單排樁擋墻在永久邊坡支擋工程中的應(yīng)用

李文堅(jiān)LI Wen-jian

（中國(guó)鐵路設(shè)計(jì)集團(tuán)有限公司，天津300308）

0 引言

單排樁作為基坑臨時(shí)支護(hù)結(jié)構(gòu)，在工程中廣泛應(yīng)用，相關(guān)研究也較多[1-4]，且具有相關(guān)規(guī)范支撐其設(shè)計(jì)和檢算[5]。但是在挖方邊坡永久支護(hù)結(jié)構(gòu)中的使用較為少見，相關(guān)研究也比較匱乏[6-10]。考慮與其他諸如重力式擋墻、樁板墻等適用于挖方邊坡的永久支擋結(jié)構(gòu)相比，單排樁擋墻具有布置靈活、占地面積小、無需開挖臨時(shí)邊坡、對(duì)周圍環(huán)境影響小等優(yōu)點(diǎn)，具有較高的工程應(yīng)用價(jià)值。

本文依托深圳地鐵某工程實(shí)例，并通過理正巖土和有限元軟件檢算，驗(yàn)證各檢算工具的適用性和可靠性，同時(shí)對(duì)比分析檢算結(jié)果與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)，為單排樁擋墻作為永久支擋結(jié)構(gòu)提供工程經(jīng)驗(yàn)積累。

1 概況

1.1 工程概況

工程實(shí)例位于深圳某地鐵停車場(chǎng)，該停車場(chǎng)位于深圳市鹽田區(qū)梧桐山山麓一二級(jí)水庫附近。場(chǎng)地原始地貌為丘陵地貌，植被密集，地勢(shì)起伏較大，地面高程一般在31.90～127.78m 之間。場(chǎng)地三面環(huán)山，中部有河谷發(fā)育，水量一般，水流較湍急，停車場(chǎng)主體南北向長(zhǎng)約307m，東西向?qū)捈s110m。場(chǎng)坪設(shè)計(jì)標(biāo)高約為55m。停車場(chǎng)應(yīng)場(chǎng)地整平需要，在場(chǎng)地中段南側(cè)形成高塹坡，塹坡頂部至場(chǎng)坪最大高差約32m。為避免高邊坡開挖對(duì)梧桐山風(fēng)景區(qū)地表植被的破壞，坡腳采用單排樁擋墻進(jìn)行支擋收坡。

1.2 工程地質(zhì)條件

從勘察資料可獲知，邊坡范圍地層主要是不同風(fēng)化程度的侏羅系（J）凝灰?guī)r。坡表第四系殘積層。場(chǎng)地巖土層自上而下主要為：①殘積粉質(zhì)黏土；②全風(fēng)化凝灰?guī)r；③砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r；④塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰?guī)r；⑤中等風(fēng)化凝灰?guī)r；⑥微風(fēng)化凝灰?guī)r。根據(jù)區(qū)域地質(zhì)構(gòu)造、地面地質(zhì)調(diào)繪及鉆孔揭露，本工點(diǎn)場(chǎng)地?zé)o斷裂穿過，且臨近的斷裂均屬非活動(dòng)性斷裂，場(chǎng)地穩(wěn)定性較好。主要地層物理力學(xué)參數(shù)見表1。

表1 巖土參數(shù)表

1.3 設(shè)計(jì)方案

工程邊坡典型橫斷面設(shè)計(jì)圖如圖1 所示。坡腳采用C35 鋼筋混凝土單排樁擋墻進(jìn)行支擋，樁徑1.5m，樁間距1.8m。樁頂設(shè)冠梁，冠梁高1.0m，寬1.8m，采用C35 鋼筋混凝土澆筑成整體。墻后邊坡分級(jí)開挖，每級(jí)開挖高度8m，坡率1:1.5，邊坡開挖一級(jí)支護(hù)一級(jí)。坡面采用錨桿框架格梁+噴混植生進(jìn)行綠化防護(hù)。考慮樁前3m 處設(shè)有永久截洪溝，深度約3.5m，凈寬4.0m，截洪溝施工開挖對(duì)排樁擋墻的安全穩(wěn)定不利，設(shè)計(jì)過程對(duì)嵌固深度進(jìn)行適當(dāng)加深，相對(duì)于永久設(shè)計(jì)場(chǎng)坪高程嵌固深度為18.0m。

圖1 邊坡典型橫斷面設(shè)計(jì)圖

2 計(jì)算模型的建立

采用理正巖土軟件和Midas GTS NX 有限元軟件分別建模檢算。

2.1 理正計(jì)算模型

采用理正巖土軟件建坡?lián)鯄δK中的排樁式錨桿擋墻對(duì)排樁樁身變形及內(nèi)力進(jìn)行分析。考慮樁前截洪溝距擋墻有一定距離，計(jì)算過程取嵌固點(diǎn)位于場(chǎng)坪以下3.0m，懸臂高度11.0m 進(jìn)行檢算。考慮樁端進(jìn)入中風(fēng)化凝灰?guī)r地層，且嵌入該地層長(zhǎng)度較小，檢算過程將樁底支承條件假定為鉸支。墻后巖土土壓力采用庫倫理論計(jì)算，并取1.2的修正系數(shù)[9]。土的水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m，根據(jù)式（1）進(jìn)行計(jì)算[5]。

式中：φ、c 分別為土的內(nèi)摩擦角（°）和黏聚力（kPa）。

2.2 Midas GTS NX 平面應(yīng)變模型

采用Midas GTS NX 建立二維有限元模型，分析其與理正計(jì)算模型檢算結(jié)果的差異。有限元模型如圖2 所示。模型坡腳外和坡頂外寬度取不小于30m，樁底以下計(jì)算深度不小于20m。模型左右兩側(cè)限制水平位移，底部限制水平和豎向位移。土體采用服從摩爾庫倫破壞準(zhǔn)則的理想彈塑性模型，樁和錨桿均采用各向同性的線性彈性模型。模型中結(jié)構(gòu)材料參數(shù)如表2 所示。

表2 結(jié)構(gòu)材料及屬性參數(shù)

圖2 邊坡二維有限元模型

由于排樁施工具有一定的施工周期，實(shí)際變形的監(jiān)測(cè)點(diǎn)布設(shè)一般在樁身（樁頂和嵌固點(diǎn)），此時(shí)上部邊坡完成施工已有一定的工期，故模型計(jì)算過程考慮了開挖至樁頂高程，同時(shí)邊坡防護(hù)體系施作完成后的地應(yīng)力平衡。保證灌注樁施工完畢，樁前土卸載前樁身的變形為零，以使得檢算結(jié)果與實(shí)際監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)具有可比性。

3 結(jié)果對(duì)比分析

3.1 樁身內(nèi)力分析

圖3 為理正計(jì)算和數(shù)值模擬兩種計(jì)算方式得到的樁身彎矩沿樁長(zhǎng)方向的分布曲線。從圖中可以看出，兩種計(jì)算方式得到的彎矩沿樁身的分布曲線基本一致，且同其他學(xué)者[4]的研究成果規(guī)律一致。樁身彎矩最大值位于樁身中部附近，最大值在1400~1600kN·m，兩者差異較小。樁身彎矩最大值分布位置略有差異，但是均位于嵌固點(diǎn)以下0.0m~3.0m 范圍內(nèi)。

圖3 樁身彎矩圖

圖4 為理正計(jì)算和數(shù)值模擬兩種計(jì)算方式得到的樁身剪力沿樁長(zhǎng)方向的分布曲線。從圖中可以看出，兩種計(jì)算方式得到的樁身剪力最值均有兩個(gè)，且均分布在嵌固點(diǎn)附近以及約嵌固深度一半位置。在嵌固點(diǎn)附近理正計(jì)算和數(shù)值模擬得到的樁身剪力值分別為220kN 和340kN。在約嵌固深度中部位置理正計(jì)算和數(shù)值模擬得到的樁身剪力值分別為240kN 和215kN。根據(jù)《混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB 50010-2010（2015 年版）中，圓形截面鋼筋混凝土受彎構(gòu)件的斜截面受剪承載力計(jì)算方法，得到的本工程排樁擋墻在不配置箍筋情況下的斜截面受剪承載力與上述計(jì)算得到樁身剪力值相比，已具有較大富裕量，故樁身剪力非單排樁擋墻樁身設(shè)計(jì)需考慮的主要參數(shù)。

圖4 樁身剪力圖

3.2 樁身位移分析

圖5 為理正計(jì)算和數(shù)值模擬兩種計(jì)算方式得到的樁身水平位移沿樁長(zhǎng)方向的分布曲線。從圖中可以看出，兩種計(jì)算方式得到的樁身水平位移沿樁長(zhǎng)的分布曲線基本一致，最大值均位于樁頂。理正計(jì)算模型得到的樁頂水平位移21.3mm，數(shù)值模擬得到的樁頂水平位移24.6mm，兩者差異較小。對(duì)于樁底水平位移，由于理正計(jì)算過程假定樁底支承條件為鉸支，故其無水平位移發(fā)生。對(duì)于嵌固點(diǎn)，理正計(jì)算和數(shù)值模擬得到的樁身水平位移分別為4.5mm和9.9mm。分析認(rèn)為是理正計(jì)算過程嵌固點(diǎn)的假定條件限制了樁身的水平位移。

圖5 樁身水平位移沿樁長(zhǎng)方向分布曲線

4 監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)分析

圖6 為兩個(gè)樁頂監(jiān)測(cè)點(diǎn)和一個(gè)嵌固處監(jiān)測(cè)點(diǎn)在排樁施工完成后的水平位移隨時(shí)間的變化曲線，變形監(jiān)測(cè)時(shí)長(zhǎng)超過一個(gè)完整水文年。從圖中可以看出，80%的水平位移在2 個(gè)月內(nèi)完成，而3 個(gè)月后，樁頂和嵌固點(diǎn)的水平位移基本趨于穩(wěn)定。

圖6 樁頂和嵌固點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)曲線

表3 為兩種計(jì)算方法得到的樁頂水平位移與現(xiàn)場(chǎng)監(jiān)測(cè)結(jié)果（一個(gè)水文年后的穩(wěn)定值）對(duì)比情況。從表中可以看出，樁頂水平位移的理正計(jì)算與數(shù)值模擬結(jié)果與實(shí)測(cè)值均處在一個(gè)量級(jí)，且較為接近。嵌固點(diǎn)水平位移監(jiān)測(cè)值位于理正計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果值之間，且與數(shù)值模擬結(jié)果更為接近。

表3 水平位移計(jì)算結(jié)果與實(shí)測(cè)值對(duì)比表

5 結(jié)論

①理正巖土軟件建坡?lián)鯄χ械呐艠妒藉^桿擋墻模塊作為永久單排樁擋墻的檢算工具，使用方便且具有一定的可靠性。②單排樁擋墻樁身最大彎矩分布位置為嵌固點(diǎn)至嵌固點(diǎn)以下一定深度（本工程為嵌固點(diǎn)以下0.0m~3.0m），設(shè)計(jì)過程可針對(duì)性的加強(qiáng)抗彎配筋設(shè)計(jì)。避免鋼筋籠主筋在彎矩較大設(shè)置過多的接頭。③單排樁擋墻樁身剪力存在兩個(gè)最值，分別位于嵌固點(diǎn)附近以及嵌固深度約一半位置。設(shè)計(jì)過程宜對(duì)灌注樁的抗剪配筋設(shè)計(jì)進(jìn)行局部適當(dāng)加強(qiáng)。④樁身的水平變形在三個(gè)月后基本趨于穩(wěn)定，同時(shí)80%的水平位移發(fā)生在前兩個(gè)月內(nèi)。樁頂水平位移監(jiān)測(cè)值與理正計(jì)算和數(shù)值模擬結(jié)果均較為接近。嵌固點(diǎn)處水平位移監(jiān)測(cè)值位于理正計(jì)算結(jié)果與數(shù)值模擬結(jié)果值之間，均小于10mm。⑤單排樁擋墻布置靈活，占地少，且無需開挖臨時(shí)邊坡，對(duì)周圍環(huán)境影響小，在永久支擋結(jié)構(gòu)中具有一定的實(shí)用價(jià)值。