吳 強(qiáng)，文琪鑫，楊靖柯

（中國(guó)建筑西南設(shè)計(jì)研究院有限公司，四川 成都 610041）

0 引言

隨著我國(guó)城市化進(jìn)程的不斷發(fā)展，城市建設(shè)逐漸向城市遠(yuǎn)郊的山區(qū)丘陵地帶推進(jìn)，市政工程已無(wú)法避免高大路塹邊坡等特殊性工點(diǎn)的建設(shè)。然而，市政道路邊坡常受現(xiàn)狀地形和邊坡上既有建構(gòu)筑物等條件限制，抗滑樁作為一種剛性支護(hù)措施成為了此類(lèi)邊坡的主要支護(hù)形式。

南寧東站電塔高邊坡采用抗滑樁防護(hù)，樁截面為圓形，按樁徑3.5m、樁間距7.0m、最大樁長(zhǎng)26m進(jìn)行單排布置，處理后邊坡在變形和穩(wěn)定性方面能滿足規(guī)范要求，且較放坡開(kāi)挖減小了對(duì)坡頂?shù)貕K的影響，有較好的處理效果[1]。四川省天府新區(qū)綿州路南段道路鄰近高壓電塔邊坡采用錨索支護(hù)排樁防護(hù)，樁截面為圓形，按樁徑1.5m，樁間距1.8m，最大樁長(zhǎng)17m進(jìn)行單排布置，并設(shè)置2道預(yù)應(yīng)力錨索，處理后邊坡能較好地保障道路施工及行車(chē)安全[2]。本文針對(duì)簡(jiǎn)陽(yáng)市簡(jiǎn)州臨港經(jīng)濟(jì)區(qū)沱西快速路（以下簡(jiǎn)稱(chēng)沱西快速路）高路塹邊坡高壓電塔的保護(hù)方案進(jìn)行設(shè)計(jì)，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支擋，對(duì)此類(lèi)邊坡設(shè)計(jì)及計(jì)算進(jìn)行探討。

1 工程概況

沱西快速路場(chǎng)地東側(cè)為廈蓉高速公路及318國(guó)道，場(chǎng)地內(nèi)部有若干水泥路，交通較為便利。項(xiàng)目建設(shè)過(guò)程中，需要在里程樁號(hào)K1+326.6～K1+432.8段形成挖方邊坡，邊坡總長(zhǎng)度約106.20m，最大高差約25.10m，K1+380左側(cè)距離路中線35.8m處有1座高壓電塔，為了道路及高壓電塔的安全，對(duì)該段邊坡進(jìn)行專(zhuān)項(xiàng)支護(hù)設(shè)計(jì)。

2 擬建場(chǎng)地地質(zhì)概況

2.1 地形地貌

擬建場(chǎng)地屬于淺丘地貌，地形起伏較大，山體呈饅頭狀，溝谷呈淺U字型。山體自然坡度約30°～50°，坡表覆蓋層較薄，植被茂盛；溝谷寬緩平坦，覆土較厚。場(chǎng)區(qū)底面高程為415.62～487.46m，最大高差約72m。

2.2 地層分布

（4）侏羅系上統(tǒng)蓬萊鎮(zhèn)組（J3p）：其中的④2-1強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖以褐紅色為主，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，粉粒結(jié)構(gòu)，薄-中厚層構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)強(qiáng)度較低，局部為砂泥巖互層，節(jié)理裂隙發(fā)育，質(zhì)軟，具風(fēng)化差異性，較破碎，呈碎塊、圓餅及少量短柱狀，巖芯手易扳斷，場(chǎng)地部分地段分布，層厚0.50～15.0m，巖土類(lèi)別為Ⅱ類(lèi)。④2-2中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖呈褐紅、褐灰色，主要礦物成分為長(zhǎng)石、石英，粉粒結(jié)構(gòu)，巨厚層構(gòu)造，泥質(zhì)膠結(jié)，膠結(jié)強(qiáng)度較高，局部為砂泥巖互層，節(jié)理裂隙較發(fā)育，質(zhì)軟，鉆探巖芯采取率約98%，RQD值為80%～90%，巖芯較完整，主要呈短柱、長(zhǎng)柱狀，產(chǎn)狀近于水平，層厚為0.5～37.0m。根據(jù)巖石單軸飽和抗壓強(qiáng)度，屬較軟巖，巖體基本質(zhì)量等級(jí)為Ⅳ級(jí)，巖土類(lèi)別為Ⅳ類(lèi)。

擬建場(chǎng)地地質(zhì)剖面圖見(jiàn)圖1。

圖1 擬建場(chǎng)地地質(zhì)剖面圖

2.3 水文地質(zhì)條件

（1）地表水特征：工程區(qū)地表自然水系不發(fā)育，無(wú)河流通過(guò)，亦無(wú)湖泊分布。

（2）地下水特征：擬建場(chǎng)地地下水類(lèi)型主要為賦存于第四系松散堆積層中的上層滯水和基巖裂隙帶中的基巖裂隙水。

（3）上層滯水：上層滯水賦存于第四系松散堆積層，主要受地表水下滲及大氣降水補(bǔ)給。

（4）基巖裂隙水：場(chǎng)地基巖風(fēng)化裂隙相對(duì)發(fā)育，但由于其大多呈閉合狀，故透水性、富水性較差。

（5）勘察期間地下水分布情況：勘察期間揭示的地下水類(lèi)型大多為上層滯水，于地勢(shì)低洼處測(cè)得部分鉆孔地下水穩(wěn)定水位埋深0～1.8m。

2.4 場(chǎng)地水、巖、土腐蝕性評(píng)價(jià)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)勘察，場(chǎng)地水、巖、土對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)、鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)中的鋼筋及鋼結(jié)構(gòu)有微腐蝕性。

2.5 場(chǎng)地各巖土層主要物理力學(xué)指標(biāo)

巖體、土體的工程特性指標(biāo)建議值見(jiàn)表1。

表1 巖體、土體的工程特性指標(biāo)建議值

3 支護(hù)方案比選

3.1 方案一：預(yù)應(yīng)力錨索單排支護(hù)樁

采用預(yù)應(yīng)力錨索單排支護(hù)樁，樁截面為圓形，樁徑為1.5m，樁間距為3.35m，樁長(zhǎng)18～40.5m，并設(shè)4排預(yù)應(yīng)力錨索，頂層錨索與樁頂間距4m，錨索間距為3m，樁間鋼筋混凝土擋土板采用逆作法封閉。支護(hù)樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機(jī)械成孔。

預(yù)應(yīng)力錨索單排支護(hù)樁縱剖圖、橫剖圖見(jiàn)圖2、圖3。

圖2 預(yù)應(yīng)力錨索單排支護(hù)樁縱剖圖

圖3 預(yù)應(yīng)力錨索單排支護(hù)樁橫剖圖

3.2 方案二：預(yù)應(yīng)力錨索雙排支護(hù)樁

采用預(yù)應(yīng)力錨索雙排樁支護(hù)結(jié)構(gòu)[3]，樁截面為圓形，樁徑為1.5m，沿路線縱向雙排正三角形布置，樁長(zhǎng)27～36.0m，樁間距3.35m，并設(shè)3排預(yù)應(yīng)力錨索，頂層錨索與樁頂間距2m，錨索間距3m，預(yù)應(yīng)力錨錠位于前排樁，相連3根樁間形成三角柱桁架結(jié)構(gòu)，樁間鋼筋混凝土擋土板采用逆作法封閉。支護(hù)樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機(jī)械成孔。

預(yù)應(yīng)力錨索雙排支護(hù)樁縱剖圖、橫剖圖和平面圖見(jiàn)圖4、圖5和圖6。

圖4 預(yù)應(yīng)力錨索雙排支護(hù)樁縱剖圖

圖5 預(yù)應(yīng)力錨索雙排支護(hù)樁橫剖圖

圖6 預(yù)應(yīng)力錨索雙排支護(hù)樁平面圖

3.3 方案比較

方案一優(yōu)點(diǎn)：力學(xué)模型較為成熟；圓形截面樁，采用機(jī)械成孔，施工安全性好；施工工藝成熟，造價(jià)相對(duì)較低。

方案一缺點(diǎn)：樁長(zhǎng)較長(zhǎng)，側(cè)向剛度小，預(yù)應(yīng)力錨索排數(shù)多。

方案二優(yōu)點(diǎn)：側(cè)向剛度大，樁長(zhǎng)較單排樁短；預(yù)應(yīng)力錨索排數(shù)少，樁間空隙有利于種植立體植物，景觀效果好。

方案二缺點(diǎn)：尚未有統(tǒng)一力學(xué)計(jì)算模型；樁間空隙施工難度大，工期長(zhǎng)，造價(jià)相對(duì)較高。

通過(guò)對(duì)比以上2種支護(hù)方案優(yōu)缺點(diǎn)，并進(jìn)行初算，發(fā)現(xiàn)2種支護(hù)方案均能滿足保護(hù)高壓鐵塔要求。方案選用時(shí)，綜合考慮運(yùn)營(yíng)安全、地質(zhì)條件、施工條件、工期和造價(jià)等方面，特別是區(qū)域?yàn)閺?qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖，其內(nèi)摩擦角和黏聚力均較大，致使邊坡的穩(wěn)定性較好，有利于滿足鐵塔的沉降與傾斜要求，因此推薦采用造價(jià)較低的單排樁方案。

4 保護(hù)支擋設(shè)計(jì)

4.1 支護(hù)樁

支護(hù)樁平面布置圖見(jiàn)圖7。

圖7 支護(hù)樁平面布置圖

邊坡支護(hù)臨空面與高壓鐵塔之間的斜交角度約45°，支護(hù)樁與鐵塔最近基礎(chǔ)凈間距約6.0m，高壓鐵塔矩形基礎(chǔ)長(zhǎng)寬為3.3m×2.87m。

支護(hù)樁：樁徑1.5m，樁間距3.35m，在高壓鐵塔處支護(hù)樁臨空面高25.1m，設(shè)有4排錨索，其他位置設(shè)2～3排錨索。支護(hù)樁為鉆孔灌注樁，成孔工藝采用機(jī)械成孔，采用C30混凝土現(xiàn)澆。樁鋼筋保護(hù)層厚度50mm。主筋采用機(jī)械連接，同一斷面接頭數(shù)量不超過(guò)鋼筋總數(shù)的50%。

冠梁：截面尺寸1.5m×1.0m，采用C30混凝土現(xiàn)澆。鋼筋保護(hù)層厚度50mm。

臥地梁：截面尺寸0.4m×0.4m和0.5m×0.5m，采用C30混凝土現(xiàn)澆。

擋土板：板厚0.3～0.4m，采用C30混凝土現(xiàn)澆。

4.2 預(yù)應(yīng)力錨索

錨索直接作用于支護(hù)樁上，錨索錨筋采用s15.24鋼絞線（強(qiáng)度等級(jí)1860MPa），注漿材料為M30純水泥漿，水灰比0.45～0.50。從錨孔底部進(jìn)行注漿，注漿過(guò)程中嚴(yán)格控制注漿壓力為0.4～0.8MPa，待1次注漿初凝后進(jìn)行2次注漿。錨索鉆孔直徑20cm。預(yù)應(yīng)力錨索下料時(shí)應(yīng)預(yù)留張拉段長(zhǎng)度，預(yù)留長(zhǎng)度不小于1.0m。錨索入射角度為15°。預(yù)應(yīng)力為200kN，錨索自由段長(zhǎng)度為12m，錨固段長(zhǎng)度為8m，錨固段均位于中等風(fēng)化泥質(zhì)砂巖。

4.3 排水

樁間擋土板預(yù)留泄水孔，泄水孔豎向間距1.0m。電塔附近緊鄰坡頂設(shè)置寬50cm、深50cm截水溝，電塔6m保護(hù)范圍外在坡頂外側(cè)5m處設(shè)置截水溝，溝底坡度應(yīng)隨坡頂?shù)孛嫫露龋也恍∮?.0%。溝底坡度大于40%時(shí)，溝底斷面應(yīng)砌成多級(jí)跌水。在距坡腳不小于30cm外應(yīng)設(shè)置寬50cm、深50cm排水溝，溝底坡度1%，將坡頂及坡面的來(lái)水排走。當(dāng)坡面設(shè)置急流槽時(shí)，在急流槽匯入排水溝處設(shè)置集水井，井深70cm。

4.4 施工順序

測(cè)放樁位→抗滑樁施工→樁頂冠梁施工（同時(shí)設(shè)置變形觀測(cè)點(diǎn)）→樁前土開(kāi)挖及樁間擋土板施工（每次開(kāi)挖高度不宜超過(guò)2m)→錨索施工→施加預(yù)應(yīng)力→樁前土開(kāi)挖及樁間擋土板施工，循環(huán)至設(shè)計(jì)標(biāo)高。

5 支護(hù)結(jié)構(gòu)驗(yàn)算

5.1 巖土計(jì)算

5.1.1 技術(shù)要求

邊坡支護(hù)安全等級(jí)為按照道路快速路等級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)穩(wěn)定系數(shù)取值為：正常工況安全系數(shù)Fs=1.30；非正常工況安全系數(shù)Fs=1.20。

城市路基邊坡支擋工程安全等級(jí)為一級(jí)；結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)γ0≥1.1。

經(jīng)過(guò)與產(chǎn)權(quán)單位的技術(shù)對(duì)接，確定了220kV高壓桿塔組豎立及架線后，其結(jié)構(gòu)位移允許值應(yīng)符合表2要求。

表2 高壓桿塔位移允許值[4]

5.1.2 參數(shù)確定

為驗(yàn)證本文所提方法的準(zhǔn)確性和合理性，依據(jù)邊坡工程條件及支護(hù)設(shè)計(jì)建立有限元計(jì)算模型。

計(jì)算模型和材料參數(shù)以代表性勘察報(bào)告道路橫剖面B9～B9’為對(duì)象，采用MIDASGTSNX有限元軟件建立二維平面應(yīng)變分析模型。邊界上部取至邊坡上緣50m，下部取到坡腳外側(cè)30m。計(jì)算模型單元網(wǎng)格劃分見(jiàn)圖8，單元以四邊形和三角形組成，共劃分1794個(gè)單元，1821個(gè)節(jié)點(diǎn)。

圖8 有限元計(jì)算模型

計(jì)算模型中材料類(lèi)型共分為6種（耕土、可塑粉質(zhì)黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖、樁體和錨桿），其中土體采用Mohr-Coulomb破壞準(zhǔn)則，樁和錨桿為彈性模型的結(jié)構(gòu)體。混凝土樁和錨桿的物理力學(xué)參數(shù)見(jiàn)表3。

表3 有限元計(jì)算模型物理力學(xué)參數(shù)

5.1.3計(jì)算結(jié)果計(jì)算模型的整體X向、Y向位移云圖見(jiàn)圖9、圖10；最大剪應(yīng)力云圖見(jiàn)圖11；有效應(yīng)變?cè)茍D見(jiàn)圖12。

圖9 整體X向位移云圖

圖10 整體Y向位移云圖

圖11 最大剪應(yīng)力云圖

圖12 有效應(yīng)變?cè)茍D

5.2 結(jié)構(gòu)驗(yàn)算與分析

利用有限元軟件對(duì)該鐵塔保護(hù)所采用的單排樁進(jìn)行分析，得到支護(hù)后最不利工況(非正常工況)的坡體位移云圖、剪應(yīng)力分布情況及應(yīng)變?cè)茍D。計(jì)算方法為強(qiáng)度折減法，得到其在運(yùn)營(yíng)階段的安全系數(shù)Fs=2.313，大于規(guī)范[5]要求的Fs=1.30；電塔位置最大水平位移m=0.517mm，小于規(guī)范[4]要求的50mm；電塔位置前向兩端最大豎向位移分別為V1=26.7mm，V2=22.2mm；計(jì)算桿塔結(jié)構(gòu)傾斜為0.105%，小于規(guī)范要求的0.3%。由此可見(jiàn)，坡體水平位移和桿塔結(jié)構(gòu)傾斜均達(dá)到預(yù)期，能滿足高壓電塔的抗傾斜要求。

6 結(jié)語(yǔ)

本文對(duì)高路塹邊坡高壓電塔保護(hù)支擋設(shè)計(jì)方案進(jìn)行比選，推薦采用預(yù)應(yīng)力錨索單排樁支護(hù)方式支護(hù)邊坡，并采用有限元方法對(duì)支護(hù)方案進(jìn)行驗(yàn)證，得到其穩(wěn)定性驗(yàn)收安全系數(shù)為2.313，高壓電塔控制性指標(biāo)桿塔結(jié)構(gòu)傾斜度為0.105%，均符合規(guī)范要求；說(shuō)明所采取的支護(hù)方案能保障道路及高壓電塔的運(yùn)營(yíng)安全。對(duì)類(lèi)似高路塹放坡困難地段，采用預(yù)應(yīng)力錨索抗滑樁支護(hù)可有效控制坡頂?shù)孛娴某两底饔谩?/p>