截面形狀對樁板墻支護體系受力與變形的影響分析

王洪英

(廣東省冶金建筑設(shè)計研究院有限公司, 廣東 廣州 510080)

樁板墻是一種由抗滑樁和擋土板組成的輕型支護結(jié)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)安全性高、耐久性好、占地面積少，被廣泛應(yīng)用于鐵路、公路和市政工程的邊坡防護。目前，對矩形樁板墻的研究應(yīng)用已較成熟，如張欽鵬等通過室內(nèi)模型試驗，研究了不同工況下樁板墻的受力狀態(tài)、位移大小及土體壓力變化；黃治云等通過大型現(xiàn)場試驗與室內(nèi)模型試驗，對影響樁板墻土拱效應(yīng)的因素進(jìn)行對比分析，揭示了被動狀態(tài)下樁板墻側(cè)背土壓力的傳遞規(guī)律；王廣軍通過現(xiàn)場試驗及數(shù)值模擬，得到了滑坡體的最大位移與樁間距的非線性變化關(guān)系。但在實際工程中，矩形樁板墻的樁孔施工只能以人工挖孔為主，施工周期長，施工環(huán)境差，存在很大安全隱患。而圓形樁可使用大型機械進(jìn)行鉆孔施工，能很好地規(guī)避矩形樁板墻的施工缺陷。因此，采用圓形抗滑樁代替矩形抗滑樁應(yīng)用于樁板墻結(jié)構(gòu)中，是一個較新的結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路。該文以廣州市石化北路擴建工程中路基防護樁板墻為例，基于m法對比分析路塹邊坡防護工程中圓形、矩形樁板墻的樁身位移和內(nèi)力變化規(guī)律，分析樁板墻體系中用圓形抗滑樁代替矩形抗滑樁的可行性。

1 樁板墻受力與變形計算理論

按《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》對樁板墻的樁身內(nèi)力進(jìn)行計算。臨空段或邊坡滑動面以上部分樁身內(nèi)力和位移根據(jù)巖土側(cè)壓力或滑坡推力計算，樁身彎矩My和剪力Qy計算公式分別為：

My=EaZx

(1)

Qy=Ea

(2)

式中：Ea為土壓力合力；Zx為合力作用點至錨固點的距離。

樁身位移xy計算公式為：

(3)

式中：x0為錨固點位移；φ0為錨固點轉(zhuǎn)角；H1為開挖深度；T1為樁頂土壓力；T2為錨固點土壓力；E為鋼筋砼的彈性模量；I為樁截面慣性矩。

滑動面以下或嵌入段的樁身內(nèi)力采用地基反力系數(shù)法計算，根據(jù)巖土條件可選擇K法或m法，這里采用m法。樁的撓曲方程為：

(4)

式中：P為作用在樁上的水平反力。

根據(jù)Winker彈性地基假定和樁頂初始邊界條件，得到一組冪級數(shù)表達(dá)式：

(5)

式中：A1、…、A4，B1、…、B4，C1、…、C4，D1、…、D4為無量綱系數(shù)，可查表取值；α為樁的變形系數(shù)；M0為錨固點彎矩。

2 圓形、矩形樁板墻對比分析

2.1 工程概況

表1 巖土層分布及材料參數(shù)

地下水主要為第四系地層中的孔隙水及飽和砂層中的地下水，略具承壓性，補給來源為大氣降水及地表水。

該工程部分支護范圍離房屋較近，由于房屋基礎(chǔ)形式不清楚，支擋方案不宜采用錨桿形式，加上后期場地可能有其他規(guī)劃，支擋形式盡量不超出紅線。根據(jù)以上考慮，路基支擋采用樁板墻形式，樁基為懸臂結(jié)構(gòu)(見圖1)。

圖1 樁板墻支護結(jié)構(gòu)示意圖(單位：m)

2.2 分析方案

根據(jù)路基防護高度，將樁板墻結(jié)構(gòu)中的抗滑樁設(shè)計為樁長25.3 m、直徑1.6 m的鉆孔灌注樁，樁間距為2.0 m，擋板為現(xiàn)澆砼板，厚0.25 m。為便于對比分析，根據(jù)等截面法將圓形樁基換算成截面為1.3 m×1.6 m的矩形樁基，其他參數(shù)不變(見表2)。

表2 樁板墻參數(shù)

該工程路塹防護開挖總深度為8.3m，為保證施工安全，進(jìn)行分層開挖，第1、2、3層開挖深度分別為2.5、5.5、8.3 m。

2.3 樁身內(nèi)力與位移對比分析

2.3.1 樁身受力分析

不同開挖深度下樁身剪力和彎矩變化分別見圖2、圖3。

由圖2可知：2種抗滑樁的樁身剪力變化趨勢一致，剪力零點基本相同。在相同開挖深度下，矩形抗滑樁所受最大剪力大于圓形抗滑樁所受最大剪力，兩者差值幅度隨開挖深度增大逐漸減小，第1層為36.0%，第2層為7.8%，第3層為4.4%。

圖2 不同開挖深度下樁身剪力

由圖3可知：2種抗滑樁樁身彎矩均為正彎矩，沿深度向下呈先增大后減小的趨勢，樁身最大彎矩位置基本相同。在不同開挖深度下，矩形樁的最大彎矩均大于圓形樁的最大彎距，兩者差值幅度隨開挖深度增加逐漸減小，第1層為33.4%，第2層為16.6%，第3層為9.9%。

圖3 不同開挖深度下樁身彎矩

2.3.2 樁身變形分析

不同開挖深度下圓形樁、矩形樁的樁頂水平位移見表3。

表3 樁頂水平位移

由表3可知：在開挖深度很小(2.5 m)時，圓形抗滑樁樁頂水平位移小于矩形抗滑樁樁頂水平位移。但隨著開挖深度的增加，圓形抗滑樁樁頂水平位移增幅(1 517.9%，327.1%)大于矩形抗滑樁樁頂水平位移增幅(1 241.9%，314.3%)，圓形抗滑樁樁頂水平位移逐漸大于矩形抗滑樁樁頂水平位移，最大差值為3.6 mm(12.9%)。圓形抗滑樁與矩形抗滑樁的防護效果相差不大，均具有良好的防護性能。

3 影響因素分析

3.1 樁徑d的影響

考慮樁長L為25.3 m，樁徑d為1.6 m，樁間距a為2 m的實際工況，分別取樁徑為1.4、1.5、1.6、1.7和1.8 m進(jìn)行計算。不同樁徑下圓形樁樁身內(nèi)力和位移見圖4～6。

由圖4可知：樁徑增大時，樁頂水平位移逐漸減小，樁底水平位移基本保持不變。樁徑為1.4～1.8m時，樁徑每增大0.1 m，樁頂水平位移減少11.5 %～15.5%。樁徑越大，樁身彎曲變形越小。

圖4 不同樁徑下圓形樁樁身水平位移

由圖5、圖6 可知：不同樁徑下樁身剪力和彎矩分布趨勢基本一致。隨著樁徑的增加，樁身內(nèi)力有所增大，但增加幅度很小。樁徑為1.4～1.8 m時，樁徑每增加0.1 m，樁身最大剪力增大1.0%～2.0%，最大彎矩增大3.0%～5.0%。

圖5 不同樁徑下圓形樁樁身剪力

圖6 不同樁徑下圓形樁樁身彎矩

3.2 樁間距a的影響

假定樁長L為25.3 m，樁徑d為1.6 m，其他參數(shù)保持不變，分別取樁間距a為1.8、2.0、2.2、2.4、2.6 m進(jìn)行計算。不同樁間距下圓形樁樁身內(nèi)力和位移見圖7～9。

由圖7可知：隨著樁間距的增大，樁頂水平位移增大，樁底水平位移基本不變。

圖7 不同樁間距下圓形樁樁身水平位移

由圖8、圖9可知：樁間距為1.8～2.6 m時，樁間距對樁身剪力和彎矩的影響很小，樁間距增大，樁身剪力和彎矩整體分布趨勢幾乎保持不變。

圖8 不同樁間距下圓形樁樁身剪力

圖9 不同樁間距下圓形樁樁身彎矩

4 結(jié)論

(1) 圓形抗滑樁的樁身位移和樁身受力變化趨勢與矩形抗滑樁一致；但隨著開挖深度的增加，圓形樁板墻的樁頂水平位移比矩形樁板墻大。

(2) 在一定開挖深度范圍內(nèi)，2種樁板墻的支護效果基本相同，均具有良好的支護性能，用圓形抗滑樁代替矩形抗滑樁可行，施工效率更高。

(3) 樁徑、樁間距均會對圓形抗滑樁樁身位移和內(nèi)力產(chǎn)生影響，其中樁徑的影響比樁間距大。