樁板墻加固路塹邊坡的應用及方案優化

葉婷婷

（廣州市市政工程設計研究總院 廣東廣州 510060）

1 引言

樁板墻是指采用抗滑樁支護，在相鄰兩樁之間掛板或搭板阻擋樁間松散土體的輕型支護結構，近年來被廣泛用于道路改擴建、山體滑塌治理和特殊建（構）筑物保護工程。與重力式擋土墻、預應力錨索（桿）和土釘墻等其他支護措施相比，具有結構耐久性好、加固可靠性高、節約用地等特點。樁板墻主要由抗滑樁和擋土墻兩部分組成，抗滑樁是主要受力結構，承受墻后坡體的主動土壓力，擋土墻支擋樁間松散土體，并將樁間土體對其土壓力傳遞到抗滑樁懸臂段，與其共同作用將土壓力傳遞至抗滑樁錨固段樁周的穩定土層，發揮阻滑加固作用。國內對樁板墻的研究主要集中在墻后土壓力荷載作用及其傳遞特性，樁間距的合理取值等。張永興[1]通過現場試驗，研究合理樁間距條件下土拱效應的三維作用規律，探討樁間土沿高度方向直接土拱和摩擦土拱的作用程度及范圍。黃治云結[2]合現場與室內模型試驗分析樁板墻背側土拱效應與土壓力傳遞特性之間的關系。文獻[3～4]基于合理拱軸線的假定，建立了抗滑樁樁間土拱結構與樁間距的力學關系，分析了合理樁間距的取值。本文借鑒現有理論及科研成果，應用于廣州某路塹高邊坡設計，有效控制了工程施工及運營過程中的滑塌風險，為樁板墻加固既有路塹高邊坡設計提供參考。

2 工程概況

廣州市某路塹邊坡全長395m，最大坡高30.4m，邊坡坡腳臨近高速公路，坡頂局部范圍有學校建筑物，建筑物離坡頂邊線最小距離20m。為適應地區規劃建設，提升現有高速公路通行能力，對道路進行改造擴建。邊坡位于路面拓寬段，需后移現狀路塹坡腳。受用地限制，場地無自然放坡條件，坡腳加固方案若采用重力式擋土墻，結合坡面與規劃道路邊線，滿足設計要求的擋土墻高度達8m。施工過程中，坡腳裸露開挖易導致局部塌方，影響公路運營安全，甚至引發坡頂學校建筑傾斜、沉降。為降低施工及運營過程邊坡滑塌風險，在學校范圍采用樁板墻方案。

3 地質條件

根據地質勘察以及鉆孔資料，現狀邊坡坡體頂部為粉質粘土，厚度約4m，中部以全、強花崗巖為主，厚度約9.5m，坡腳深度約6.5m以下為中、微風化花崗巖，各巖土層物理力學參數詳見表1。

表1 巖土物理力學參數表

4 抗滑樁方案設計及優化

4.1 方案設計

樁板墻加固段邊坡為2級邊坡，最大高度14.8m，改造擴建后的最大高度15.7m。抗滑樁采用鉆孔灌注樁，樁位沿擴建道路邊線布置，支護高度4～6.7m，嵌固深度4～5.5m。樁身材料與冠梁均采用C30混凝土，擋土板采用C25掛網噴射混凝土。

根據場區工程地質條件，設計不同抗滑樁樁徑及間距的三種方案進行比選。①方案一：φ1.2m間距2m；②方案二：φ1.5m間距2m；③方案三：φ1.5m間距2.5m。

4.2 模型建立

作用于抗滑樁的荷載包括滑坡推力、樁前滑體抗力和錨固段地層抗力。由于坡頂學校建筑離坡頂最小距離20m，大于支護高度，根據《建筑基坑工程技術規范》，可不考慮基礎底附加應力對支護結構的影響。同時，參考《建筑邊坡工程技術規范》側向巖土壓力取主動土壓力。墻后荷載分別按滑坡推力和庫倫土壓力計算建立結構-荷載模型，取最不利工況確定設計參數，其中滑坡推力采用傳遞系數法計算確定。樁身內力計算采用m法，如圖2所示。

圖1 邊坡支護橫斷面圖（單位：m）

圖2 彈性方法計算模型簡圖

p=kΔ

k=ahn

式中：

p——錨固段以下土體抗力/kPa；

K——彈性抗力系數；

Δ——錨固點以下樁體位移/m；

a、n——計算系數，分別取n=1，a=m；

h——錨固點以下任意點到錨固點的豎向距離/m。

4.3 方案優化

取最不利斷面，分別驗算方案一～方案三，并估算工程造價。計算結果如表2所示。

表2 抗滑樁支護方案結構計算結果

圖3 內力及位移包絡圖（以方案三為例）

計算斷面支護高度6.7m，嵌固深度5.5m，經計算，三個方案均滿足設計要求。在樁板墻支護中，抗滑樁為懸臂結構，主要承受側向水平巖土壓力，因此，支護方案主要考慮樁頂水平位移及樁身抗剪能力。對比結果可知，樁徑增大，抗彎剛度增加，有效控制樁頂水平位移。同時，樁徑加大能有利于增強截面抗剪能力。估算三個方案的工程造價，方案二最高，方案一和方案三相近，綜合考慮結構受力計算，選擇方案三能取得更好的支護效果。綜上分析，在滿足設計要求的前提下，采用大直徑大間距的抗滑樁能有效降低工程造價并取得較好的支護效果。

5 擋土墻設計

5.1 水平卸荷拱理論

樁間擋土墻的土壓力常見有兩種計算模式：①當擋土墻的剛度較大，能夠直接承受墻后土壓力，或者擋土墻置于錨固樁之后，作用于擋土板上的土壓力計算及分布按照庫倫主動土壓力理論；②當擋土墻在樁板墻體系中，其剛度遠小于抗滑樁，樁間由于土體內部土拱效應的作用形成水平卸荷拱，擋土墻主要承受樁間卸荷拱的土壓力。本工程中擋土墻設計按第二種計算模式。

5.2 結構計算

樁板墻采用先柱后墻的施工順序，擋土墻按柔性構件設計，厚度0.2m。擋土墻材料采用C25掛網噴射混凝土，豎向沿抗滑樁懸臂高度布置。擋土板計算按兩端固定的多跨連續墻梁進行驗算，其中計算跨徑L為懸臂抗滑樁的凈距，土壓力計算根據文獻[5]提供的卸荷拱土壓力計算公式，得到擋土板的跨中最大彎矩M1=qL2/24，支座處最大彎矩M2=qL2/12。根據擋土板的最大彎矩值進行配筋驗算，截面滿足承載能力設計及正常使用極限狀態設計要求。

6 結論

本工程采用樁板墻對高速公路路塹邊坡坡腳進行加固，并對三個加固方案進行結構和穩定性計算，計算表明，在滿足設計要求的前提下，采用大直徑大間距的抗滑樁能有效降低工程造價并取得較好的支護效果。通過方案比選，確定最終優化方案，并應用水平卸荷拱理論復核樁間擋土墻的結構設計。樁板墻加固設計方案有效的降低了施工及運營過程中可能產生的滑塌風險，對坡頂學校建構筑起到良好的保護作用，對同類型的路基改造擴建工程提供參考。

[1]張永興，董捷，黃治云.合理間距條件懸臂式抗滑樁三維土拱效應試驗研究[J].巖土力學與工程學報，2009，31（12）：1874～1881.

[2]黃治云，張永興，董捷.樁板墻土拱效應及土壓力傳遞特性試驗研究[J].巖土力學，2013.

[3]賈海莉，王成華，李江洪.基于土拱效應的抗滑樁與護壁樁的樁間距分析[J].工程地質學報，2004，12（1）：98～103.

[4]李邵軍，陳靜，練操.邊坡樁-土相互作用的土拱力學模型與樁間距問題[J].巖土力學，2010，31（5）：1352～1358.

[5]葉曉明.柱板結構擋土墻上的土壓力計算方法[J].地下空間，1999，19（2）：142～146.