衡重式樁板擋墻的應用與研究

劉永春，王石磊

(中國鐵道科學研究院 深圳研究設計院，廣東 深圳 518034)

1 衡重式樁板擋墻簡介

衡重式樁板擋墻作為一種新型擋墻，首次應用于深圳地區邊坡工程，結構形式及使用效果如圖1所示［1］。該擋墻結合了衡重式擋墻和樁板擋墻的優點，結構形式新穎，發揮了樁板擋墻直立護坡有效利用土地、開挖空間小、卸荷板結構安全可靠、耐久性好等特點。

圖1 衡重式樁板擋墻結構形式及使用效果

帶衡重臺的擋土墻，稱為衡重式擋土墻，其主要穩定條件仍憑借于墻身自重，但由于衡重臺上填土的重量使全墻重心后移，增加了墻身的抗傾覆穩定性。衡重式擋土墻一般用于6 m以下的邊坡，但由于其基底面積較小，對地基承載力要求較高，一般設置在堅實的地基上［4］。

帶卸荷板的重力式擋墻很早即應用于碼頭工程中［6］，設計人員考慮了卸荷板對下墻的減壓作用，能對下墻土壓力起到遮簾作用，發揮卸荷的作用，但不考慮卸荷板對墻身產生的彎矩，故不影響下墻的彎矩分布，因而卸荷板的效果不能完全發揮。

衡重式樁板擋墻利用衡重臺的卸荷作用，減小了卸荷板下墻的土壓力，與下墻整體澆筑的卸荷板對肋柱提供一個與土壓力作用相反的彎矩，改變下部擋墻的彎矩分布，優化了擋墻的內力分布。

卸荷板下的土壓力分布情況較復雜，在卸荷板剛度較大的情況下，卸荷板變形較小，板上土壓力不能傳到板下，卸荷板下部擋墻相當于在卸荷板寬度B外側作用有均布荷載的擋墻，采用局部荷載作用下墻背的土壓力分布形式，如圖2所示。墻后土壓力在 c點處突變，一直影響到深度d處。圖2中的θ角在文獻［2］中取(45°+φ/2)，在文獻［5］中則從工程經驗與計算簡易性考慮取45°。

圖2 填土表面有局部荷載作用下土壓力分布

2 工程應用

2.1 工程概況

深圳地區的地勢東南高、西北低，屬于丘陵、臺地地貌，市內有眾多的住宅小區邊坡支擋結構。擬建的深圳地鐵三號線運營配套公寓與培訓基地邊坡支擋工程位于龍崗區橫崗街道，場地北側邊坡高差約10 m，為了充分利用建筑紅線內土地，北側邊坡采用直立式擋墻。

2.2 場地工程地質條件

場地原始地貌單元為谷地，現狀地表為填土。地層從上到下性質及參數見表1。

表1 地層參數

本工程設計中，為了減小墻后土壓力，降低墻身的內力，墻后填料選用粗砂石料［2］，材料的重度 γ=18 kN/m3，材料內摩擦角 φ=36°。結構布置斷面形式如圖3所示。墻后土壓力計算中采用砂石料的土工參數，整體穩定性計算中采用原位地層土工參數。

圖3 現場擋墻布置示意

2.3 結構選型

抗滑樁采用人工挖孔樁，擬定樁徑為1.4 m，樁距2.4 m。

上墻的彎矩較小，初定上墻高h1=4.0 m。下墻高h2=6.0 m，由肋柱承擔彎矩，肋柱內側設有擋土板，按水平單向板計算。卸荷板寬度 B=3.5 m，厚度0.5 m，按水平單向板計算。

冠梁截面0.8 m×1.5 m(高×寬)，冠梁頂面與地面平齊。

樁長取H=7.0 m。

擋墻尺寸參數依據經驗取值，通過建立模型計算后可進行一定程度的優化。

擋墻為鋼筋混凝土結構，計算參數參考勘察資料及設計規范。

2.4 結構計算

2.4.1 土壓力計算

衡重式樁板擋墻的上墻水平土壓力采用朗肯主動土壓力，卸荷板上豎向土壓力為填土自重加地面荷載P。

下墻水平土壓力考慮卸荷板的卸荷作用，對下墻而言視為卸荷板右側作用均布荷載，采用填土表面有均布荷載的土壓力計算方法［3］，此處應力擴散角采用較為常用的45°［5］。地面均布荷載取 P=20 kPa。荷載及節點彎矩如圖4所示。其中:E1為上墻水平土壓力，E2為卸荷板下土體對下墻水平土壓力，E3為卸荷板右側土體對下墻土壓力，E4為卸荷板上豎向土壓力;M1u、M1r、M1d分別為卸荷板端部點 1處擋墻上側、右側、下側的彎矩，M2u為肋柱與冠梁交點2處擋墻上側彎矩;h′2為卸荷深度。

圖4 衡重式樁板擋墻荷載及節點彎矩

各項土壓力的計算

式中，Ka為主動土壓力系數。

2.4.2 擋墻節點的彎矩計算

上下墻連接點1和冠梁頂點2處(圖4)彎矩的計算

2.4.3 采用sap2000計算結構內力

樁前抗力采用彈性地基梁m法

其中，φ、c分別為土層的固結不排水剪的內摩擦角和黏聚力標準值;Δ為基坑底面位移量(mm)，無經驗值時，一般取10 mm。經計算粉質黏土中 m取12 000 kN/m4，而全風化凝灰巖的m值可根據地質勘察報告取30 000 kN/m4。

衡重式樁板擋墻為新型支擋結構，現有的有限元軟件如中國建筑科學研究院基坑與邊坡支護結構設計軟件及理正巖土設計軟件均無法考慮卸荷板的作用，本次設計采用sap2000結構有限元軟件計算，對結構施加已知荷載來計算結構內力，計算模型如圖 5(a)，結構彎矩如圖5(b)。

圖5 sap2000計算擋墻荷載分布及彎矩

2.4.4 采用G-slope計算擋墻整體穩定性

計算結構的整體穩定性，現有的基坑及邊坡軟件無法考慮卸荷板的增穩作用，現采用G-slope計算結構整體穩定性，土層參數取用地層原狀土體參數，計算整體穩定系數為1.8，滿足規范要求，結果如圖6所示。

圖6 擋墻整體穩定計算結果

3 影響因素分析

施工工序如下:放坡開挖→施工人工挖孔樁→施工冠梁→整體澆筑肋柱及擋土板→整體澆筑卸荷板及上部擋墻。

3.1 考慮施工工況的影響

當填土到卸荷板下，施工卸荷板和上部擋墻時，驗算如下:

當肋柱和擋土板澆筑，墻后回填到卸荷板下表面時，擋墻為懸臂狀態，為不利工況，應驗算擋墻肋柱的彎矩是否滿足結構設計抗彎強度。此時不考慮地表附加荷載，墻后土壓力為

冠梁頂部2點上側彎矩為

擋墻要滿足施工工況和正常使用狀態的強度要求，須有

經計算，結構設計滿足此項要求。

3.2 考慮外荷載P的影響

外荷載P為可變荷載，設計時按照20 kPa計算。P對結構的上墻和卸荷板為不利荷載，增加了這部分的內力。對于卸荷板下墻體，荷載P對冠梁頂部2點處產生的正彎矩和負彎矩分別為

經過驗算，得

可見，本工程中外荷載P對擋墻下部結構產生的負彎矩大于正彎矩，為不利荷載。

4 結語

衡重式樁板擋墻作為直立式支擋結構，克服了錨拉式樁板擋墻對墻后錨索施工空間要求高、錨索長期工作的應力松弛及錨索防腐等問題，在城市空間愈發狹小的情況下，有很大的應用價值。設計中不僅要按照正常使用狀態驗算結構強度，而且要考慮施工工況，校核不利工況下的結構強度。它作為一種新型的支擋結構，其受力及變形情況還沒有成熟的計算方法，本文所采用的只是衡重式擋墻和樁板擋墻計算方法的簡單疊加，墻后土壓力的分布沒有考慮擋墻位移的影響，也沒有考慮墻土相互作用對結構內力的影響。衡重式樁板擋墻受力及變形特征有待試驗驗證。

［1］劉國楠.深圳地鐵三號線運營配套公寓與培訓基地邊坡支擋工程［Z］.深圳:中國鐵道科學研究院深圳研究設計院，2009.

［2］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學［M］.北京:清華大學出版社，1994.

［3］楊位洸，地基及基礎(第三版)［M］.北京:中國建筑工業出版社，1988.

［4］尉希成，周美玲.支擋結構設計手冊(第二版)［M］.北京:中國建筑工業出版社，2004.

［5］GEORGIADIS M，ANAGNOSTOPOULOS C.Lateral Pressure On Sheet Pile Wall Due To Strip Load［J］.Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering，1998(1):95-98.

［6］孫經龍.帶卸荷板空心方塊碼頭設計中若干問題探討［J］.水運工程，1981(7):33-34.