樁板式擋土墻設計中的樁形選擇問題分析

劉國軍，王超俊

(廣西交通科學研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著城市化進程的不斷推進，城市發展將向地形、地質等建設條件更加復雜的區域挺進。在這些地方，一方面要面臨更大的地形起伏和更為嚴酷的地質條件，另一方面是現有城市周邊的待開發區域，經過多年不斷發展，其建筑物分布也更為密集，都在一定程度上增加了防護工程設置的數量，增加相應的費用，使得防護問題也變得更加突出。

樁板式擋土墻是道路工程中常見的防護形式，采用鋼筋混凝土樁體作為主要承載構件，樁間設置擋土板，利用擋土板支撐墻后填土，并通過擋土板將荷載傳遞至樁身的支擋結構。樁體就是樁板式擋土墻主要受力構件和結構設計重點。本文結合工程案例，對樁板式擋土墻設計中樁形選擇問題進行分析。

1 工程概況

1.1 項目基本情況

本項目為市政道路，道路設計為城市主干道，路寬44 m。項目周邊地貌類型為構造-剝蝕類型的低丘陵地形。地形上表現為山脊不明顯，為波狀起伏，局部也有分水嶺，山坡凸起，坡度平緩。

在K0+300～K0+510段道路右側，存在高度5～7 m高挖方邊坡，邊坡上方有居民小區。

1.2 項目地質概況

項目沿線地質情況：表層0～6 m人工填土，6～10 m全風化粉砂巖，以下為強風化粉砂巖，鉆孔進入強風化層4 m，未鉆穿。

1層第四系全新統填筑層填土(Q4ml)：紅褐色、黃褐色，稍濕，以黏性土為主，土質不均，干強度低，韌性差，密實性差，基本呈松散～稍密狀態，為欠固結土。標準貫入試驗擊數為7～16擊，平均值為11.0擊，屬高壓縮性土。

2層全風化粉砂巖(K1)：紅褐色、黃褐色，風化劇烈，巖體結構基本被破壞，局部可見原巖結構，巖芯呈土夾碎塊狀，結構遇水易崩解、軟化，標準貫入試驗擊數為10～23擊，平均值為15.21擊。

3層強風化粉砂巖(K1)：紅褐色、黃褐色，粉粒結構，碎裂構造，節理裂隙很發育，巖芯多呈砂狀、少量碎塊狀。標準貫入試驗擊數為15～23擊，平均值為19擊。

1.3 防護方案設計

根據現場地形、地貌及地質情況分析，項目道路位于現狀填土邊坡中部，道路右側路幅需要挖方，如采用直接放坡的方法，則需要拆遷數棟房屋，社會阻力較大，設計中確定采用擋土墻以減少邊坡距離，避免建筑物拆遷。由于擬設計擋土墻位置為填土邊坡，填土呈松散狀態，開挖后施工重力式擋土墻存在極大的邊坡垮塌風險，因此，分析確定采用樁板式擋土墻，施工完樁板式擋土墻再進行路基開挖。

設計中擬定兩種樁板式擋土墻：方案一(圓形樁)，樁體直徑1.8 m，樁間距4 m；方案二(方形樁)，樁斷面為1.2×2.0 m，樁間距4 m。

2 樁型選擇分析

為了使設計方案更加經濟合理，對圓形樁、方形樁設計方案進行對比分析。

2.1 樁體受力分析

2.1.1 計算原理

結構分析計算采用理正軟件抗滑樁模塊進行計算，該模塊樁身內力的計算采用彈性計算方法，根據樁在嵌固段土反力計算系數的不同分為下列幾種：“m”法、“c”法、“k”法，具體計算如式(1)所示。

[[KZ]+[KT]+[KTO]]{δ}={P}

(1)

式中：[KZ]——抗滑樁的彈性剛度矩陣；

[KT]——滑坡面以下土體的彈性剛度矩陣；

[KTO]——滑坡面以下土體的初始彈性剛度矩陣；

{δ}——抗滑樁的位移矩陣；

{P}——抗滑樁的荷載矩陣。

從公式中可以看出，在樁長及其他外部條件一致的情況下，影響樁體抗力的因素為抗滑樁的彈性剛度矩陣，而樁體剛度矩陣中受彎變形主要受樁體彈性模量、截面慣性距影響，因此同樣截面面積，方形截面樁承載力更大。

2.1.2 結構計算

根據建筑物分布情況，以及設置樁板式擋土墻后邊坡具體開挖情況，進行剩余下滑力計算，通過理正軟件計算，得出樁后剩余下滑力為250 kn/m。樁板式擋土墻驗算標準為懸臂段底部變形量≤10 mm，為此，通過對擬定的兩種樁板式擋土墻進行軟件計算校核，計算顯示，方案一(圓形樁)：樁體直徑1.8 m，樁間距4 m。樁長需要16 m，方案二(方形樁)：樁斷面為1.2×2.0 m，樁間距4 m，樁長需要14 m。通過對比分析證實，相當的截面面積和樁間距，圓形截面樁需要更長的樁長才能滿足設計要求，說明圓形截面樁承載能力較方形樁差，結構計算表明相差約15%左右。

2.2 樁體施工分析

目前樁體施工主要包括人工挖孔、螺旋鉆成孔、沖擊成孔等方法，根據樁形不同，各種施工方法適用情況也不一樣。圓形截面樁可采用上述各種方法，施工可選擇范圍更廣。方形截面樁常用的方法是人工挖孔，沖擊成孔及螺旋鉆成孔較難實現，施工可選擇空間較小。

由于近些年人工挖孔樁出現多起安全事故，使得建設主管部門不得不限制人工挖孔樁的使用范圍，廣西建設部門也頒布了《關于嚴格限制使用人工挖孔灌注樁的通知》(桂建管〔2014〕87號)，其中“(六)高壓縮性人工填土厚度超過5 m”禁止使用人工挖孔樁。就本項目而言，地質情況表明，上面6 m范圍為松散的人工填土，因此，本項目從施工安全性、便易性角度講，最優選擇是采用圓形截面樁。

2.3 樁體景觀效果分析

景觀效果對市政道路設計來講也是重要的設計要求，設計不當會造成城市景觀的破壞。樁板式擋土墻由于外露鋼筋混凝土結構面積較大，表面綠化恢復措施較為匱乏，造成了該類擋土墻整體景觀效果較差，所以，不管是圓形截面樁還是方形截面樁景觀效果都不是十分理想。由于存在眾多建設條件限制比較嚴重的地段，在這種情況不得不設置該類擋土墻，從景觀角度對比分析，只能選擇對景觀影響最小的樁形方案。

樁體是影響樁板式擋土墻景觀效果的關鍵位置，樁體體積越大、高度越高，景觀效果就越差，擋墻外露高度一般調整空間較小，因此，樁體視覺體積越小，景觀效果就會稍好。從視覺感官出發，同樣體積圓形截面表面積較方形截面小，所以，在截面面積相當情況下，選擇圓形截面樁從視覺上效果更好些。

2.4 樁體選擇綜合分析

上面對樁板式擋土墻樁形選擇問題進行了受力、施工、景觀等方面分析，初步明確了兩種樁板式擋土墻存在的優缺點，下面結合項目具體情況，從經濟、技術多方面進行綜合分析，具體如表1所示。

通過上述對比分析可以看出，方形樁除了施工方案受限較大、景觀效果稍差外，受力優勢較為明顯，可節省項目投資。

對本項目而言，不考慮施工因素，采用方形樁擋土墻相比圓形樁擋土墻，投資減少30萬元，減少比例為7.5%。放在本項目具體情況中分析，本項目樁板式擋土墻造價約占項目投資的1.0%，所占比例較小。而且本項目擋土墻范圍存在最厚6 m的人工填土，即不滿足“新近的人工填土超過5 m不得使用挖孔樁”的條文，采用方樁機械成孔技術不是十分成熟，施工較為困難。同時，考慮到本項目為城市道路，景觀效果要求較高，花費稍高的投資，來換取項目景觀效果的提升從長遠講也是合理的，因此，通過綜合對比分析，本項目選擇圓形截面樁板式擋土墻。

3 結語

(1)從樁板式擋土墻受力機理及破壞模式分析，方形樁在受力方面相對圓形樁具有一定優勢，采用方形樁能在同樣條件下，有效減小斷面尺寸，降低工程投資。因此，項目投資控制較嚴的項目可采用方形截面樁方案。

(2)從建設行業來看，城市道路防護工程雖然相比以前有所增加，相比公路、鐵路行業而言，所占比例仍然較低，因此，在城市道路中推薦采用景觀效果稍好，施工便易的圓形樁擋土墻，在公路、鐵路等城市建設區外的項目推薦采用方形截面樁擋土墻。

(3)無論方形或圓形樁，整體上景觀效果都是較差的，在市政項目應用樁板式擋土墻一般都是條件受限，被迫采用。如何改善樁板式擋土墻景觀效果，降低、消除其對周邊景觀的不利影響，具有重要意義，也是工程設計行業發展的方向。目前，已經有采用斜插式擋土板的設計案例，是很好的設計嘗試，隨著人們對環境要求不斷提高，設計中更應該加強環境、景觀因素考慮。