時(shí)各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為46 370 kN·m;工況2為23 196 kN·m;工況3為54 894 kN·m;工況4為15 039 kN·m;最終工況為49 837 kN·m。最大彎矩出現(xiàn)在工況3。

h1=18 m，h2=21 m時(shí)(圖略)各工況樁身最大彎矩分別為:工況1為53 750 kN·m;工況2為28 668 kN·m;工況3為53 278 kN·m;工況4 為13 514 kN·m;最終工況為47 960 kN·m。最大彎矩出現(xiàn)在工況1。

3)h1=17 m，h2=21 m 及 h1=18 m，h2=21 m 這兩種組合，最終工況的樁身彎矩比最大彎矩小，而結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí)以最大彎矩作為控制因素，因此這兩種組合在通車之后還有一定的富余承載空間。

3 結(jié)論

1)高路堤預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻施工過程中，路堤填土的填筑并不是一填到頂，而是分層填筑碾壓，與錨索的施工相互配合。因此在路堤式預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)分工況進(jìn)行計(jì)算。如果僅考慮最終工況，可能會(huì)造成安全度設(shè)計(jì)的不足;如設(shè)計(jì)時(shí)將填土到頂而未施加錨索的情況視為最不利工況進(jìn)行計(jì)算，又勢必造成設(shè)計(jì)的浪費(fèi)。因此對(duì)這種路堤填方外擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)注意隨工況變化進(jìn)行動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)或分工況進(jìn)行檢算。

2)錨索力并不是以施加在樁頭為最佳，因?yàn)樵谔钔恋巾敹词┘渝^索力時(shí)，樁身結(jié)構(gòu)可能先發(fā)生破壞。

3)及時(shí)施加錨索拉力可以使樁身彎矩得到良好的控制，但是過早施加錨索力，不能使錨索力對(duì)樁結(jié)構(gòu)的有利作用發(fā)揮到最佳。

文中未考慮填土碾壓時(shí)的機(jī)械荷載，以及樁身位移引起的錨索拉力的變化。

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