水平受荷樁在擋土墻加固工程中的設計與應用探析

余波江 （安徽省建筑科學研究設計院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著國家啟動對老舊小區的改造工程，許多建造于上個世紀的小區房屋及附屬設施得到了全面排查，其中小區周邊的擋土墻結構發生較大位移及開裂的現象尤為突出。擋土墻主要受水土側向壓力，隨著日積月累和人類活動，其穩定性不斷衰減，進一步加劇會出現變形失穩現象，最終將會導致墻后土體滑移。因此，對擋土墻及時采取加固措施，可有效避免重大的生命和財產損失。

當前，水平受荷樁主要應用于基坑支護、邊坡支護等建筑和交通領域，是抵抗水土側向壓力和保證其穩定性的關鍵構件，其受力特性得到了廣泛研究與應用，但在擋土墻加固工程中的應用不多。本文結合某擋土墻加固工程實例，介紹該工程擋土墻的病害特點，敘述擋土墻加固方案和簡化計算模型，提出水平受荷樁的設計方法，并且采用單樁水平靜載試驗實測技術，分析得出水平受荷樁的變形特征規律，評價該擋土墻加固方案的合理性，力求為類似擋土墻加固工程的設計與應用提供技術參考。

1 工程概述

某老舊小區擋土墻，墻高約4.5m，長度約80m，立板板厚250mm，每隔2.5m 設置扶壁柱，立板下設置500mm高地梁，地梁下設置樁基。根據檢測報告：該擋土墻立板受水、土壓力作用發生傾斜，其垂直度偏差在45mm～140mm，垂直度偏差較大；立板裂縫分布廣泛，寬度較大，裂縫最大寬度為0.42mm，對承載力產生不利影響；該次檢測混凝土強度和鋼筋設置均滿足原設計要求。

本工程擋土墻所在場地地形平坦，屬江淮丘陵地貌單元。根據業主提供的勘察報告，墻背側土均為雜填土，擋土墻坡腳以下范圍內地層主要由雜填土、黏土、強風化泥質砂巖和中風化泥質砂巖組成，各項巖土特性指標如表1所示。

擋土墻設計土層參數表 表1

場地淺層土中主要賦存上層滯水、基巖裂隙水。上層滯水賦存在第①層素填土中，主要由大氣降水補給，水位變化較大，變化幅度在1.0m～1.5m。

2 水平受荷樁設計

2.1 簡化模型的建立與計算

根據檢測報告，該項目擋土墻垂直度偏大且立板裂縫分布廣泛，已對承載力產生不利影響，需對擋土墻采取加固措施。經對相關資料的分析和研判，擬采取增加扶壁墻的方案，以阻止擋土墻傾斜的進一步發展，保證其穩定性，并對原板面裂縫進行注漿處理。扶壁墻的間距同水平受荷樁的間距，取值為2700mm，與花壇側墻可以組成一串區格，其內填土后可形成花壇，既美觀環境，又進一步保證了原擋土墻的穩定性。其加固方案剖面如圖1所示。

圖1 加固方案剖面圖

由于目前尚未有相關類型的計算軟件，因此構件計算中對加固方案剖面圖進行適當簡化。將腰梁和水平連系梁處簡化成兩個支座，其受反力分別為RA和RB；扶壁墻簡化成連接腰梁和水平受荷樁的斜桿，為簡化計算和提高安全系數，將斜桿所受的軸力完全按水平力加載到樁上，最終水平受荷樁所受水平力是由土壓力經水平連系梁和斜桿傳至冠梁處形成的，即R=RA+RB。其簡化模型如圖2所示。

圖2 水平受荷樁簡化計算模型

圖2 中，Q1 為土壓力，Q2 為水壓力或地面超載，靜止土壓力系數取值為0.5，通過以上簡化模型可得出水平受荷樁所受水平力R=375kN。

2.2 單樁水平承載力特征值設計

樁側土水平抗力系數的比例系數和樁頂容許水平位移是單樁水平承載力特征值設計的兩個關鍵參數。樁側土水平抗力系數的比例系數與樁身所處地層特性密切相關，根據地勘報告，水平受荷樁樁身范圍內為雜填土、黏土和強風化砂巖組成，其中雜填土較厚。不同土層該比例系數不同，土層特性越好該比例系數越大。依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2018）表5.7.5 可得出本工程不同土性的樁側土水平抗力系數的比例系數m 值，采取加權平均法可最終得出m=50 MN/m4。

依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2018）第5.7.2 條，一般情況下樁頂容許水平位移取值為10mm，對于水平位移敏感的建筑物去水平位移為6mm。經調查，原擋土墻坡頂處的建筑物距離較近，且采用天然基礎，認為建筑物對水平位移敏感，所以本工程樁頂容許水平位移取值為6mm。

結合灌注樁樁身配筋率≥0.65%、樁頂約束情況為鉸接或自由、樁入土深度為7m 等參數，依據《建筑樁基技術規范》（JGJ 94-2018）式5.7.2-2 可得出單樁水平承載力設計值Rh=385kN。綜上，單樁水平承載力特征值取值為380 kN，該值大于樁所受水平力，滿足要求。

3 單樁水平靜載試驗實測分析

3.1 試驗步驟與目標

本工程靜載試驗利用相鄰多根樁組合形成反力裝置，最大加載量為580 kN，每級加載量為極限荷載的十分之一，第一級按照2 倍分級荷載加載。試驗采用慢速維持荷載法，每級荷載施加后，按第5min、15min、30min、45min、60min 測讀樁頂沉降量，以后每隔30min測讀一次。

慢載時，每1h 內樁頂位移量不超過0.1mm，并連續出現兩次（即從分級荷載施加后30min 開始，由1.5h 內連續三次每30min的沉降觀測值計算），可判定位移相對穩定標準，再施加下一級荷載。當樁身折斷、水平位移超過30 mm ～40mm 或者水平位移達到設計要求的水平位移允許值，方可終止加載。慢載卸載時，每級荷載維持1h，按第15min、30min、60min 測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載。卸載至零后，應測讀樁頂殘余沉降量，維持時間為3h，測讀時間為第15min、30min，以后每隔30min測讀一次。

單樁水平承載力的確定方法應遵循下列原則：

圖3 4#樁H-Y0曲線

圖4 4#樁Y0-lgt曲線

圖5 22#樁H-Y0曲線

圖6 22#樁Y0-lgt曲線

①當樁身不允許開裂或灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時，可取水平臨界荷載的0.75 倍作為單樁水平承載力特征值；

②對于鋼筋混凝土預制樁、鋼樁和樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可取設計樁頂標高處水平位移所對應荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值。

3.2 試驗結果分析與判定

本工程水平受荷樁不足50 根，可取試驗樁數為2 根，即4#樁和22#樁。通過對2 根樁的水平靜載試驗數據分析，可分別得出單樁水平靜載試驗的H-Y0曲線和Y0-lgt曲線。

從4#樁和22#樁的單樁水平靜載試驗H-Y0及Y0-lgt 曲線上可以得出，最大試驗荷載均為580kN，其中4#樁在最大試驗荷載條件下的水平位移值為8.54mm，22#樁在最大試驗荷載條件下的水平位移值為7.79mm，可見在最大荷載條件下的位移值較小。從卸載曲線可以得出，4#樁的最終殘余變形為3.60mm，最大回彈量為4.94mm，回彈率為57.8%；22#樁的最終殘余變形為2.59mm，最大回彈量為5.20mm，回彈率為66.8%，可見殘余變形較小，回彈率較高，樁受水平荷載作用工作性能良好。

從4#樁和22#樁的單樁水平靜載試驗H-Y0及Y0-lgt 曲線上還可以得出，曲線均平滑，無水平臨界荷載點和水平極限荷載值點。其中，4#樁和22#樁在6mm 位移對應的荷載值分別為512kN和537kN，樁身配筋率均為1.2%，依據《建筑基樁檢測技術規范》(JGJ106-2014)第6.4.7 條中單樁水平承載力的確定原則，其水平承載力特征值可取6mm位移對應的荷載值的0.75 倍為單樁水平承載力特征值，即4#樁的單樁水平承載力特征值為384kN，22#樁的單樁水平承載力特征值為402kN，均大于設計值380 kN，滿足設計要求。

4 結論

①水平受荷樁具有抵抗水土側向壓力和保證邊坡穩定性的良好性能，可利用當今成熟可靠的樁基施工技術，再結合水平受荷樁的設計要求和工程經驗，可為擋土墻等復雜構筑物的加固安全性提供保障。

②利用水平受荷樁對既有擋土墻進行加固，往往實際的結構模型比較復雜。在設計中，需要對其受力模型進行適當簡化分析，以保證加固方案的合理性和安全性，文中案例的簡化方法可提供參考作用。

③在單樁水平承載力設計中，關鍵參數的取值尤為重要。應結合周邊環境、地質特性、工程經驗和所加固構件的重要程度等因素，以保證參數取值的合理性，為靜載試驗和質量控制提出目標。

④單樁水平靜載試驗實測分析中，其曲線平滑，無水平臨界荷載點和水平極限荷載值點，表明水平受荷樁具有良好的工作性能，且均可滿足設計提出的特征值要求。因此，采用水平受荷樁對既有擋土墻的加固方案是合理可行的，可為類似工程的設計和應用提供借鑒。