樁承錨定板擋土墻在填方邊坡中的應用研究*

劉文祥 吳婷 肖貫中

湖南工學院/土木與建筑工程學院 湖南 衡陽 421002

引言

填方邊坡是工程實際中常見的邊坡形式，為了提高土地資源利用率，該類邊坡優先采用垂直支護形式。傳統支護形式主要有重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、樁板墻等，在原場地地質條件差的情況下，傳統支護結構面臨土體深層滑移穩定性低、地基承載力不足、坡頂變形大等難題。

錨定板擋土墻是一種適用于填方邊坡的輕型支護結構，具有結構輕、柔性大、占地少、造價低的優點，主要應用在鐵路、港口、公路、壩體邊坡中[1-4]，但在建筑邊坡中使用較少。本文在傳統錨定板擋土墻的基礎上，提出一種適用于原始場地地質條件差的樁承錨定板擋土墻，并分析了其計算設計要點，介紹了其在工程中的應用，以期為工程實踐提供可能建議。

1 樁承錨定板擋土墻簡介

樁承錨定板擋土墻是一種由下部樁和上部錨定板擋土墻組成的新型組合支護結構（見圖1），分為樁、托梁、肋柱、錨定板、擋土板5部分。其工作機理是利用錨定板擋土墻保證坡腳以上土體穩定性，利用樁作為上部結構的基礎，并保證坡腳以下深層土體的穩定性，利用托梁連接錨定板擋土墻和樁，使之形成整體受力結構。樁承錨定板擋土墻具有其獨特優勢：

圖1 樁承錨定板擋土墻結構及墻后土壓力示意圖

采用錨定板作為錨拉結構，克服填土中錨桿（索）不宜使用的缺點，增強支護結構的抗滑移穩定性和抗傾覆穩定性，減小肋柱和樁身彎矩。

錨定板施加預應力后能夠有效控制坡頂位移，減小填方邊坡變形引起的坡頂道路沉降。

在坡腳土體軟弱的情況下，樁既可以解決坡腳土體地基承載力不足的問題，也可以解決土體深層滑移失穩的問題。

2 樁承錨定板擋土墻的設計要點

2.1 錨定板擋土墻后土壓力分布

樁承錨定板擋土墻的墻后土壓力由填土和坡頂地面活載兩部分產生，由于拉桿、擋土板和錨定板的相互作用，其土壓力分布較復雜，大量試驗表明土壓力呈拋物線分布，是庫侖土壓力的1.2～1.4倍，為簡化計算，假定錨定板擋土墻后的土壓力，上部0.5H內呈三角形分布，下部0.5H內為矩形分布（如圖1所示），且土壓力總和等于庫侖土壓力乘以增大系數。錨定板擋土墻上的土壓力計算公式如下：

式中：Ea表示庫侖主動土壓力（kN）；表示水平土壓力（kPa）；為填土自重（kN/m3）；β為土壓力增大系數，取1.2～1.4；ka為庫侖主動土壓力系數；H為錨定板擋墻墻高（m）。

坡頂地面活載對錨定板擋土墻產生的附加土壓力，按照《建筑邊坡工程技術規范》附錄B的方法計算，結果不乘增大系數。

2.2 擋墻設計要點

2.2.1 肋柱設計。上部錨定板擋土墻可簡化為平面結構計算。肋柱簡化為下端固支、上端懸挑的連續受彎梁，設計荷載取相鄰肋柱中心間的土壓力。由于填土的不均勻性及土體變形的復雜性，肋柱各支點變形量差別較大，拉桿對肋柱的約束可按彈性支承和剛性支承分別考慮，并按兩者計算所得的最不利內力進行肋柱截面設計。

2.2.2 錨定板及拉桿設計。錨定板一般采用方形鋼筋混凝土板，尺寸按照拉桿拉力設計值除以錨定板單位面積容許抗拔承載力確定。其容許抗拔承載力受埋深、填土特性、墻面變形等因素影響，力學機理較復雜，我國鐵科院、鐵三院和鐵四院根據試驗分別給出了相應的計算方法[5]，公路路基設計手冊中采用Meyerhof的理論解[6]，初步設計時，可采用前面四種方法計算的偏安全結果，但錨定板的實際抗拔承載力應通過現場抗拔試驗確定。

拉桿應滿足強度要求，宜采用延性較好的鋼筋或鋼絞線制作，并做好防腐處理，采用鋼筋拉桿時應考慮2mm的銹蝕安全儲備，其長度應超出主動破裂面不小于3.5倍錨定板邊長。

2.2.3 樁設計。樁按照基樁模型和排樁模型分別計算，樁頂荷載為上部肋柱傳至樁頂的軸力、剪力、彎矩。基樁模型需要滿足樁的豎向承載力和水平承載力要求，排樁模型按照彈性支點法設計，需要滿足樁身抗彎承載力和抗剪承載力要求。

2.2.4 穩定性設計。樁承錨定板擋土墻的滑移穩定性包含3層次的內容，一是各層錨定板的抗滑移穩定，采用折線滑面法分析；二是上部錨定板擋土墻的結構穩定，可采用西南交通大學提出的整體土墻法分析；三是以樁端支點為軸心的土體深層滑移穩定，按照圓弧滑動條分法計算。在滑移穩定滿足的前提下，結構抗傾覆穩定一般能夠滿足要求，可不進行驗算。

3 樁承錨定板擋土墻設計案例

某新建住宅小區，原始地面標高69m，場地內采用黏性土回填至設計標高75m，坡腳為已建小區道路，坡頂為新建小區內部5m寬道路，道路邊線距坡頂邊線2m。坡頂以下地質情況為：素填土，厚6m，γ1=18kN/m3，c1=0kPa，Φ1=30°；雜填土，厚2.4m，γ2=18kN/m3，c2=10.5kPa，Φ2=11°；粉質黏土，厚3.0m，γ3=19kN/m3，c3=17kPa，Φ3=20.9°；強風化泥質粉砂巖，厚15m，γ4=22kN/m3，c4=30kPa，Φ4=28°。邊坡設計采用樁承錨定板擋土墻垂直支護，一柱一樁，樁徑D=900mm，間距2m，樁長6m，以強風化泥質粉砂巖為持力層，托梁1000mm×600mm，肋柱350mm×500mm，肋柱上設置3排錨定板，豎向間距1.5m，錨定板初定1m×1m×0.2m，混凝土采用C30，鋼筋選用HRB400（鋼筋符號用C表示）。

土體和墻背摩擦角取15°，破裂角取56.8°，以2m為計算單元，土壓力合力Ea=253.6kN。道路活荷載標準值取15kN/m2，附加土壓力qe=9.0kN/m，分布于墻頂以下3.5m至6m。

錨定板拉桿長度，第一層取8m，第二層取6.5m，第三層取5m，拉桿初選4Φs15.2鋼絞線。

肋柱簡化為下端固定的連續梁，其拉桿支座分兩種工況：工況1，按固定鉸支座考慮；工況2，按彈性鉸支座考慮。根據結構力學方法計算得到兩種工況的肋柱內力，如圖2、圖3所示，工況1肋柱上彎矩和剪力極值相對較均勻，工況2由于拉桿支座柔度大，對肋柱的約束弱，導致肋柱上彎矩、剪力分布類似懸臂梁。工況2相比工況1，肋柱截面的最大內力設計值要大得多。

圖2 工況1肋柱內力計算結果

圖3 工況2肋柱內力計算結果

肋柱按對稱配筋考慮，取最不利內力并考慮1.35的荷載分項系數，彎矩設計值398kN·m、剪力設計值247.5kN，正截面配筋6C25，斜截面配筋4C8@200。

樁分別按基樁和排樁考慮，并將肋柱底部內力施加在樁頂上，樁身最不利彎矩設計值858kN·m、剪力設計值337kN，縱筋配置22C20，螺旋箍筋選用C10@100/200，樁頂以下5倍樁徑范圍內加密。

擋土板按多跨連續板計算，板厚取200mm，彎矩設計值為17.7kN·m，剪力設計值為50.9kN，雙層雙向配筋，水平方向：C10@180，豎直方向：C10@200。

托梁上部承受擋土板及肋柱自重標準值53kN/m，側面承受土壓力標準值49.7kN/m，簡化為受樁支承的連續梁，經計算按構造配筋，正截面四側配筋4C20，箍筋配置雙向4C10@200。

錨定板容許抗拔承載力安全系數取2.0，按前述四種方法計算，由表1結果可看出，鐵三院方法和公路路基手冊推薦方法結果較接近，鐵科院方法和鐵四院方法結果較接近，但對于第一層淺埋錨定板，四種方法計算結果的相對差值較大。按表中計算結果的最小值進行校核，第2、3層錨定板可以滿足要求，第1層錨定板尺寸應適當增大，改用1.3m×1.3m×0.2m。

表1 不同方法分析的錨定板容許承載力（kN）

錨定板按中心支承的受彎構件計算，板面設計荷載為149.2kPa，設計彎矩為18.65kN·m，配筋采用雙層雙向C12@150。

錨定板滑移穩定性計算時，上部活載近似按滿布考慮，等代土層厚度取0.83m，1到3層滑移安全系數分別為3.8、3.4、1.85，整體滑移安全系數為2.2，均大于1.8，滿足要求。

錨定板拉桿最大拉力為110.5kN，設計值取149.2kN，考慮防銹儲備1索錨索，按3φs15.2校核強度，拉桿抗拉安全系數最小為3.45，滿足強度要求。

4 結束語

本文研究了一種適用于軟弱地質條件下填方邊坡支護的樁承錨定板擋土結構。肋柱設計時，應優先按照彈性支承考慮，內力計算更加偏于安全；施工時可以對拉桿施加預應力，并對錨定板前土體進行預壓，增加支座剛度，從施工措施上降低肋柱截面彎矩；錨定板淺埋時，采用不同方法計算所得的容許抗拔承載力結果相差較大，實際承載力應按現場荷載試驗確定。