衡重式桩板挡墙的应用与研究

刘永春，王石磊

(中国铁道科学研究院 深圳研究设计院，广东 深圳 518034)

1 衡重式桩板挡墙简介

衡重式桩板挡墙作为一种新型挡墙，首次应用于深圳地区边坡工程，结构形式及使用效果如图1所示［1］。该挡墙结合了衡重式挡墙和桩板挡墙的优点，结构形式新颖，发挥了桩板挡墙直立护坡有效利用土地、开挖空间小、卸荷板结构安全可靠、耐久性好等特点。

图1 衡重式桩板挡墙结构形式及使用效果

带衡重台的挡土墙，称为衡重式挡土墙，其主要稳定条件仍凭借于墙身自重，但由于衡重台上填土的重量使全墙重心后移，增加了墙身的抗倾覆稳定性。衡重式挡土墙一般用于6 m以下的边坡，但由于其基底面积较小，对地基承载力要求较高，一般设置在坚实的地基上［4］。

带卸荷板的重力式挡墙很早即应用于码头工程中［6］，设计人员考虑了卸荷板对下墙的减压作用，能对下墙土压力起到遮帘作用，发挥卸荷的作用，但不考虑卸荷板对墙身产生的弯矩，故不影响下墙的弯矩分布，因而卸荷板的效果不能完全发挥。

衡重式桩板挡墙利用衡重台的卸荷作用，减小了卸荷板下墙的土压力，与下墙整体浇筑的卸荷板对肋柱提供一个与土压力作用相反的弯矩，改变下部挡墙的弯矩分布，优化了挡墙的内力分布。

卸荷板下的土压力分布情况较复杂，在卸荷板刚度较大的情况下，卸荷板变形较小，板上土压力不能传到板下，卸荷板下部挡墙相当于在卸荷板宽度B外侧作用有均布荷载的挡墙，采用局部荷载作用下墙背的土压力分布形式，如图2所示。墙后土压力在 c点处突变，一直影响到深度d处。图2中的θ角在文献［2］中取(45°+φ/2)，在文献［5］中则从工程经验与计算简易性考虑取45°。

图2 填土表面有局部荷载作用下土压力分布

2 工程应用

2.1 工程概况

深圳地区的地势东南高、西北低，属于丘陵、台地地貌，市内有众多的住宅小区边坡支挡结构。拟建的深圳地铁三号线运营配套公寓与培训基地边坡支挡工程位于龙岗区横岗街道，场地北侧边坡高差约10 m，为了充分利用建筑红线内土地，北侧边坡采用直立式挡墙。

2.2 场地工程地质条件

场地原始地貌单元为谷地，现状地表为填土。地层从上到下性质及参数见表1。

表1 地层参数

本工程设计中，为了减小墙后土压力，降低墙身的内力，墙后填料选用粗砂石料［2］，材料的重度 γ=18 kN/m3，材料内摩擦角 φ=36°。结构布置断面形式如图3所示。墙后土压力计算中采用砂石料的土工参数，整体稳定性计算中采用原位地层土工参数。

图3 现场挡墙布置示意

2.3 结构选型

抗滑桩采用人工挖孔桩，拟定桩径为1.4 m，桩距2.4 m。

上墙的弯矩较小，初定上墙高h1=4.0 m。下墙高h2=6.0 m，由肋柱承担弯矩，肋柱内侧设有挡土板，按水平单向板计算。卸荷板宽度 B=3.5 m，厚度0.5 m，按水平单向板计算。

冠梁截面0.8 m×1.5 m(高×宽)，冠梁顶面与地面平齐。

桩长取H=7.0 m。

挡墙尺寸参数依据经验取值，通过建立模型计算后可进行一定程度的优化。

挡墙为钢筋混凝土结构，计算参数参考勘察资料及设计规范。

2.4 结构计算

2.4.1 土压力计算

衡重式桩板挡墙的上墙水平土压力采用朗肯主动土压力，卸荷板上竖向土压力为填土自重加地面荷载P。

下墙水平土压力考虑卸荷板的卸荷作用，对下墙而言视为卸荷板右侧作用均布荷载，采用填土表面有均布荷载的土压力计算方法［3］，此处应力扩散角采用较为常用的45°［5］。地面均布荷载取 P=20 kPa。荷载及节点弯矩如图4所示。其中:E1为上墙水平土压力，E2为卸荷板下土体对下墙水平土压力，E3为卸荷板右侧土体对下墙土压力，E4为卸荷板上竖向土压力;M1u、M1r、M1d分别为卸荷板端部点 1处挡墙上侧、右侧、下侧的弯矩，M2u为肋柱与冠梁交点2处挡墙上侧弯矩;h′2为卸荷深度。

图4 衡重式桩板挡墙荷载及节点弯矩

各项土压力的计算

式中，Ka为主动土压力系数。

2.4.2 挡墙节点的弯矩计算

上下墙连接点1和冠梁顶点2处(图4)弯矩的计算

2.4.3 采用sap2000计算结构内力

桩前抗力采用弹性地基梁m法

其中，φ、c分别为土层的固结不排水剪的内摩擦角和黏聚力标准值;Δ为基坑底面位移量(mm)，无经验值时，一般取10 mm。经计算粉质黏土中 m取12 000 kN/m4，而全风化凝灰岩的m值可根据地质勘察报告取30 000 kN/m4。

衡重式桩板挡墙为新型支挡结构，现有的有限元软件如中国建筑科学研究院基坑与边坡支护结构设计软件及理正岩土设计软件均无法考虑卸荷板的作用，本次设计采用sap2000结构有限元软件计算，对结构施加已知荷载来计算结构内力，计算模型如图 5(a)，结构弯矩如图5(b)。

图5 sap2000计算挡墙荷载分布及弯矩

2.4.4 采用G-slope计算挡墙整体稳定性

计算结构的整体稳定性，现有的基坑及边坡软件无法考虑卸荷板的增稳作用，现采用G-slope计算结构整体稳定性，土层参数取用地层原状土体参数，计算整体稳定系数为1.8，满足规范要求，结果如图6所示。

图6 挡墙整体稳定计算结果

3 影响因素分析

施工工序如下:放坡开挖→施工人工挖孔桩→施工冠梁→整体浇筑肋柱及挡土板→整体浇筑卸荷板及上部挡墙。

3.1 考虑施工工况的影响

当填土到卸荷板下，施工卸荷板和上部挡墙时，验算如下:

当肋柱和挡土板浇筑，墙后回填到卸荷板下表面时，挡墙为悬臂状态，为不利工况，应验算挡墙肋柱的弯矩是否满足结构设计抗弯强度。此时不考虑地表附加荷载，墙后土压力为

冠梁顶部2点上侧弯矩为

挡墙要满足施工工况和正常使用状态的强度要求，须有

经计算，结构设计满足此项要求。

3.2 考虑外荷载P的影响

外荷载P为可变荷载，设计时按照20 kPa计算。P对结构的上墙和卸荷板为不利荷载，增加了这部分的内力。对于卸荷板下墙体，荷载P对冠梁顶部2点处产生的正弯矩和负弯矩分别为

经过验算，得

可见，本工程中外荷载P对挡墙下部结构产生的负弯矩大于正弯矩，为不利荷载。

4 结语

衡重式桩板挡墙作为直立式支挡结构，克服了锚拉式桩板挡墙对墙后锚索施工空间要求高、锚索长期工作的应力松弛及锚索防腐等问题，在城市空间愈发狭小的情况下，有很大的应用价值。设计中不仅要按照正常使用状态验算结构强度，而且要考虑施工工况，校核不利工况下的结构强度。它作为一种新型的支挡结构，其受力及变形情况还没有成熟的计算方法，本文所采用的只是衡重式挡墙和桩板挡墙计算方法的简单叠加，墙后土压力的分布没有考虑挡墙位移的影响，也没有考虑墙土相互作用对结构内力的影响。衡重式桩板挡墙受力及变形特征有待试验验证。

［1］刘国楠.深圳地铁三号线运营配套公寓与培训基地边坡支挡工程［Z］.深圳:中国铁道科学研究院深圳研究设计院，2009.

［2］陈仲颐，周景星，王洪瑾.土力学［M］.北京:清华大学出版社，1994.

［3］杨位洸，地基及基础(第三版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，1988.

［4］尉希成，周美玲.支挡结构设计手册(第二版)［M］.北京:中国建筑工业出版社，2004.

［5］GEORGIADIS M，ANAGNOSTOPOULOS C.Lateral Pressure On Sheet Pile Wall Due To Strip Load［J］.Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering，1998(1):95-98.

［6］孙经龙.带卸荷板空心方块码头设计中若干问题探讨［J］.水运工程，1981(7):33-34.