門架式樁板墻在路基邊坡中的設(shè)計及應(yīng)用

安寶平

（甘肅省交通規(guī)劃勘察設(shè)計院股份有限公司，蘭州730000）

1 引言

隨著基礎(chǔ)設(shè)施的迅速興建，邊坡的支擋措施也越來越靈活多樣。其中擋土墻是公路邊坡支護廣泛使用的一種支擋構(gòu)造物，不但可維持邊坡的穩(wěn)定，也可減少路基土石工程量與工程用地。常見的邊坡支護型式有重力式擋墻、扶壁式擋墻、懸臂式擋墻支護及樁板墻。本文以工程實例為例，運用MIDAS有限元軟件對門架式樁板墻進行模擬分析，論證了門架樁板墻的可行性，為以后類似的工程設(shè)計提供參考。

2 工程概況及地質(zhì)條件

2.1 工程簡介

某市政道路K1+020.5～K1+090 段路基以挖方形式通過，路基挖方深度10～12m。該段路基右側(cè)為18 層居民樓，路基右側(cè)邊緣距居民樓最小距離為14.5m，路基左側(cè)為回族清真大寺，路基左側(cè)邊緣距清真大寺距離為10m；若采用常規(guī)挖方坡率開挖路基將會大幅度侵占居民樓庭院，無足夠的放坡空間，且開挖過程中易引起路基破口外居民樓庭院及清真大寺沉降開裂，威脅居民的安全。

2.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)繪、鉆探揭露及室內(nèi)巖土土工試驗，地層按其時代及成因分類，在勘察深度范圍內(nèi)上覆地層為第四系全新統(tǒng)人工堆積填筑土、沖積黃土狀粉土、卵石及白堊系下統(tǒng)泥巖等地層。人工填筑土厚0.5～4.1m，層位變化大，工程性質(zhì)極差；沖積黃土狀粉土厚度2.4～4.6m，層位穩(wěn)定，工程性質(zhì)一般；沖積卵石層厚9.2～11.4m，層位穩(wěn)定，厚度較大，中密～密實，工程性能較好；下覆白堊系下統(tǒng)河口群泥巖，基巖面起伏變化較大，強風(fēng)化厚度1.2～2.0m 不等，層位穩(wěn)定，工程性質(zhì)較好，為較好的地基持力層。

3 支護方案比選

K1+020.5～K1+090 段挖方邊坡支護屬永久性邊坡支護，設(shè)計前期分別采用重力式擋土墻、預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻及門架式樁板墻3 個方案進行必選論證。

1）重力式擋土墻：靠自重維持平衡，形式簡單，施工簡便，使用范圍廣；當擋土墻設(shè)置高度較大時，為保證墻身的抗彎能力及墻體穩(wěn)定性，墻身截面尺寸及結(jié)構(gòu)占地面積較大且墻高不宜超過12m。考慮到擋土墻埋深，該段落若采用重力式擋土墻，部分段落墻高超過12m，墻體截面尺寸較大；同時該段落路基左右側(cè)距既有建筑物水平距離較近，傳統(tǒng)的重力式擋土墻施工時需開挖臨時基坑，無施工條件。

2）預(yù)應(yīng)力錨索樁板墻：由鋼筋混凝土抗滑樁、擋土板和預(yù)應(yīng)力錨索組成的支擋結(jié)構(gòu)物。邊坡的土壓力及水壓力由抗滑樁及錨固在穩(wěn)定土層中的錨索拉力來支撐平衡。相比傳統(tǒng)的重力式擋土墻其施工占地少，基礎(chǔ)開挖面積小，便于施工，樁頂水平位移小。本工程右側(cè)18 層居民樓采用樁基礎(chǔ)，預(yù)應(yīng)力錨索鉆孔時易打穿居民樓樁基礎(chǔ)，施工風(fēng)險較大。

3）門架式樁板墻：考慮本工程邊坡支護的特殊性與重要性，為減少樁板墻樁頂水平位移，優(yōu)化結(jié)構(gòu)構(gòu)件受力，創(chuàng)新性地在傳統(tǒng)樁板墻樁頂增設(shè)鋼管橫撐，將傳統(tǒng)的懸臂式樁板墻優(yōu)化成門架式樁板墻，增強結(jié)構(gòu)整體受力穩(wěn)定性，并有效地控制樁頂水平位移。

4 門架式樁板墻結(jié)構(gòu)分析

4.1 計算荷載及組合

計算荷載包括地面超載、填土重力、填土側(cè)壓力、墻頂有效永久荷載、車輛及人群荷載引起的土側(cè)壓力、地震作用等。按JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》[1]附錄H 的規(guī)定進行荷載基本組合、長期組合和偶然組合，各種荷載組合系數(shù)根據(jù)JTG D30—2015《公路路基設(shè)計規(guī)范》中的有關(guān)規(guī)定進行取值。

4.2 有限元模型分析

結(jié)合墻后土壓力分布及考慮到施工可行，最終確定門架型樁板墻樁基采用1.8m 的C30 鋼筋混凝土圓形灌注樁，樁間距4m，上部撐桿采用外徑90cm 的鋼管混凝土。根據(jù)門架式樁板墻結(jié)構(gòu)的特點，選取門架式擋土墻標準單元格利用MIDAS 有限元軟件建立空間模型進行整體計算，結(jié)構(gòu)單元采用梁單元模擬。

4.3 靜力分析

本門架式樁板墻右側(cè)為高層居民樓，左側(cè)為清真大寺，對周圍環(huán)境有嚴格要求，除對支擋結(jié)構(gòu)的承載力與整體穩(wěn)定進行驗算外，應(yīng)對結(jié)構(gòu)的變形進行計算。根據(jù)計算結(jié)果，樁身最大變形為2.5cm，撐桿最大變形上撓0.6cm，樁頂最大水平變形0.6cm。

5 門架式樁板墻的設(shè)計及應(yīng)用

本段挖方路基地層上覆黃土狀粉土，中部為卵石夾層，下部為白堊系下統(tǒng)河口群泥巖。為減少施工風(fēng)險，加快施工進度，本段樁板墻樁基設(shè)計為圓樁，采用機械挖孔，樁頂設(shè)置縱向冠梁連接，路基兩側(cè)樁基對稱布設(shè)，每隔一樁設(shè)置φ90cm 鋼管混凝土橫撐連接路基兩側(cè)樁基[2]。根據(jù)結(jié)構(gòu)計算，樁基直徑為1.8m，截面為圓形，樁中心間距為4.0m，樁長20m，樁身采用現(xiàn)澆C30 混凝土。樁頂冠梁為1.8m×1.5m 矩形截面，鋼管橫撐采用直徑90cm，厚度8mm 高強度鋼管，橫撐鋼管采用法蘭盤與樁基連接。樁間土采用擋土板支擋，擋土板采用C30 混凝土現(xiàn)澆，板厚0.5m，每塊擋土板高度1.5m，長度1.27～2.27m。擋土板設(shè)置于樁基中部，待樁體形成強度后，分段分節(jié)開挖樁間土體，每向下開挖150cm 現(xiàn)澆一節(jié)擋土板。樁板墻設(shè)置路段為城市路段，為美化路容，樁基外表面與擋土板之間空間采用C20 混凝土澆筑，澆筑混凝土?xí)r采用鋼模板立模施工，確保外表面平整美觀。門架式樁板墻設(shè)計圖如圖1 所示。

圖1 門架式樁板墻設(shè)計圖

結(jié)合MIDAS 建立空間模型分析計算結(jié)果，樁基為偏心受壓構(gòu)件，圓形偏心受壓構(gòu)件進行正截面承載力計算，配置出縱向受力主筋；同時對圓形偏心受壓構(gòu)件進行裂縫寬度驗算[3，4]。由于樁基所受剪力較大，將圓形截面等效為矩形截面進行斜截面受剪承載力計算，配置出受剪螺旋筋。鋼管混凝土撐桿，按單肢鋼管混凝土構(gòu)件在復(fù)雜應(yīng)力狀態(tài)下承載力計算。

6 結(jié)語

門架式樁板墻創(chuàng)新性地在傳統(tǒng)樁板墻頂部鋼管橫撐，充分發(fā)揮樁板墻設(shè)置高度優(yōu)勢，又提高了結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，同時減小了結(jié)構(gòu)的樁頂位移[5]。該支擋結(jié)構(gòu)受力合理、施工簡便，大大縮小了施工過程中的臨時基坑開挖范圍，減少工程占地，工程效果良好，在施工場地受限的地段優(yōu)勢明顯，可推廣應(yīng)用。