一 、工程结构和计算模型

        1、工程地质

        据地勘资料该段为傍山和软基结合地段，典型断面土层大致划分为五层，如图1所示，从上至下为：半挖半填土层、粘土层、淤泥质土层（厚度3.2～7.2m）、卵石层、基岩层。

        2、抗滑桩和预应力锚索设计

        全段采用48根C25钢筋砼抗滑桩，桩径1.8m，中心间距3.5m，嵌岩深度6m，每桩纵向布置104根φ32钢筋。桩间采用横梁连接，横梁为C25钢筋砼，尺寸为1.0×1.0m。锚索为8φj15.24高强低松弛钢绞线，设计锚力为800kN，锚索间距为3.5m

        3、锚-桩挡土结构的计算模型

        采用平面有限元法分析锚-桩挡土结构的内力与变形，按照抗弯刚度相等的原则将桩简化为连续墙，作为平面应变课题进行研究，采用邓肯—张E～B(K)模型模拟土体的变形特征，考虑了路堤填筑与锚—桩结构施工过程，得到桩体弯矩、剪力、轴力和水平位移的分布及发展变化过程。基岩采用线弹性模型，容重25kN/m3，弹性模量2×107kPa，泊松比0.3。抗滑桩等效为连续墙的参数：弹性模量2×107kPa，单位长度的截面积1.21m2，单位长度的惯性矩0.1476m4，厚度1.21m；锚索模拟为集中力，单位长度锚力为228.6kN，下倾角为30°，预应力锚索每单位长度锚索提供的水平向集中力为198kN，竖直向集中力为114kN 。在研究桩身弯矩、剪力时，再将计算的连续挡土墙的弯矩、剪力进行换算。

        土层均采用邓肯—张E～B(K)模型，固结排水(CD)剪切参数见表1，对应于固结完成的状态。

         表1  土层的固结排水（CD）剪参数

        由于未在软土中设置排水设施，流塑状饱和淤泥和已部分固结的淤泥质粘土在50～400kPa下的固结系数按0.1×10-2cm2/s，淤泥层厚度按6m、单向排水估算，固结度达到90%时约需要7～10年，远比施工期和监测期长。为反映软土(以及填土)尚未固结时抗滑桩承受的内力及发生的变形，将淤泥层、半挖半填层、填筑层的部分参数修正为表2，

表2 未固结状态采用的参数 

        由于静孔隙水压力的影响，地下水的存在将减小地基中的有效应力，数值分析分别模拟了不考虑地下水对地基有效应力减小、考虑地下水水位位于淤泥层顶面时的两种情况。

        二、钻孔灌注抗滑桩的内力与变形研究

        各方案分析计算结果如表3所示。

        表3  抗滑桩内力、变形数值分析结果表 

        经计算可以发现：

        A、当计算参数、地下水位等条件相同时，锚索张拉时间对最终的桩身内力及变形影响较小；但是考虑软土(以及填土)尚未固结的影响采用修正参数进行计算时，桩身内力及变形均增大了一倍左右；这说明抗滑桩锚固段的锚固程度制约着抗滑桩的内力及变形的发展过程，而锚固段的锚固程度又取决于桩周土体的力学特性。

        B、锚-桩挡土结构设计满足受力要求。如不设置锚索，当路堤填筑到设计高程时，抗滑桩将发生破坏。

        三 、高路堤整体稳定性研究

        本课题采用改进Hilf分析法进行公路软基高路堤的沉降计算与稳定控制。填筑期高路堤的稳定性受未固结软土层控制，采用总应力法分析，不单独计算超孔隙水压力，以不排水强度指标反映地下水位下土层超孔隙水压力的影响。

        1、土层的强度模式与强度指标

        针对高路堤填土及旁山的实际情况，在强度指标选取原则上作了改进，即：对淤泥层以上的地基与填土，采用固结排水剪指标；对淤泥层以下的地基，采用固结不排水剪指标；对淤泥层采用不固结不排水剪指标；对路堤采用Hilf分析法提出的非饱和强度指标。所有土层均采用线性Mohr-Coulomb强度模式。

       本段路堤当填土到19.2～19.5 m高程附近，不设置挡土结构时即出现了边坡滑动的迹象，故假定此时达到极限平衡状态，对边坡稳定性起控制作用的淤泥层强度参数进行反分析，推得淤泥层不固结不排水强度指标为25～30kPa。

        2、粉喷桩的加固作用

        粉喷桩桩径0.5米，间距为1.1米，单轴抗压强度为1.0～2.0MPa，正方形布置，则面积置换率：m=0.1618，复合地基的抗剪强度按下式简化近似估计(摩擦角按0计算)：

Cu=m×C桩×β+(1-m)×Cu淤泥=0.1618×500×0.4+0.8382×5=36 kPa

        式中：m为置换率；β为考虑滑面倾角和土条位置的桩身抗剪强度的折减系数，取为0.4；C据无侧限抗压强度换算的抗剪强度。

        3、抗滑桩的模拟简化方法

        此处将土与结构作为刚体，只校核剪断桩的情况，关于抗滑桩受拉区弯折破坏及桩前被动土楔剪切破坏的情况采用其他方法进行分析。抗滑桩桩身混凝土标号为C25，其容重取25kN/m3，弹性模量取2×104MPa，泊松比0.167，内摩擦角45°，单轴抗压强度为25MPa，单轴抗拉强度4.2MPa，内聚力5.17MPa。由于抗滑桩的内聚力与土层差别非常大，为确保数值方法的收敛性，在极限平衡条分法中，采用降低其内聚力值，同时在桩顶施加一集中力以增大其摩擦强度分量的方法，这种处理方法可以获得较好的收敛解，同时又可不改变桩身混凝土的抗剪强度。

        4、高路堤整体稳定性计算

        针对K83+175.5与K83+196.5两个断面，进行了高路堤极限平衡的整体稳定性分析，并以简化Bishop法和Spencer法的计算结果为判别依据，同时获得了瑞典法、Janbu法的最危险滑面和相应的安全系数。考虑到高路堤破坏的各种可能性，进行了19种组合的稳定分析计算。通过分析计算，可知本高路堤填筑段采用锚索-抗滑桩式挡土结构边坡处理措施后，其抗滑稳定性满足规范要求。

       四、高路堤沉降数值分析研究

        1、路堤沉降的有限元分析

        考虑到路堤填筑过程中应力路径的复杂性以及土体在复杂应力路径下的强度与变形特征，本课题采用有限元数值分析方法计算高路堤的总沉降量，并与监测成果进行比较。

        经计算在设置锚索-抗滑桩式挡土结构的情况下路堤填筑完成时，软土未固结状态下道中沉降最大为16～18cm，软土固结完成状态下道中沉降最大为22～24cm。

        2、路堤的工后沉降

        从2003年6月埋设监测设施，开始填筑19m高程以上的填土，到2004年7月已经历时1年多，推算埋设监测设施后软土地基的固结度已经达到30%～50%左右。

    监测到的沉降量包括两部分，一部分为填土施工中软土尚未固结而产生的瞬时沉降，另一部分为软土在施工与监测期间部分固结沉降量。在计算地基沉降中，除软土以外的其它土层的变形指标均由固结排水剪试验得到，可以认为固结已完成。计算得软土未固结状态下道中沉降最大约16cm；软土固结完成状态下道中沉降最大按约为22cm，则至2004年7月完成固结沉降6～8cm左右。由于完成总沉降将达20～24cm左右，则2004年7月以后路堤表面的剩余沉降约为10～15cm左右。

        五、高路堤及锚索-抗滑桩式挡土结构内力与变形的实时监控

        采用沉降板、测斜仪监测路堤道肩、道中、坡角等部位的竖直和水平位移，采用锚力计、钢筋计和桩身测斜管监测锚索-抗滑桩式挡土结构的内力和水平变形，实时监控、预测预报高路堤及锚索-抗滑桩式挡土结构的工作状态。

        1、监测设备的埋设

        监测仪器埋设数量见表4。

        表4 监测仪器埋设数量

        2、锚-桩挡土结构高路堤施工期稳定性控制标准

        傍山和软基结合路段锚-桩挡土结构高路堤施工期稳定性控制目前尚无统一标准，需要考虑傍山软基锚-桩挡土结构的共同作用对高路堤稳定性的影响，其稳定性控制标准可通过应力应变分析来确定。本项目参照《建筑地基处理技术规范》（JGJ79—2002）和长江科学院的经验，施工稳定性控制标准为：

         A、坡脚侧向水平位移≤3mm/d，沉降量≤10mm/d，同时水平位移与沉降量的比值不超过25～30%。

         B、填土期间锚索实测荷载值不大于设计荷载值。

         C、桩身水平位移≤3mm/d，桩身最大弯矩≤8000kN·m。

         3、实时检测结果

        （1）测斜管检测

        从测斜管的检测结果可见，最大水平位移量为73.66mm；水平位移大部分产生在填土施工期，施工期内产生的水平位移量占水平位移总量的70%以上；桩身水平位移的计算值与实测值吻合较好，锚桩对路堤的稳定性发挥了重要作用。

       （2）沉降检测

        从两个观测断面情况看，以K83+175.5断面为最大，沉降量为190.0mm，该段面处于整个场区淤泥层性质最差、强度最低的地段。从两个断面沉降大小的分布情况看，由于该段左侧傍山填筑，且左侧路基与下伏地层存在一定的横坡，而道肩下卧软土层比道中厚，所以道肩沉降量比道中要大。沉降基本趋于稳定，且与计算值较为吻合。

       （3）抗滑桩钢筋计观测

        检测的最大弯矩值与计算分析结果有较好的一致性，均未超出最大弯矩8000 kN·m值，这也侧面地反映了抗滑桩内力计算分析方法的合理性。

       （4）锚力计检测

        锚力计观测成果见表5。与一般的锚索相比，锚力并没有较大的减少，主要在于傍山软基结合高路堤仍有一定的侧向变形，为了保持稳定，锚桩仍在发生共同作用。目前两只锚力计测值基本趋于稳定。

        表5  锚力计观测成果表

        （5）分层沉降观测

         从分层沉降过程可以看出如下规律：

         A、位于原地面高程处沉降环的沉降与原地面沉降板沉降规律基本一致，只是数值略有不同，与荷载关系明显，可以判断分层沉降观测值与沉降板的测值是可靠的。

         B、随沉降环的埋深增加，沉降量逐渐减小。自沉降板起深约15m范围内土层压缩量较大，随时间增加该土层的压缩量增加，但在总沉降中所占比例逐渐减小。

         C、各土层压缩量占总沉降量比例见表6。

        表6  各土层压缩量占总沉降量比例 

       （6）孔隙水压力

        从两个断面的孔隙水压力曲线看有以下规律：

         A、与荷载对应关系明显，每施加一级荷载孔隙水压力均有一定的上升，随着时间推移，孔隙水压力逐渐消散。

        B、断面孔压探头由于都处于同一层淤泥土中的不同深度，上部的孔隙水压力比下部的消散快。

        C、孔隙水压力基本上反映了地基的固结规律，由于该段左侧傍山填筑，且左侧路基与下伏地层存在一定的横坡，地下水位受降雨影响变化大，造成所测孔隙水压力在一定范围内波动且难以准确计算各点的固结度。

        六、结语

        1、傍山和软基结合高路堤填是一种特殊的地段，在倾斜基岩和软土共同作用下，产生复杂的结构受力机理。本工程采用的锚索-抗滑桩式挡土结构有效地控制了傍山和软基高填方路堤的沉降和侧向变形，取得了良好的经济效益和社会效益。

        2 、抗滑桩锚固段的锚固程度制约着抗滑桩的内力及变形的发展过程，而锚固段的锚固程度又取决于桩周土体的力学特性，因此，在用抗滑桩处理软基上高路堤边坡时，对可能滑动面以下桩周土体先作一些简单的加固处理再实施抗滑桩处理措施，这样能够节约总的处理费用，大大改善边坡及抗滑桩的受力变形特性。

        3 、对高路堤及锚索-抗滑桩式挡土结构内力与变形进行了实时监控，掌握和预测预报高路堤及锚索-抗滑桩式挡土结构的工作状态，取得了较为完整的观测资料，并在工程施工过程中及时反馈各种监测成果，提高了工程信息化施工的程度，这对确保工程进度、质量和结构安全起了重要作用。

        4、本课题采用的锚-桩挡土结构高路堤施工期稳定性控制标准，保证了施工期的稳定性，并节约了工期，说明这一控制标准是适合的，可为同类工程借鉴和参考，但同时其合理性和可靠性有待于进一步研究探索。

          （作者单位：市高速公路工程建设总指挥部）