挡土墙位移控制与变刚度调平设计

2013-08-21唐明科

山西建筑 2013年27期

唐明科

(西安浐灞城市投资建设有限公司，陕西西安 710024)

0 引言

在支挡工程中，高挡土墙(超过8 m)对墙身水平位移很敏感，在墙身无变形的情况下，地基变形是影响水平位移的根本原因。由于挡土墙基底压力不均，墙趾压应力大，墙踵小，就会出现地基变形有差异，墙身向外倾斜的情况。根据“变刚度调平设计”原理，针对墙底压应力的不同，通过对地基不同区域进行不同程度的处理，达到调整地基刚度的目的，从而解决差异变形问题，使墙身的水平位移得到控制，墙体不再倾斜。

地基处理的方法有很多，但是，一般都有条件限制。在施工场地狭窄，空间限制大，大型机械无法就位且处理后承载力要求较高时，可用的处理方法就更是屈指可数。在这个时候，树根桩就是一个很好的选择。《既有建筑地基加固规范》规定“树根桩适合于淤泥、淤泥质土、粘性土、粉土、砂土、碎石土及人工填土等地基土上的既有建筑的修复和增层、古建筑的整修、地下铁道的穿越等加固工程”。树根桩施工程序简单，场地和空间限制小，机械搬运方便，且施打方向受限制小，所以是一种很好的处理方法。

1 工程概况

珠海市绿洋山庄二期道路工程为一块板式道路，宽10 m，中间为机动车道，外侧为人行道，内侧为绿化带;全路段人行道外侧设路肩挡土墙。路肩墙高3.94 m～11.65 m，为衡重式砌石挡土墙。挡土墙下地基土为花岗岩残积土，为了满足承载力要求，墙下设素混凝土基础。但是，由于施工过程中排水不利，导致大量雨水从路面经挡土墙顶部越过，冲刷挡土墙地基土并渗入其中。从4月份开始，弧线外凸部分的挡土墙均发生了不同程度的外倾，墙顶水平位移最大约20 cm，同时，路面出现30多米长的纵向裂缝，但墙身均未出现破坏迹象。

经现场踏勘，确定为因地基进水，导致地基土强度降低，地基承载力陡降，地基变形增大，致使素混凝土基础倾斜，继而墙身倾斜。后拆除倾斜墙体，并开挖基础，发现地基土呈可塑状，且素混凝土基础已经沿挡土墙墙角纵向贯裂，裂缝宽约1 cm。由此可以看出，前面的推断是正确的，地基进水后，残积土强度降低，尤其是靠坡面外侧的地基土变形大，所以使素混凝土基础形成一个近似悬臂结构，出现约1 cm的张裂缝，继而导致其上的挡土墙墙身倾斜。

为了满足地基承载力的要求，对原设计进行了修改，通过加宽挡土墙底部宽度，达到了降低基底压应力的目的。但是，从正常使用极限状态考虑，高挡土墙对变形是特别敏感的，由于地基土大量进水，刚度降低，虽然承载力能够满足要求，但是经计算，变形依然不能满足使用要求，因此，为了满足使用需要，必须对地基进行处理。

由于施工场地长20 m，宽约6 m，且左右两边全是5 m～9 m高的陡坡，用其他的处理方式，施工机械难以安全就位并顺利施工，通过对所有可用方法进行比选，最终选用树根桩来进行处理。

2 具体方案

二次设计方案具体如下:地基处理采用直径为350 mm的树根桩，正三角形布置，间距1.0 m，由于墙趾的压应力大于墙踵，挡土墙建成后，难免出现墙趾处的地基沉降大于墙踵处的沉降，从而导致挡土墙倾斜。根据《建筑桩基技术规范》中所提到的“变刚度调平设计”理念，为了减小由于压应力的差异导致的沉降差异，相对强化挡土墙墙趾处的地基刚度，具体做法为:加长加密墙趾处的树根桩，缩短墙踵处的桩长;桩长分两种，靠边坡外侧的四排桩长16 m，最外侧一排桩向外倾斜15°，内侧桩长8 m。桩头嵌入片石混凝土基础20 cm，主筋锚固在混凝土基础内，锚固长度不小于30倍主筋直径，桩端嵌入中风化基岩，具体布置见图1。

图1 树根桩剖、立面图

施工时采用钻机成孔，成孔完毕后下钢筋笼。主筋采用φ16 HPB335钢筋，鉴于桩上部受力大，而下部受力逐渐减小的情况，半数主筋在1/2桩长以下截断;箍筋为螺旋式，采用φ8 HRB235钢筋。钢筋笼设置结束后投碎石(d=10 mm～20 mm)，然后压入纯水泥浆。水泥用R42.5普通硅酸盐水泥，水灰比0.5～0.6。具体施工按《既有建筑地基加固规范》规定的要求进行，配筋见图2。

图2 树根桩配筋图

3 承载力确定

根据《建筑地基处理技术规范》，处理后的地基承载力按复合地基承载力进行确定，先确定树根桩的承载力，然后再计算地基承载力特征值。《既有建筑地基加固规范》规定“树根桩单桩承载力可通过单桩承载力载荷试验确定，当无试验资料时，也可按国家现行标准GB 50007-2002建筑地基基础设计规范有关规定估算”。由于场地有限，无法对树根桩进行单桩静载荷试验，所以，按《建筑地基基础设计规范》中单桩承载力公式进行估算。

树根桩，桩径350，桩长16 m(8 m)，桩端位于中风化层(强风化层)上，土层侧摩阻力qsi=35 kPa，强风化层端阻力qpa=800 kPa。

1)单桩承载力特征值计算:

取单桩承载力特征值为600 kN。

2)桩身混凝土强度要求:

本工程要求桩身混凝土强度等级 C20，其fck=13.4 MPa＞12.48 MPa，满足要求。

3)复合地基承载力特征值计算。

树根桩桩距1.0 m，正三角形布置，置换率m:

12 m挡土墙基底最大应力为211.42 kPa＜828.7 kPa，承载力满足要求。但是，地基承载力特征值是由荷载试验直接测定或由其与原位试验相关关系间接确定和由此而累积的经验值。它相当于载荷试验时压力—变形曲线上线性变形段内某一规定变形所对应的压力值，其最大值不应超过该压力—变形曲线上的比例界限值，也就是说，承载力满足要求，地基变形未必就能满足正常使用的要求。另外，挡土墙属偏心受力构件，墙趾应力最大，而墙踵应力最小，地基竖向变形必然是不均匀的，若是地基竖向变形整体小，则墙底变形差异绝对值就小，引起的墙身倾斜也小，才有可能满足使用要求，所以需对地基竖向变形进行计算，以验证是否满足正常使用的要求。

4 变形计算

处理后的地基变形按现行国家标准GB 50007-2002建筑地基基础设计规范的有关规定计算，复合土层的分层和天然地基相同，复合土层的压缩模量等于该天然土层的压缩模量的ξ倍，ξ按下式确定:

土工试验结果显示花岗岩残积土的压缩模量Es=4.95 MPa，fspk=828.7 kPa，fsk=200，则 ξ=4.14，处理后地基的压缩模量 Ess=20.5 MPa。

由于树根桩的桩端嵌在中风化基岩中，所以，计算深度即取最大处理深度。

经计算，最终沉降量为296 mm，由于地基承载力小于比例界限值，所以按比例计算，基础前面的沉降量为74 mm，基础后面的沉降量为71.8 mm，基础倾斜0.025°，墙顶水平位移为 5.24 mm，小于10 mm，完全满足使用要求。

5 变形观测

为了密切关注墙体变形，在砌筑的过程中，设置了多个观测点。在施工过程和使用过程中，都进行了连续的观测。经分析观测值发现，观测数值绝对值小，且大小摇摆不定，与变形由小到大不断递增的实际变形过程相去甚远。因此，依据经验断定挡土墙本身和地基变形量极小，从而使观测值受测量误差影响大小摇摆不定，变形无法准确测量。