雙排鉆孔灌注樁擋土墻在黃土高邊坡中的應用效益分析

王亞寧

(陜西省鐵道及地下交通工程重點實驗室(中鐵一院)，陜西 西安 710043)

隨著我國高速鐵路向黃土縱深地區發展，越來越多的黃土高邊坡出現在高速鐵路路塹工程中。為保證高邊坡工程的安全可靠性，同時減少大面積刷方和土地利用，秉持綠色環保理念，大量支擋工程被應用于高邊坡工程[1]，如重力式擋土墻、樁板式擋土墻、雙排鉆孔灌注樁擋土墻等。

黃土地區的路塹高邊坡具有在不同于其他地區的顯著特征。黃土覆蓋層較深厚，基巖埋深較深，支擋工程基礎往往不能嵌入基巖；黃土的直立性較好，邊坡高度往往較其他土質路塹高[2]。據統計，在已建成運營的鐵路、公路中，路塹高邊坡較為常見，有的邊坡高度大于60 m[3-4]，近年來黃土地區建成通車的高速鐵路路塹邊坡高度也有超過50 m的情況。

本文依托銀西高速鐵路在設計實踐中遇到的典型案例，對比分析黃土地區常用的路塹高邊坡支擋工程措施的受力和變形特性，對比分析樁板式擋土墻和雙排鉆孔灌注樁擋土墻的適用性、結構合理性及經濟技術效益。

1 路塹高邊坡支擋方案

銀西高速鐵路沿線黃土地層分布廣泛，穿越了渭河高階地及渭北黃土塬區、黃土臺塬區、環江寬谷及黃土梁峁溝壑區等黃土區域。沿線黃土主要為黏質黃土、砂質黃土，結構疏松，多孔隙。黃土場地普遍具有濕陷性，濕陷性黃土分布總長度超過400 km。河谷區一級階地黃土場地多具有非自重濕陷性，濕陷等級以Ⅰ～Ⅱ級為主，濕陷土層厚約3～7 m；二、三級階地及黃土塬區黃土具有自重濕陷性，濕陷等級Ⅱ～Ⅳ級，濕陷厚度為3～40 m。線路所經區域滑坡、錯落、溜塌等不良地質較為發育。

試驗工點位于銀西高速鐵路DK408+830—DK409+240段，路基為高邊坡路塹。該工點屬黃土溝壑梁峁地貌，地層主要為上更新統風積砂質黃土，厚度大于35 m，黃褐色，成分以粉粒為主，黏塑性差，局部可見針狀孔隙，含白色菌絲，稍密～中密，稍濕～潮濕，Ⅱ級普通土。地表2.6 m以上為稍密，承載力σ0=120 kPa，2.6 m以下為中密，承載力σ0=150 kPa。黏聚力c=20 kPa，內摩擦角φ=27°。圍壓為100～200，200～300,300～400 kPa時，壓縮模量Es分別為4.7～17.5，5.2～24.1，6.6～25.0 MPa。工點范圍內風積砂質黃土均具濕陷性，屬Ⅳ級(很嚴重)自重濕陷場地，濕陷土層厚度大于17 m。線路在本段以挖方形式通過。

1.1 自然放坡方案

根據TB 10035—2006《鐵路特殊路基設計規范》，推薦采用圓弧法[5]進行路塹邊坡穩定性計算。自然放坡采用如圖1所示邊坡形式，總的下滑力為 8 683.073 kN，總的抗滑力為 9 579.523 kN，滑動安全系數為1.103。

圖1 自然放坡穩定邊坡形式(單位：m)

1.2 樁板式擋土墻支擋方案

為提高高邊坡工程的安全可靠性，同時減少大面積刷方和節約用地，減小對自然的破壞，采用樁板式擋土墻進行支擋收坡。根據TB 10025—2006推薦的計算方法[6]，采用如圖2所示的支擋及放坡形式，樁板式擋土墻懸臂段長8.0 m，樁截面尺寸為3.0 m×2.5 m，樁間距6.0 m。采用m法，經計算，嵌固段長為14.0 m，總樁長為22.0 m時，其整體穩定安全系數(Ks=1.471>1.30)、抗傾覆系數(Kov=1.298>1.200)及土反力(計算土壓力Ps=18 417≤土壓力限值Ep=18 726)等均滿足TB 10025—2006的要求。樁板式擋土墻單位長度整體剛度為 28 125 MN·m2。

圖2 樁板式擋土墻穩定邊坡形式(單位：m)

1.3 雙排鉆孔灌注樁擋土墻支擋方案

鑒于深厚黃土地區無持力地層，樁板式擋土墻體積較大，樁體支擋結構發揮的效用不高，因此，采用近年來逐漸興起的雙排鉆孔灌注樁擋土墻進行支擋收坡。國內關于雙排樁支護體系的各種計算理論[7]都是對雙排樁兩側及樁間土的土壓力分配作不同的嘗試，各有其特點。彈性地基梁法是JGJ 120—2012《建筑基坑支護技術規程》[8]推薦的方法，其最大的優點是能夠考慮土與結構的相互作用[9]。

根據計算，采用20.0 m長的雙排樁(懸臂段長8.0 m，樁徑1.25 m，樁間距2.3 m，樁排距2.5 m)，樁頂采用如圖3所示的支擋及放坡形式。該方案的整體穩定安全系數(Ks= 1.421>1.30)、抗傾覆系數(Kov=1.342>1.20)及土反力(Ps=5 461≤Ep=8 186)等均滿足JGJ 120—2012的要求。

圖3 雙排鉆孔灌注樁擋土墻穩定邊坡形式(單位：m)

采用雙排鉆孔灌注樁擋土墻，其中前后排樁樁徑均為1.25 m，樁頂連梁及樁的布置形式如圖4所示。

圖4 雙排鉆孔灌注樁擋土墻樁頂連梁及樁的布置形式(單位：m)

雙排鉆孔灌注樁擋土墻整體剛度計算公式[10]為

式中：EI為整體抗彎剛度；E1I1，E2I2分別為前、后排樁抗彎剛度；h1,h2分別為前、后排樁等效的連續墻的厚度；h3為前后排樁中心的間距；E3為前、后排樁中間土體的彈性模量,取5 MPa；d1,d2分別為前、后排樁直徑，d1=d2=1.25 m；t1,t2分別為前、后排樁樁間距，t1=t2=1.05 m；t3為前排樁與后排樁邊緣距離，t3=2.5 m。

采用式(1)—式(4)計算，雙排鉆孔灌注樁擋土墻單位長度整體抗彎剛度為 59 958 MN·m2。

2 不同擋土墻的對比分析

2.1 技術指標對比

3種方案主要技術指標見表1。由表1可知：采用樁板式擋土墻和雙排鉆孔灌注樁擋土墻能有效降低總邊坡高度，減少征地寬度，同時邊坡的整體穩定性明顯提升；在相同邊坡形式下，雙排鉆孔灌注樁擋土墻相對 樁板式擋土墻，能以更短的樁長獲得相近的整體穩定

表1 3種方案主要技術指標

安全系數和抗傾覆系數，同時雙排鉆孔灌注樁擋土墻嵌固段地基反力相對較小，有利于路基面的穩定。

2.2 結構內力分析

2.2.1 樁板式擋土墻

樁板式擋土墻內力計算根據彈性地基梁理論，采用m法進行計算，支擋及放坡形式參見圖2。計算采用的主要參數有：c=20 kPa，φ=27°，土重度γ=17 kN/m3，地基系數的比例系數m=13.88 MN/m4。計算結果見圖5。可知，樁板式擋土墻樁頂處出現最大位移(21.8 mm)，路基面下部出現最大彎矩(10 855 kN·m)，剪力峰值(1 989 kN)出現在路基面附近，土壓力采用彈性法計算時呈曲線分布，采用經典法計算時呈三角形分布。

圖5 樁板式擋土墻結構內力

2.2.2 雙排鉆孔灌注樁擋土墻

雙排鉆孔灌注樁擋土墻內力采用平面剛架結構模型進行計算，支擋及放坡形式參見圖3。計算采用的主要參數有：c=20 kPa，φ=27°，γ=17 kN/m3，m=13.88 MN/m4。

圖6 雙排鉆孔灌注樁擋土墻內力

擋土墻內力計算結果見圖6。可知，前排樁最大位移(7.37 mm)和最大彎矩(1 217 kN·m)出現在路基面上部，剪力峰值(401 kN)出現在路基面以下，土壓力呈梯形分布。后排樁最大位移出現在樁底端(18.97 mm)，最大彎矩(449 kN·m)在路基面上部，剪力峰值(100 kN)出現在樁頂附近，土壓力呈三角形分布。

對比圖5、圖6可知：①在墻后同樣的邊坡高度及地層參數下，樁板式擋土墻墻身承受的彎矩和剪力遠大于雙排鉆孔灌注樁擋土墻前排樁和后排樁承受內力之和;②樁板式擋土墻最大位移出現在樁頂部，雙排鉆孔灌注樁擋土墻樁頂位移接近0;最大值出現在后排樁的樁底，前排樁出現在路基面附近;且路基面處的位移值顯著小于樁板式擋土墻，對軌道結構影響較小。

2.3 綜合效益分析

樁板式擋土墻和雙排鉆孔灌注樁擋土墻綜合效益見表2。經對比可知：同等線路長度下雙排鉆孔灌注樁擋土墻所需的鋼筋混凝土量顯著低于樁板式擋土墻，且雙排鉆孔灌注樁的抗側移剛度明顯優于樁板式擋土墻。

表2 不同擋土墻方案綜合效益

2.3.1 位移

在該地層條件下雙排鉆孔灌注樁擋土墻在樁頂及路基面附近的位移顯著優于樁板式擋土墻，對變形要求較高的高速鐵路具有優勢。

2.3.2 施工便易性

在黃土地層中雙排鉆孔灌注樁擋土墻可采用旋挖鉆等機械設備直接成孔[11]，鋼筋籠可工廠加工直接吊放，施工周期快。樁板式擋土墻主要采用人工挖孔，邊挖邊支護，現場綁扎鋼筋，施工周期慢。

2.3.3 鋼筋混凝土量

相同的邊坡形式、同等安全系數及支護長度下，雙排鉆孔灌注樁擋土墻所需的鋼筋混凝土量明顯小于樁板式擋土墻。

2.3.4 經濟成本

相同支護長度下，雙排鉆孔灌注樁擋土墻支護體系的工程造價比樁板式擋土墻低40%以上。

3 結論

1)在深厚黃土地層條件下，可采用適當的支擋工程對路塹高邊坡進行收坡，提高工程的安全可靠性，節約用地，減少大規模刷方。

2)支擋結構中若樁未能嵌入基巖等持力層時，雙排鉆孔灌注樁擋土墻樁的應力分布合理性、位移變形等力學特征明顯優于樁板式擋土墻。雙排樁為剛架結構，其抗側移剛度遠大于單排懸臂樁結構，其內力分布明顯優于懸臂結構。在相同的材料消耗條件下，雙排樁剛架結構的樁頂位移明顯小于單排懸臂樁，其安全可靠性、經濟合理性優于單排懸臂樁。

3)深厚黃土地層中，相同的支擋效果下，雙排鉆孔灌注樁擋土墻鋼筋混凝土消耗量比樁板式擋土墻減少約40%。

4)雙排鉆孔灌注樁擋土墻施工便易性、施工周期、材料消耗等經濟指標明顯優于樁板式擋土墻。