椅式抗滑桩+锚索组合支护结构应用研究

摘要：椅式抗滑桩+锚索组合支护体系为边坡支护中较为复杂的结构形式，具有刚度大，变形小的特点。本文通过深圳某小区永久边坡支护工程，介绍了双排椅式抗滑桩+预应力锚索支护结构分别采用“m”法和有限元法的计算分析过程和结果对比，表明该支护体系较适于变形要求较为严格的永久性垂直高边坡，为南方地区具有较好应用前景的永久支护支挡结构，最后总结了该组合支护结构的设计特点，以供类似工程参考。

关键词：高边坡；椅式抗滑桩；变形控制；有限元法

1.前言

椅式抗滑桩是一种新型的支护结构，它是由两排平行的钢筋混凝土桩以及桩上部的冠梁形成的空间结构体系，这种结构具有较大的侧向刚度，可有效地限制围护结构的侧向变形，并且可以随下端支承情况的变化自动调整其上下端的弯矩，同时自动调整结构各部分内力，以适应复杂多变的载荷作用位置 （见图1）。

目前椅式双排桩支护结构已经在一些地区采用并取得成功，但由于目前计算理论的不完善，不确定的潜在滑面位置，使其土压力大小和分布不同于纯桩锚结构，也异于滑坡的滑坡推力，尤其是顶部锚索下部椅式组合排桩模型的土压力、结构内力与位移分布更为复杂，这些问题都有待进一步研究。

本文通过对椅式抗滑桩+预应力锚索组合结构在深圳布吉某边坡治理中的计算分析，探讨组合支护结构在边坡工程中的受力机理及位移场特点，在此基础上总结出椅式抗滑桩的设计要点关键技术。

2.工程概况

深圳市布吉街道办某边坡原为坡地地貌，坡顶平坦，标高约为55.50～60.50m，有一12层建筑，筏板基础，地下室底板底标高约为54.60m，埋深约为5m。根据规划，在该小区围墙外10m因建设需要垂直开挖至44.80m，在该地坪标高要再向下开挖6m作地下室。由于拟建场区地坪比现有坡顶低约10.7～15.7m，再加上开挖约6m深的基坑，导致拟建场区与现有坡顶建筑物小区之间形成上部高差为10.7～15.7m的垂直永久边坡，下部深度为6m的基坑，总的最大垂直开挖深度约为22m。

拟形成的边坡为永久性边坡，坡顶10m外为12层筏板基础建筑物，且坡顶还有一污水管，因此该边坡无论采用何种支护方案，控制变形是首先要考虑的因素。

场地地貌属剥蚀低丘陵、坡地地貌，山顶地形较为平缓。场地地层分别为第四系残积粉质粘土，强风化侏罗系中统粉砂岩和中风化侏罗系中统粉砂岩，勘察期间测得地下水位埋深10.50～14.60m。

3.支护方案分析

坡体主要为坡残积土和强风化粉砂岩，砂岩，在雨水侵蚀下，粉砂岩工程地质性质变差，软化，崩解，呈散状，极易发生滑坡、崩塌等失稳现象。为了保证该边坡坡顶变形控制在允许的范围之内，必须采用合理的设计方案支护该边坡。如果采用抗滑桩+锚索支护，由于高度过大，作用于桩上的土压力极大，桩断面积较大，经济上并不合理，且锚索为柔性结构，无法解决坡顶的变形过大的问题。通过多种支护方案的比较最终确定采用椅式双排抗滑桩+4道预应力锚索支护结构型式，这样有效减少圬工数量，可以将坡顶的变形控制在允许范围之内，同时经济上也合理。

3.椅型抗滑桩+锚索结构内力分析

3.1 计算模型

本次采用的椅式抗滑桩，前排桩截面尺寸为1.5 m×1. 2 m，间距为4.5m，后排桩截面尺寸为1.6m×2.8m，间距为4.5m，前、后排桩混凝土强度为C30，两排桩之间连梁截面尺寸为1.2m×1.2m。设计支护剖面如图2所示。

对于该组合支护结构，抗滑桩截面刚度大，桩身的提供反力的支点中，上部4道锚索为柔性结构，而最下面一道支点的连梁靠前排桩提供反力为刚性支点，前后排桩和连梁之间为原状土体，如此复杂的组合结构采用目前的刚体极限平衡理论难以弄清结构内力和变形情况，必须采用有限元来模拟该组合支护结构。

因此本次分别采用桩锚支护模型的“m法”和有限元法分别对比计算该复合支护结构的内力和变形情况。当采用“m法”计算分析时，后排桩身下部连梁可以模拟为刚性支撑点，如果得到该刚性支撑点的水平刚度，便可以计算出简化为桩锚支护结构下后排桩的内力和变形，但无法计算出前排桩和连梁的内力和变形。采用有限元法，将前后排抗滑桩和桩顶连梁全部按照线弹性材料考虑，和结合土体内的锚索单元可计算出该组合结构前排桩、后排桩、桩顶连梁的内力和变形以及桩间及桩后土体内的应力和位移场。

3.2 参数取值

本工程涉及的计算参数分为“m”法桩锚计算模型所需要的参数和有限元计算所需要的参数，其中采用“m”法桩锚模型时，需要确定锚索的水平刚度系数 和最下一道支撑的水平刚度系数，锚索的水平刚度系数 按照下式计算：

――锚索水平刚度系数； ――钢绞线截面积； ――钢绞线弹性模量； ――自由段长度； ――锚索倾角。

最下一道支撑的水平刚度，考虑到桩顶连梁长度较短，变形受到前排桩顶水平变形的控制，因而该道混凝土支撑的水平刚度系数根据前排桩顶的水平承载力综合确定，本次按照《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）所规定的单桩水平承载力公式首先计算出在桩顶变形10mm时的水平承载力，再根据该水平承载力和变形之比得出该支点的水平刚度。当桩顶变形10mm时，单桩桩顶水平承载力 按照下式计算：

――桩侧土水平抗力系数的比例系数； ――桩身截面宽度； ――桩身抗弯刚度； ――桩顶水平位移系数，按规范查表确定； ――桩顶水平位移，取10mm。

该支点水平刚度系数按照下式近似计算：

根据上述公式确定的“m”法计算时，锚索的水平刚度系数为11.1MN/m，混凝土连梁的水平刚度系数为798 MN/m。

1）计算方法

本次对该组合支护结构按照“m”法简化计算，按照排桩+锚索支护模型计算，最下一道连梁提供的反力简化为混凝土支撑点，模拟分层开挖方式计算分析，建立计算模型。

由于该组合结构在外力作用下，与围岩（土）相互作用，其受力状态相当复杂，是一个三维空间受力问题。本次采用二维有限元法建模，并对桩、梁的轴向刚度EA 和抗弯刚度EI 进行等效，模拟双排桩、连梁、锚索和桩间、桩后土体共同作用，分层开挖施工方式进行分析计算。

2）土压力计算结果

采用“m”法简化计算，无法计算出前排桩后土压力，只能得到后排桩侧土压力。而采用有限元法，可以计算出前排桩、后排桩侧的土压力分布，计算结果见表1。

3）内力计算结果

采用“m”法计算只能得到后排桩的内力分布，。而采用有限元法不但可计算出后排桩还有前排桩、桩顶连梁的内力。将两种计算结果汇总为表格，见表2所示。

4）计算结果分析

从上述土压力及支护结构轴力表中可以看到，采用“m”法简化计算，得到的桩后主动土压力和被动土压力，明显大于有限元法计算的土压力，土压力作用点基本相似，但是有限元法计算得到的土压力合力点比“m”法计算的合力点位置偏下1m左右。有限元法计算得到的锚索轴力和连梁的轴力也比“m”法小一些。且有限元法能够清楚地反映出桩顶附近土体出现拉应力，后排桩桩底附近由于嵌固段较深，桩后土压力从主动土压力转化为被动土压力。前排桩由于嵌固段较短，且桩后土体宽度较窄，因此主动土压力较小，前排桩后侧桩底附近土压力也从主动转化为被动状态。

从计算内力结果可以明显看到，这两种方法计算得到的后排桩弯矩和剪力基本相同，相差不大，而有限元可以计算桩顶连梁的弯矩和剪力，桩顶连梁两端和前后排桩为刚性连接，因此两端弯矩和剪力均较大，尤其是靠近后排桩一侧。另外由于有限元计算的桩顶连梁对后排桩的反力作用并不像“m”法计算的结果高，这点从两者计算的连梁轴力可以看出来。

总的来看，作用于前后两排桩上的土压力是比较复杂的，由于后排桩承担了大部分的土压力，再加上两排桩间的土柱宽度并不大，因此前排桩所受到的主动土压力明显小很多。

4.椅型抗滑桩+锚索结构变形分析

采用有限元法可以计算出前后排桩及桩顶连梁及土体的变形，而“m”法只能计算出后排桩的变形。采用有限元计算的计算剖面位移场如图10所示，而各个支护结构的变形中，前后排桩和连梁的变形见图11～图14。

从上图可以看出，“m”法计算得出的后排桩顶变形桩顶变形小，而桩身中部变形大，与现实不符，而有限元法计算出的前后排桩顶水平变形分布较为合理，桩顶连梁受到后排桩推力和前排桩阻力，呈现出两侧相反的变形。根据计算的结果，“m”法计算的桩身中部做大变形为17.73mm，桩顶仅变形4.07mm，显然不符合实际情况，而有限元计算的前后排桩顶变形分别为17mm和26mm，桩顶连梁上下位移量基本相同为6.2mm左右，显然，有限元法计算得到的变形较为符合实际情况。

5.结论

通过上述椅式双排桩+预应力锚索组合结构在垂直高边坡中的计算分析,可总结如下：

（1）椅式双排桩的位移明显小于单纯桩锚支护结构，因为前排桩对后排桩提供的反力远远大于锚索提供的反力，且前排桩和连梁近似为刚性，变形较小，而锚索为柔性结构，变形较大。

（2）该种组合支护结构，由于连梁的存在，使整个刚架结构的抗弯刚度明显提高，桩身弯矩减小，桩顶弯矩加大，最大弯矩点的位置和位移零点的位置下移，土的塑性区向深层发展，有充分发挥土层的抗力，从而提高了水平承载力，减小水平位移。

（3）椅式双排桩由于连梁的存在从而很好地调整了结构内力，使得各个杆件受力均匀，共同承担外力，充分发挥各个构件的最大效能。

（4）虽然采用“m”法可以简化计算该支护模型，但是前排桩、连梁的内力及后续配筋必须靠有限元来解决，且前者计算的变形明显不符合实际情况。

（5）由于前后排桩顶连梁位置刚度较大，因此箍筋必须加密，抵抗更大剪力。由于连梁对后排桩的变形控制贡献较大，因此应加大连梁截面面积，且连梁与前后排桩最好采用刚性连接的方式。

（6）由于后排桩的变形靠前排桩和连梁来控制，因此前后排桩桩径相差不宜太大，连梁的刚度和前排桩刚度相差也不能太大，要相互匹配。

（7）该组合支护结构较为复杂，且和桩后土体，前后排桩间土柱共同作用，导致边坡工程岩土应力分布复杂，以及桩同作用机理的不明确性，因此在实际应用中要采用数值计算与成功经验相结合的方式，以确保边坡稳定。

注：本章论文的所有图表及公式以PDF形式查看