为了综合锚索、抗滑桩和边坡间的协调功能, 在边坡加固组合设计过程中结合预应力锚索和抗滑桩联合加固功能, 并使之互相协调运作。其设计流程如图1所示。

为了更好地体现整个设计流程的合理性, 需进行加固前的边坡稳定性计算。在已知边坡的条件下, 设定抗滑桩的位置, 同时将抗滑桩的设计位置置于边坡坡脚处, 既而计算边坡加固前的稳定性。

抗滑桩顶面上有次级滑面, 利用边坡稳定性原理评估, 确定土体能否沿抗滑面失去稳定, 出现次级滑面。

计算桩剩余下滑力E, 先计算锚索预应力。

首先, 评估次级滑面, 沿该滑面计算潜在下滑力, 并参考规范设计锚索预应力F₁=F_Y, F_Y为锚索预应力。假如不存在次级滑面, 则将抗滑桩位置处的剩余下滑力设置为基数, 然后乘以系数β为锚索需平衡的下滑力, 通常情况下, β初始设定参数为0.3~0.5, 而后续计算中不断优化调整以达到最优的计算锚索预应力参数值。

其次, 结合锚索预应力F=F₁, 测算加固后边坡的稳定性能, 并对抗滑桩位置处剩余的下滑力E₁进行评估。

再次, 结合E₁进行抗滑桩受力评估和设计, 假如锚索抗滑桩联合加固设计合理, 则设计结束。反之, 需返回再调整锚索预应力的设定值F=F_i (i为测算步数) , 并重新测算边坡加固的稳定性, 直至验证结果合理方可结束。

结合上节所阐述的锚索抗滑桩设计原理, 锚索加固后边坡剩余下滑力的相关计算重点突出了锚索加固预应力。同时考虑1束锚索加固的预应力F, 其作用范围内可穿越所有条块, 并结合传递条分法进行分解计算, 如图2所示。且每条都被锚索穿过模块, 还应考虑对应锚索预应力的作用, 如图3所示。

结合图2, 3, 假设锚索共穿越j个条块, 则对应的剩余下滑力可按下式计算:

第i条模块的下滑力为:

式中:G_i和E_i分别表示第i个模块的重力和下滑力;α_i为第i个模块附带土体的倾斜角。

其中, E_i=T_i-R_i, 因此, 第i个模块的抗滑力计算如下:

式中:φ_i和c_i分别对应第i条模块附带土体的内摩擦倾斜角和黏聚力;θ为锚索加固后的预应力和水平夹角。

假如贯穿某条块的锚索不止1束, 则可对各束锚索的加固程度进行叠加计算。即最后1条锚索在其桩处的剩余下滑力为E, 结合上述计算方法, E应在原有的基础上追加考虑锚索预应力的加固作用, 从而反映锚索和抗滑桩联合加固效果。

结合本文的设计方法对该抗滑桩锚固后的合理性进行评价。而抗滑桩作为被动的加固措施, 实际情况下很难准确定量边坡变形的程度, 故很难准确掌控边坡锚固后的安全系数。因此, 设计的锚索联合坡脚抗滑桩加固边坡的结果须满足行业规范要求, 并按抗弯要求和截面抗剪要求进行配筋, 桩顶位移长度和安全系数均满足工程实际要求。

选取某市区在建的铁道路段, 其边坡坡脚靠北方向即S357省道, 和S357公路相连, 交通位置相对便利。需要治理的边坡段为K38+000.000左侧的K38+035.000—K38+136.000路段, 共长101m, 朝向NE82°, 边坡顶面标高为125.000m, 边坡坡脚的标高为74.790m, 高度相对差为50.0m。边坡走势为上陡下缓变化, 上部30°~58°变化, 下部17°~21°变化, 边坡面上植被为荔枝林。

依据地形地貌, 选定的边坡斜面呈马蹄状, 断面呈阶梯状分布, 坡顶为缓坡, 坡度为17°, 坡面交界处为坡坎, 其坎高约8m, 坡度45°~53°。

结合实例边坡做预应力锚索, 拟在坡脚断面处采取抗滑桩加固措施, 按文中所述的设计方法进行坡面锚索和抗滑桩联合加固计算。

1) 计算加固前设桩位置处的剩余下滑力考虑工程安全性, 故选取安全系数为1.2, 按图2, 3所阐述的条块划分, 计算得到设桩位置处剩余下滑力为E=448.6kN/m。计算中同时进行了桩顶土体稳定性的计算, 结果表明不存在次级滑面。

2) 锚索预应力的确定根据计算结果确定无次级滑面, 锚索预应力按设桩位置处的剩余下滑力乘以给定比例系数进行计算, 选取比例系数为20%, 30%, 40%, 50%, 锚索纵、横向间距一般选取4m, 结果如表1所示。

根据设计规范可知, 比例系数选取40%时, 计算得到的钢绞线数目最为合理。

3) 计算锚索锚固后设桩位置处的剩余下滑力和抗滑桩设计如前所述, 本文设计方法的关键之一在于给定锚索预应力后的桩后剩余下滑力, 这是进行后续抗滑桩设计的前提。仍采用图2, 3所述的条块划分, 安全系数为1.2, 设桩处的剩余下滑力计算如表2所示。

由表2可知, 依照剩余下滑力448.6kN进行抗滑桩设计, 所得结果如下:选取桩截面1.5m×2.0m, 桩长10m, 桩间距4m, 主筋配筋率0.62%, 箍筋配筋率0.17%。

结合上述设计配置结果, 在建模分析中固定边坡和锚索参数, 通过调整锚桩的截面尺寸可计算模型的各项参数, 其分析对象的计算结果如图4所示。

如图4所示, 抗滑桩的截面尺寸偏小, 其对应的安全系数随截面积的增加变化较缓, 若抗滑桩的长宽比为一定值, 抗滑桩的截面尺寸增大有利于边坡稳定性, 而截面尺寸>1.5m×2.0m的情况下, 安全系数趋于稳定, 综合边坡的稳定性和工程经济性, 最佳截面尺寸宜选用1.5m×2.0m。

另外, 通过试验方法可以确定抗滑桩的锚固深度, 同时还可兼顾边坡的安全等级。而设计抗滑桩锚固深度过程中, 需考虑抗滑桩地基的最大承载力和最大水平位移间的滑坡推力。因此, 算例模拟时分别列举5~10m, 间距为1m的锚桩作为模拟加固深度, 探讨锚固深度对边坡位移和边坡安全系数的影响, 分别如图5, 6所示。

由图6可以看出, 桩锚固深度增加, 锚桩边坡的水平最大位移和垂直位移减小, 且边坡位移的突变量也减小, 其变化趋势也相对平缓。当锚固深8~10m时, 边坡水平最大位移趋于稳定, 工程实际施工过程中常在抗滑桩坡脚处设置加固措施阻止滑裂面和上坡体下滑, 从而缩小水平位移。

由图7可知, 锚固深度不断递增, 边坡的安全系数随之增加。当锚固深度变化区间为5~8m时, 其对应的安全系数幅度变化较大。而锚固深度>8m后, 锚固深度持续增加, 其对应的边坡安全系数变化趋势变缓。因此, 依照抗滑桩锚固深度的最佳埋设原则, 发挥锚桩加固最大的安全系数, 参考图6所示模拟结果, 锚固深度宜取8m。

此外, 在工程实际施工过程中, 锚桩间距作为抗滑桩设计规范的一个重要原则, 锚桩间距设计是否匹配工程实际的应用效果, 决定了抗滑桩的工程质量。锚桩间距过大, 则造成抗滑桩的支护强度下降。反之, 增加工程造价, 性能未必充分发挥。因此, 实际工程环境下, 借鉴土拱效应方法能很好地兼容各类不利状况, 其计算结果更符合实际工程。锚桩间距和边坡安全系数的变化趋势如图7所示。

由图7可知, 锚桩间距不断增加, 其对应的边坡安全系数减小, 稳定性也随之降低。同时也说明单位长度内所需埋设的锚桩数量将会减少, 从而影响锚桩和土体间的接触面, 即二者的摩擦力也会减小, 从而降低土体的抗剪程度。然而, 锚桩间距<4m时, 其对应的安全系数幅度变化很小, 而锚桩间距>4m后, 其安全系数下降很快, 主要由于土拱效应的效果减弱, 会从锚桩间隙挤出土体并绕桩滑动, 发生土桩分离, 使得锚失去很好的支护功能。所以选择锚桩间距为4m, 使得边坡加固过程中不会失稳。

1) 坡面锚索和坡脚抗滑桩联合加固边坡设计的过程中, 锚索预应力的设计值宜取边坡加固前剩余下滑力的0.5倍以内, 作为抗滑桩的设计负荷使用。

2) 抗滑桩锚固的深度直接影响锚桩的安全系数, 当锚固深度变化区间为5~8m时, 其对应的安全系数幅度变化较大, 而锚固深度>8m后, 其对应的边坡安全系数变化趋势变缓。若需抗滑桩设计深度处于安全范围, 综合比较后锚桩加固深度以1/3~1/2的锚桩长度为宜。

3) 锚桩截面尺寸会影响边坡位移、预应力锚索承受力等。一定范围内其主要特征为截面尺寸增大、边坡位移减小、边坡失去稳定性的可能变小。