樁承錨定板擋土墻在填方邊坡中的應(yīng)用研究*

劉文祥 吳婷 肖貫中

湖南工學(xué)院/土木與建筑工程學(xué)院 湖南 衡陽(yáng) 421002

引言

填方邊坡是工程實(shí)際中常見(jiàn)的邊坡形式，為了提高土地資源利用率，該類(lèi)邊坡優(yōu)先采用垂直支護(hù)形式。傳統(tǒng)支護(hù)形式主要有重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、樁板墻等，在原場(chǎng)地地質(zhì)條件差的情況下，傳統(tǒng)支護(hù)結(jié)構(gòu)面臨土體深層滑移穩(wěn)定性低、地基承載力不足、坡頂變形大等難題。

錨定板擋土墻是一種適用于填方邊坡的輕型支護(hù)結(jié)構(gòu)，具有結(jié)構(gòu)輕、柔性大、占地少、造價(jià)低的優(yōu)點(diǎn)，主要應(yīng)用在鐵路、港口、公路、壩體邊坡中[1-4]，但在建筑邊坡中使用較少。本文在傳統(tǒng)錨定板擋土墻的基礎(chǔ)上，提出一種適用于原始場(chǎng)地地質(zhì)條件差的樁承錨定板擋土墻，并分析了其計(jì)算設(shè)計(jì)要點(diǎn)，介紹了其在工程中的應(yīng)用，以期為工程實(shí)踐提供可能建議。

1 樁承錨定板擋土墻簡(jiǎn)介

樁承錨定板擋土墻是一種由下部樁和上部錨定板擋土墻組成的新型組合支護(hù)結(jié)構(gòu)（見(jiàn)圖1），分為樁、托梁、肋柱、錨定板、擋土板5部分。其工作機(jī)理是利用錨定板擋土墻保證坡腳以上土體穩(wěn)定性，利用樁作為上部結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，并保證坡腳以下深層土體的穩(wěn)定性，利用托梁連接錨定板擋土墻和樁，使之形成整體受力結(jié)構(gòu)。樁承錨定板擋土墻具有其獨(dú)特優(yōu)勢(shì)：

圖1 樁承錨定板擋土墻結(jié)構(gòu)及墻后土壓力示意圖

采用錨定板作為錨拉結(jié)構(gòu)，克服填土中錨桿（索）不宜使用的缺點(diǎn)，增強(qiáng)支護(hù)結(jié)構(gòu)的抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性，減小肋柱和樁身彎矩。

錨定板施加預(yù)應(yīng)力后能夠有效控制坡頂位移，減小填方邊坡變形引起的坡頂?shù)缆烦两怠?/p>

在坡腳土體軟弱的情況下，樁既可以解決坡腳土體地基承載力不足的問(wèn)題，也可以解決土體深層滑移失穩(wěn)的問(wèn)題。

2 樁承錨定板擋土墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 錨定板擋土墻后土壓力分布

樁承錨定板擋土墻的墻后土壓力由填土和坡頂?shù)孛婊钶d兩部分產(chǎn)生，由于拉桿、擋土板和錨定板的相互作用，其土壓力分布較復(fù)雜，大量試驗(yàn)表明土壓力呈拋物線(xiàn)分布，是庫(kù)侖土壓力的1.2～1.4倍，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假定錨定板擋土墻后的土壓力，上部0.5H內(nèi)呈三角形分布，下部0.5H內(nèi)為矩形分布（如圖1所示），且土壓力總和等于庫(kù)侖土壓力乘以增大系數(shù)。錨定板擋土墻上的土壓力計(jì)算公式如下：

式中：Ea表示庫(kù)侖主動(dòng)土壓力（kN）；表示水平土壓力（kPa）；為填土自重（kN/m3）；β為土壓力增大系數(shù)，取1.2～1.4；ka為庫(kù)侖主動(dòng)土壓力系數(shù)；H為錨定板擋墻墻高（m）。

坡頂?shù)孛婊钶d對(duì)錨定板擋土墻產(chǎn)生的附加土壓力，按照《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》附錄B的方法計(jì)算，結(jié)果不乘增大系數(shù)。

2.2 擋墻設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.2.1 肋柱設(shè)計(jì)。上部錨定板擋土墻可簡(jiǎn)化為平面結(jié)構(gòu)計(jì)算。肋柱簡(jiǎn)化為下端固支、上端懸挑的連續(xù)受彎梁，設(shè)計(jì)荷載取相鄰肋柱中心間的土壓力。由于填土的不均勻性及土體變形的復(fù)雜性，肋柱各支點(diǎn)變形量差別較大，拉桿對(duì)肋柱的約束可按彈性支承和剛性支承分別考慮，并按兩者計(jì)算所得的最不利內(nèi)力進(jìn)行肋柱截面設(shè)計(jì)。

2.2.2 錨定板及拉桿設(shè)計(jì)。錨定板一般采用方形鋼筋混凝土板，尺寸按照拉桿拉力設(shè)計(jì)值除以錨定板單位面積容許抗拔承載力確定。其容許抗拔承載力受埋深、填土特性、墻面變形等因素影響，力學(xué)機(jī)理較復(fù)雜，我國(guó)鐵科院、鐵三院和鐵四院根據(jù)試驗(yàn)分別給出了相應(yīng)的計(jì)算方法[5]，公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)中采用Meyerhof的理論解[6]，初步設(shè)計(jì)時(shí)，可采用前面四種方法計(jì)算的偏安全結(jié)果，但錨定板的實(shí)際抗拔承載力應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)抗拔試驗(yàn)確定。

拉桿應(yīng)滿(mǎn)足強(qiáng)度要求，宜采用延性較好的鋼筋或鋼絞線(xiàn)制作，并做好防腐處理，采用鋼筋拉桿時(shí)應(yīng)考慮2mm的銹蝕安全儲(chǔ)備，其長(zhǎng)度應(yīng)超出主動(dòng)破裂面不小于3.5倍錨定板邊長(zhǎng)。

2.2.3 樁設(shè)計(jì)。樁按照基樁模型和排樁模型分別計(jì)算，樁頂荷載為上部肋柱傳至樁頂?shù)妮S力、剪力、彎矩?；鶚赌Ｐ托枰獫M(mǎn)足樁的豎向承載力和水平承載力要求，排樁模型按照彈性支點(diǎn)法設(shè)計(jì)，需要滿(mǎn)足樁身抗彎承載力和抗剪承載力要求。

2.2.4 穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。樁承錨定板擋土墻的滑移穩(wěn)定性包含3層次的內(nèi)容，一是各層錨定板的抗滑移穩(wěn)定，采用折線(xiàn)滑面法分析；二是上部錨定板擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可采用西南交通大學(xué)提出的整體土墻法分析；三是以樁端支點(diǎn)為軸心的土體深層滑移穩(wěn)定，按照?qǐng)A弧滑動(dòng)條分法計(jì)算。在滑移穩(wěn)定滿(mǎn)足的前提下，結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定一般能夠滿(mǎn)足要求，可不進(jìn)行驗(yàn)算。

3 樁承錨定板擋土墻設(shè)計(jì)案例

某新建住宅小區(qū)，原始地面標(biāo)高69m，場(chǎng)地內(nèi)采用黏性土回填至設(shè)計(jì)標(biāo)高75m，坡腳為已建小區(qū)道路，坡頂為新建小區(qū)內(nèi)部5m寬道路，道路邊線(xiàn)距坡頂邊線(xiàn)2m。坡頂以下地質(zhì)情況為：素填土，厚6m，γ1=18kN/m3，c1=0kPa，Φ1=30°；雜填土，厚2.4m，γ2=18kN/m3，c2=10.5kPa，Φ2=11°；粉質(zhì)黏土，厚3.0m，γ3=19kN/m3，c3=17kPa，Φ3=20.9°；強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖，厚15m，γ4=22kN/m3，c4=30kPa，Φ4=28°。邊坡設(shè)計(jì)采用樁承錨定板擋土墻垂直支護(hù)，一柱一樁，樁徑D=900mm，間距2m，樁長(zhǎng)6m，以強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)粉砂巖為持力層，托梁1000mm×600mm，肋柱350mm×500mm，肋柱上設(shè)置3排錨定板，豎向間距1.5m，錨定板初定1m×1m×0.2m，混凝土采用C30，鋼筋選用HRB400（鋼筋符號(hào)用C表示）。

土體和墻背摩擦角取15°，破裂角取56.8°，以2m為計(jì)算單元，土壓力合力Ea=253.6kN。道路活荷載標(biāo)準(zhǔn)值取15kN/m2，附加土壓力qe=9.0kN/m，分布于墻頂以下3.5m至6m。

錨定板拉桿長(zhǎng)度，第一層取8m，第二層取6.5m，第三層取5m，拉桿初選4Φs15.2鋼絞線(xiàn)。

肋柱簡(jiǎn)化為下端固定的連續(xù)梁，其拉桿支座分兩種工況：工況1，按固定鉸支座考慮；工況2，按彈性鉸支座考慮。根據(jù)結(jié)構(gòu)力學(xué)方法計(jì)算得到兩種工況的肋柱內(nèi)力，如圖2、圖3所示，工況1肋柱上彎矩和剪力極值相對(duì)較均勻，工況2由于拉桿支座柔度大，對(duì)肋柱的約束弱，導(dǎo)致肋柱上彎矩、剪力分布類(lèi)似懸臂梁。工況2相比工況1，肋柱截面的最大內(nèi)力設(shè)計(jì)值要大得多。

圖2 工況1肋柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

圖3 工況2肋柱內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

肋柱按對(duì)稱(chēng)配筋考慮，取最不利內(nèi)力并考慮1.35的荷載分項(xiàng)系數(shù)，彎矩設(shè)計(jì)值398kN·m、剪力設(shè)計(jì)值247.5kN，正截面配筋6C25，斜截面配筋4C8@200。

樁分別按基樁和排樁考慮，并將肋柱底部?jī)?nèi)力施加在樁頂上，樁身最不利彎矩設(shè)計(jì)值858kN·m、剪力設(shè)計(jì)值337kN，縱筋配置22C20，螺旋箍筋選用C10@100/200，樁頂以下5倍樁徑范圍內(nèi)加密。

擋土板按多跨連續(xù)板計(jì)算，板厚取200mm，彎矩設(shè)計(jì)值為17.7kN·m，剪力設(shè)計(jì)值為50.9kN，雙層雙向配筋，水平方向：C10@180，豎直方向：C10@200。

托梁上部承受擋土板及肋柱自重標(biāo)準(zhǔn)值53kN/m，側(cè)面承受土壓力標(biāo)準(zhǔn)值49.7kN/m，簡(jiǎn)化為受樁支承的連續(xù)梁，經(jīng)計(jì)算按構(gòu)造配筋，正截面四側(cè)配筋4C20，箍筋配置雙向4C10@200。

錨定板容許抗拔承載力安全系數(shù)取2.0，按前述四種方法計(jì)算，由表1結(jié)果可看出，鐵三院方法和公路路基手冊(cè)推薦方法結(jié)果較接近，鐵科院方法和鐵四院方法結(jié)果較接近，但對(duì)于第一層淺埋錨定板，四種方法計(jì)算結(jié)果的相對(duì)差值較大。按表中計(jì)算結(jié)果的最小值進(jìn)行校核，第2、3層錨定板可以滿(mǎn)足要求，第1層錨定板尺寸應(yīng)適當(dāng)增大，改用1.3m×1.3m×0.2m。

表1 不同方法分析的錨定板容許承載力（kN）

錨定板按中心支承的受彎構(gòu)件計(jì)算，板面設(shè)計(jì)荷載為149.2kPa，設(shè)計(jì)彎矩為18.65kN·m，配筋采用雙層雙向C12@150。

錨定板滑移穩(wěn)定性計(jì)算時(shí)，上部活載近似按滿(mǎn)布考慮，等代土層厚度取0.83m，1到3層滑移安全系數(shù)分別為3.8、3.4、1.85，整體滑移安全系數(shù)為2.2，均大于1.8，滿(mǎn)足要求。

錨定板拉桿最大拉力為110.5kN，設(shè)計(jì)值取149.2kN，考慮防銹儲(chǔ)備1索錨索，按3φs15.2校核強(qiáng)度，拉桿抗拉安全系數(shù)最小為3.45，滿(mǎn)足強(qiáng)度要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文研究了一種適用于軟弱地質(zhì)條件下填方邊坡支護(hù)的樁承錨定板擋土結(jié)構(gòu)。肋柱設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先按照彈性支承考慮，內(nèi)力計(jì)算更加偏于安全；施工時(shí)可以對(duì)拉桿施加預(yù)應(yīng)力，并對(duì)錨定板前土體進(jìn)行預(yù)壓，增加支座剛度，從施工措施上降低肋柱截面彎矩；錨定板淺埋時(shí)，采用不同方法計(jì)算所得的容許抗拔承載力結(jié)果相差較大，實(shí)際承載力應(yīng)按現(xiàn)場(chǎng)荷載試驗(yàn)確定。