謝瑾榮，劉可

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計(jì)院有限公司, 廣東 廣州 510230; 2.中交城市投資(寧波)有限公司)

門(mén)架式樁板墻是一種直立式邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)，在變形控制要求高且無(wú)法設(shè)置內(nèi)外支撐的條件下應(yīng)用較多，該結(jié)構(gòu)整體截面慣性距較大，抗彎能力強(qiáng)，支護(hù)效果好。為便于計(jì)算，門(mén)架式樁板墻的前后樁常采用等間距形式布置，如矩形或梅花形。而為了最大限度減少工程量，節(jié)約工程造價(jià)，前排樁和后排樁各自的水平間距應(yīng)可以不相等設(shè)置，如前后排樁采用T字形布置，但是，T字形布置的雙排樁門(mén)架式結(jié)構(gòu)的空間體系受力計(jì)算則較為復(fù)雜。錢同輝等將雙排門(mén)架式抗滑樁視為單層多跨框架結(jié)構(gòu)，提出了樁梁土空間協(xié)同作用下的雙排門(mén)架式抗滑樁受力空間模型，計(jì)算較為繁瑣；李寶田等通過(guò)有限元法計(jì)算得到了排架樁的位移、彎矩、剪力等力學(xué)指標(biāo)；趙波等采用有限差分軟件對(duì)雙排樁的樁土空間效應(yīng)進(jìn)行了模擬。上述數(shù)值分析法建模工作量大，耗時(shí)較長(zhǎng)，且不易求解。而工程人員在設(shè)計(jì)中需要一種既安全又高效的計(jì)算方法。

該文以廣東省湛江市某路塹邊坡支護(hù)工程為例，針對(duì)雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)提出簡(jiǎn)化分析計(jì)算法。

1 雙排不等距樁板墻受力機(jī)制分析

雙排不等距圓截面樁板墻是由前排支護(hù)樁、后排錨固樁、前排樁頂冠梁、前后樁系梁以及擋土板組成。前樁通過(guò)冠梁連接形成整體支護(hù)能力，后樁通過(guò)系梁與前樁冠梁連接，整體呈T字形分布，是具有整體抗彎能力的空間超靜定結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 雙排不等距圓截面樁板墻

對(duì)土壓力作用下該結(jié)構(gòu)的受力機(jī)制進(jìn)行分析：

(1)該結(jié)構(gòu)前后排樁呈T字形分布，后樁與其相鄰的前樁及其連接的系梁構(gòu)成了平面剛架結(jié)構(gòu)。

(2)相鄰剛架之間為1個(gè)受荷單元，滑動(dòng)面范圍內(nèi)土壓力荷載作用在前排樁和擋土板上，擋土板又將荷載傳遞至相鄰前排樁，前排樁憑借抗彎能力、嵌固作用、支反力等抵抗單元范圍內(nèi)的主動(dòng)土壓力。

(3)在冠梁的作用下，前排樁形成了受力整體共同抵抗土壓力作用，部分土壓力荷載在結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形趨勢(shì)后傳遞至平面剛架處。

(4)平面剛架處的后樁對(duì)前樁具有“錨拉”作用，抗彎能力遠(yuǎn)大于單樁結(jié)構(gòu)，對(duì)整體結(jié)構(gòu)的位移變形起到控制作用，平面剛架處可視為前排樁結(jié)構(gòu)的支點(diǎn)。

(5)平面剛架除分擔(dān)部分前排樁荷載外，還需抵抗自身范圍內(nèi)的土壓力，在該土壓力作用下平面剛架結(jié)構(gòu)發(fā)生位移和變形，因此，該支點(diǎn)實(shí)為彈性活動(dòng)支點(diǎn)。該彈性活動(dòng)支點(diǎn)與前排樁相互變形協(xié)調(diào)，空間內(nèi)力再分配。

2 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化分析與計(jì)算

周翠英等將前后排樁及中間連系梁和樁間土視為整體，將前、后排樁受到的巖土體抗力簡(jiǎn)化為彈性支承，提出了樁土作用計(jì)算模型，該研究為此次簡(jiǎn)化計(jì)算提供了理論依據(jù)。該文將雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)視為彈性支座下的樁板墻結(jié)構(gòu)模型(圖2)，將該模型簡(jiǎn)化分解為單支點(diǎn)樁板結(jié)構(gòu)模型與平面剛架結(jié)構(gòu)模型的線性組合。

圖2 雙排不等距樁板墻簡(jiǎn)化分析模型

采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點(diǎn)法分別計(jì)算得到土壓力作用時(shí)單支點(diǎn)樁板結(jié)構(gòu)響應(yīng)與平面剛架結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將兩種響應(yīng)線性疊加得到簡(jiǎn)化模型的空間位移響應(yīng)(圖3)。

圖3 固定支座下樁板結(jié)構(gòu)模型與門(mén)架結(jié)構(gòu)模型

假定樁前土符合Winkler彈性地基梁理論，單支點(diǎn)樁板結(jié)構(gòu)支點(diǎn)剛度為無(wú)限大。采用彈性支點(diǎn)法計(jì)算得樁板結(jié)構(gòu)前樁水平位移V0；剛架結(jié)構(gòu)根據(jù)余志成提出的雙排樁計(jì)算公式，將其視為底端嵌固的平面剛架結(jié)構(gòu)模型，樁身土壓力分布與懸臂高度、樁排距有關(guān)，計(jì)算得前樁水平位移V1。疊加得雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)的前樁水平位移：V=V0+V1。

3 實(shí)例應(yīng)用

3.1 工程概況

實(shí)例工程位于湛江市經(jīng)濟(jì)技術(shù)開(kāi)發(fā)區(qū)，道路按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，紅線寬度28 m，其中K0+520～K0+645段左側(cè)路塹邊坡總高5～9 m，為土質(zhì)邊坡，坡后為山體公園，植被茂盛。距道路邊線9 m處有佛塔1座，位于邊坡開(kāi)挖范圍內(nèi)。經(jīng)各方磋商，該佛塔不得拆除，且山體公園內(nèi)植被不得破壞，因此該路段邊坡須采用直立式支護(hù)方案。

勘察資料顯示，場(chǎng)地揭露的地層為第四系下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相沉積層，自上至下分布為：黏土1:灰黃色，濕，可塑，黏性一般，層厚7.0～8.0 m；黏土2：灰色，濕，可塑，黏性較好，層厚13.5～18.0 m。其巖土參數(shù)如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)表

3.2 邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)

邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)從經(jīng)濟(jì)性、安全性和適用性三方面考慮，此次擬定了矩形截面樁板墻、圓截面樁板墻+錨索支護(hù)、門(mén)架式樁板墻、雙排不等距圓截面樁板墻共4個(gè)直立式支護(hù)方案，對(duì)以上方案進(jìn)行綜合評(píng)價(jià)分析，結(jié)果如表2所示。

表2 支護(hù)方案選型

該工程瀕臨海邊，地下水發(fā)育，采用人工挖孔施工風(fēng)險(xiǎn)和難度偏大，施工進(jìn)度不滿足要求，因此支護(hù)樁采用機(jī)械成孔的圓截面鉆孔灌注樁。實(shí)例邊坡屬于土質(zhì)邊坡，黏土層深厚，樁前被動(dòng)區(qū)土體抗力有限，如采用單排懸臂樁板墻方案，懸臂端頂部最大水平位移計(jì)算值已達(dá)82 mm，超出規(guī)范30 mm的限值要求，須輔以錨索支撐，而錨索在該地層中其錨固體摩擦力發(fā)揮效果欠佳，且遠(yuǎn)期預(yù)應(yīng)力損失較大，不適宜作為永久性邊坡支護(hù)方案。若采用門(mén)架式樁板墻方案，其抗彎剛度大，支護(hù)效果明顯，但前后樁等距設(shè)置工程量較大，總工期較長(zhǎng)，經(jīng)濟(jì)性一般。綜上分析，采用雙排圓截面樁板墻且前后樁不等距設(shè)置為最合理方案。

設(shè)計(jì)方案前樁水平間距采用2.5 m，懸挑比按1∶2控制，后排樁水平間距10 m，前后樁排距5 m，同深度設(shè)置，方案平面、立面布置見(jiàn)圖4。前樁頂部設(shè)置高1 m、寬2.5 m冠梁，系梁截面與冠梁相同，樁梁材料均采用C35 鋼筋混凝土。

圖4 雙排不等距圓截面樁板墻方案平面、立面布置(單位：m)

3.3 計(jì)算結(jié)果分析

簡(jiǎn)化法分析采用理正巖土系列軟件計(jì)算得到土壓力作用時(shí)固定支座下的樁板結(jié)構(gòu)位移與門(mén)架結(jié)構(gòu)位移，二者相疊加得到雙排不等距樁板墻的樁身位移響應(yīng)。為對(duì)照分析，采用Midas GTS三維有限元軟件計(jì)算得到有限元解，并選取Z31、Z33、Z35、Z37、Z39、Z41、Z43、Z45共8個(gè)支護(hù)樁作為樁身位移實(shí)際監(jiān)測(cè)點(diǎn)。將以上觀測(cè)點(diǎn)的樁頂水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 樁頂水平位移計(jì)算值與實(shí)測(cè)值對(duì)比

從圖5可看出：簡(jiǎn)化法計(jì)算結(jié)果與有限元法及實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)基本符合。前樁的水平位移分布呈鋸齒形，簡(jiǎn)化法計(jì)算所得樁頂最大水平位移為15.4 mm，發(fā)生在Z31樁，其樁頂實(shí)測(cè)水平位移為13.2 mm，遠(yuǎn)小于單排懸臂樁的樁頂最大水平位移82 mm，滿足規(guī)范要求，后樁對(duì)前樁起到了明顯的“錨拉”作用，支護(hù)結(jié)構(gòu)整體具有較大的抗彎能力。

提取Z31樁身水平位移(圖6)可知，樁身最大水平位移為18.8 mm，約為單排懸臂樁的最大水平位移的25%。簡(jiǎn)化法與實(shí)測(cè)值最大誤差為3.2 mm，有限元法與實(shí)測(cè)值最大誤差為1.7 mm，簡(jiǎn)化法、有限元法分析結(jié)果與實(shí)測(cè)值平均誤差率分別為19%、11%，有限元法計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值較為接近，這是由于有限元法對(duì)樁土體的變形協(xié)調(diào)和三維空間效應(yīng)計(jì)算更加精確。然而，簡(jiǎn)化分析法無(wú)需建立復(fù)雜的三維有限元模型，計(jì)算更為快捷，誤差精度滿足巖土工程設(shè)計(jì)要求，且結(jié)果偏于安全。

圖6 Z31樁身水平位移

4 結(jié)論

(1)該文將雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)視為彈性支座下的樁板墻結(jié)構(gòu)模型，并將結(jié)構(gòu)響應(yīng)簡(jiǎn)化為單支點(diǎn)樁板結(jié)構(gòu)與平面剛架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)疊加，實(shí)例應(yīng)用表明簡(jiǎn)化計(jì)算思路較有限元法更安全高效。

(2)雙排不等距圓截面樁板墻依靠自身結(jié)構(gòu)的空間性抵抗土側(cè)壓力或滑坡推力，其樁身位移小，抵抗力大，且適用性強(qiáng)，安全風(fēng)險(xiǎn)小,其前后樁水平間距可靈活設(shè)置，是一種值得推廣的直立式路塹邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)。