圓形樁板墻在某高陡斜坡路基邊坡加固處治設(shè)計中的應(yīng)用

李艷明

（山西省交通科學(xué)研究院，山西 太原030006）

0 引言

為保證路基邊坡穩(wěn)定，公路、鐵路運營安全，常常對高填深挖路基、高陡路基段邊坡采用支擋加固。傳統(tǒng)的支擋結(jié)構(gòu)主要有重力式擋土墻支擋、衡重?fù)跬翂χ?、懸臂或扶壁式擋土墻支擋等等。考慮傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)受支擋結(jié)構(gòu)高度、占地、錨固力等原因的限制，在高填深挖路基、高陡路基邊坡加固處治中很難發(fā)揮較好的效果，因而研究發(fā)展采用輕型加筋擋土墻、輕型樁板墻、預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻等支擋結(jié)構(gòu)，這些支擋結(jié)構(gòu)可以很好地彌補傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)在高度、占地、錨固力、抗滑力等不足問題。輕型加筋擋土墻、輕型樁板墻（矩形樁）、預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻（矩形樁）等支擋結(jié)構(gòu)在現(xiàn)公路、鐵路、公民建已經(jīng)得到廣泛的運用[1-3]，相關(guān)研究較多，設(shè)計計算較成熟，但對于搶險工程及受地形條件限制等原因的邊坡滑坡（塌）、高陡斜坡處治中使用圓形路肩樁板墻相關(guān)研究較少，有進一步研究的價值。

1 工程概況

本工程地形地貌主要以丘陵溝壑區(qū)、黃土臺塬為主。地震烈度為Ⅵ區(qū)，地震動反應(yīng)譜特征周期為0.45 s。根據(jù)地質(zhì)勘察和鉆孔柱狀圖揭示，本工程地層巖性主要有：二疊系千峰組（P2sh）泥巖與砂巖互層，巖芯易折易碎，強度低，鉆進速度快；上更新統(tǒng)峙峪組(Q3s)與馬蘭組(Q3m)；全新統(tǒng)沖洪積物(Q4al+pl)黃土。

某高速公路0 號橋臺處（K102+100—K102+128），為半填半挖的高陡斜坡路基，路基最大填土高度20.2 m（見圖1）。為增強高陡斜坡路基穩(wěn)定性、收縮坡腳、節(jié)約占地和避免路基左側(cè)房屋的拆遷，在路基坡腳處設(shè)置填土12 m 路堤重力式擋土墻，擋土墻外邊線離最近房屋院墻約6 m，同時在本路段土路肩位置設(shè)置加強型鋼波形護欄。施工開始后，村民以存在安全風(fēng)險為由要求公路遠(yuǎn)離其房屋、院墻或?qū)⑵鋬蓱艟用裾w搬遷。經(jīng)計算整體搬遷兩戶居民拆遷費用索要太高，經(jīng)多次溝通無果，考慮工期緊張，擬采用其他技術(shù)措施避免拆遷，以順利完成項目施工。

圖1 高陡斜坡路基位置圖

2 方案比選設(shè)計

針對上述情況，設(shè)計提供兩個設(shè)計方案進行比選。方案一考慮原路堤擋土墻往路基內(nèi)移，但由于地面橫坡較陡，要求擋土墻高度已經(jīng)超過擋土墻設(shè)置限值12 m 高度，結(jié)合地形地貌、地層巖性及水文情況等考慮在左幅路肩處設(shè)置路肩樁板墻；方案二在左幅按引橋標(biāo)準(zhǔn)跨徑增設(shè)一孔50 m T梁，該處左幅路基以橋梁跨越，右幅路基中央分隔帶邊緣設(shè)置路肩擋土墻，擋土墻墻頂設(shè)置混凝土防撞護欄。

經(jīng)比選，方案二采用橋跨方案徹底解決高陡斜坡路基問題及村民所要求解決的問題，增設(shè)一孔50 m T梁工程建安費約260 萬，工程造價相對較高；方案一工程建安費約130 萬。

經(jīng)綜合比較采用方案一，即采用圓形路肩樁板墻方案。

3 圓形路肩樁板墻設(shè)計

3.1 樁截面及樁間距設(shè)計

樁板墻根據(jù)樁的截面形式主要可分為圓形樁板墻和矩形樁板墻。經(jīng)計算比較（見表1），矩形樁板墻在相同地質(zhì)條件、相同樁徑、相同樁間距等條件下所提供抗滑力明顯大于圓形樁板墻所提供的，樁頂水平位移明顯小于圓形樁板墻樁頂水平位移，僅在樁后外荷載在100～200 kN 時，圓形樁板墻錨固樁所需鋼筋較矩形樁板墻錨固樁少。經(jīng)分析，出現(xiàn)此類結(jié)果其主要原因是矩形樁計算寬度較大、所提供的抗力面較大、抗彎剛度較大。圓形樁板墻所能提供的抗力一般較小，經(jīng)計算比較，相同樁徑不同樁長圓形樁板墻所提供的抗力一般在100～400 kN 有較好的經(jīng)濟價值，當(dāng)樁后水平推力較大時，一般需要增加鋼筋來滿足其抗彎等要求，經(jīng)濟效果不佳。但由于其采用機械化成孔，成孔速度較快，安全隱患相對較小等，尤其在搶險加固工程[4]、工期緊張、所需提供的抗力較小工程等有特殊要求工程中有較好的使用價值。

表1 矩形樁板墻與圓形樁板墻抗力、鋼筋數(shù)量及水平位移比較表

考慮圓形路肩樁板墻采用機械成孔，且成孔速度較快，施工相對較安全，滿足工程工期要求，同時為滿足盡快不影響村民生活及安全等要求，在錨固樁所提供的抗力滿足樁后外荷載（本工程外荷載約310 kN）作用的情況下，對K102+100—K102+128 段高陡斜坡采用圓形路肩樁板墻進行加固處治。

通過荷載計算，考慮高度斜坡路基處地層巖性、擋土板與錨固樁的搭接、施工方便及同時滿足盡快不影響村民生活及安全等要求，錨固樁地面以下采用2 m 直徑的C30 圓樁，地面以上采用2×2 m 正方形C30 方樁，樁間距4 m，樁間設(shè)置C30 擋土板，樁頂接冠梁，冠梁高1.0 m，寬2.0 m，冠梁上設(shè)置混凝土護欄，擋土板厚0.3 m，高1.0 m，樁長根據(jù)計算確定。

3.2 樁的內(nèi)力計算

根據(jù)錨固樁的位置，錨固樁地層主要為泥巖與砂巖互層，地基系數(shù)為三角形分布，樁身變位和內(nèi)力按彈性地基梁中“m”法進行計算?！癿”法[5]是根據(jù)彈性地基上的彈性梁受撓曲后的微分方程采用冪級數(shù)解求得錨固樁沿樁身處的水平位移、轉(zhuǎn)角、彎矩及剪力，其計算一般表達式如式（1）～式（4）：

式中：a為樁的變形系數(shù)，1/m；x0、φ0、M0、Q0分別為滑動面或潛在滑動面處的水平位移、轉(zhuǎn)角、彎矩及剪力；Aj、Bj、Cj、Dj為隨錨固樁換算深度而變的參數(shù)；EI為相對剛度系數(shù)；x0、φ0根據(jù)錨固樁底支撐條件不同分別確定。

由于錨固樁底層主要為泥巖與砂巖互層，錨固樁樁底按自由考慮，樁底剪力零，滑動面或潛在滑動面處的水平位移、轉(zhuǎn)角根據(jù)式（5）～式（7）計算：

式中：K0為豎向地基系數(shù)；IA為樁底截面慣性矩，m4；其余參數(shù)含義同前。

根據(jù)以上計算公式計算出x0、φ0，然后根據(jù)一般表達式計算出樁身內(nèi)力，得出樁身各截面彎矩、剪力及水平位移值。對每根樁都進行計算，其中彎矩、剪力及水平位移值最大錨固樁計算結(jié)果如表2。

表2 截面彎矩、剪力及水平位移值表

根據(jù)表2 的計算結(jié)果可知，該圓形路肩樁板墻墻頂最大水平位移為45 mm，小于100 mm，滿足規(guī)范[6]要求，擬定樁截面尺寸和樁間距滿足設(shè)計要求。

3.3 擋土板設(shè)計

樁間擋土板內(nèi)力計算按均布荷載作用下的簡支梁進行計算，擋土板截面尺寸和鋼筋配置應(yīng)滿足擋土板抗彎、抗剪要求。

樁板墻設(shè)計流程：樁板墻設(shè)計時首先應(yīng)滿足設(shè)計需要達到的要求，同時結(jié)合工程所處的地形、地貌、地層巖性、水文條件和其他原因等，根據(jù)樁板墻后外荷載初擬樁板墻型式、設(shè)置位置、樁長、樁間距。通過計算分析，結(jié)合錨固樁所處地層的巖性，選擇采用“K 法”或“C 法”或“m 法”進行樁身內(nèi)力計算，求出樁身內(nèi)力、樁頂水平位移等，并配置合適鋼筋，出具錨固樁鋼筋設(shè)計圖；同時，對擋土板按均布荷載簡支梁進行內(nèi)力計算，配置合適鋼筋，出具擋土板鋼筋設(shè)計圖。若樁身內(nèi)力、樁頂水平位移、擋土板彎矩等過大，配筋困難，重新擬定尺寸、樁間距等，然后重復(fù)上述設(shè)計、計算流程，最終合理確定樁板墻各項要求及配筋圖。

4 圓形路肩樁板墻的檢測與監(jiān)測

為保證錨固樁的質(zhì)量，防止樁身在外荷載作用下沿樁身缺陷位置斷裂或傾倒而失去其對高陡斜坡路基的加固效果，對所有錨固樁進行完整性檢測，本次檢測方法采用聲波透射法[7]。根據(jù)規(guī)范要求，對于錨固樁直徑大于1 600 mm 時，聲測管的數(shù)量不得小于4 根，聲測管呈對稱形狀布置，對于本工程每根錨固樁對稱設(shè)置4 根聲測管。根據(jù)現(xiàn)場檢測，錨固樁樁身檢測為完整，Ⅰ類樁，樁身質(zhì)量滿足規(guī)范要求。

為保證圓形路肩樁板墻施工后運營安全，防止出現(xiàn)次生災(zāi)害，對其進行樁頂水平位移的監(jiān)測。通過對水平位移的監(jiān)測，比較樁板墻理論計算樁頂水平位移與實際樁頂水平位移大小，核實圓形樁板墻對高陡斜坡路基加固處治的效果。

對8 根錨固樁均進行監(jiān)測，監(jiān)測一年來監(jiān)測結(jié)果見圖2。

圖2 圓形樁板墻樁頂水平位移監(jiān)測結(jié)果圖

從圖2可知，實際樁頂最大水平位移約為25 mm，小于理論樁頂最大水平位移45 mm，滿足規(guī)范要求，但是理論與實際有一定的差別，主要原因為：

a）由于理論計算假定滑動面或潛在滑動面以下地層視為彈性介質(zhì)，不考慮樁與土之間的黏著力和摩擦力，因此，樁上所承受外荷載增大，理論計算樁頂水平位移偏大。

b）由于樁頂設(shè)置了通長連接的冠梁，增強了樁板墻的整體性，而理論計算時未考慮樁板墻的整體效應(yīng)，故理論計算樁頂水平位移偏大。

c）由于錨固樁設(shè)置在高陡斜坡位置，考慮錨固樁襟邊滿足2～5 d 要求,錨固樁樁前存在一定的土體，而理論計算時未考慮錨固樁樁前土體的被動土壓力，因而理論計算樁頂水平位移偏大。

樁板墻理論計算樁頂水平位移一般都大于實際樁頂水平位移，其主要原因是設(shè)計理論的假設(shè)忽略部分抗力、考慮錨固樁襟邊要求而忽略樁前被動土壓力及忽略樁板墻的整體性等等。通過一年多的監(jiān)測，根據(jù)監(jiān)測結(jié)果可知，實際樁頂水平位移小于理論樁頂水平位移，滿足規(guī)范及設(shè)計要求，處治效果較好，且通過后期繼續(xù)的監(jiān)測可知，實際樁頂水平位移隨著時間的推移呈水平收斂趨勢。

5 結(jié)語

圓形樁板墻所提供的水平抗力一般在100～400 kN 時有較好的經(jīng)濟價值，當(dāng)樁后水平推力較大時，一般需要增加鋼筋和較大的樁截面尺寸來滿足其抗彎等要求，經(jīng)濟效果不佳，但由于其采用機械化成孔，成孔速度較快，施工安全隱患相對較小等，尤其在搶險加固工程、工期緊張、所需提供的抗力較小（一般在100～400 kN）工程等有特殊要求工程中有較好的使用價值。