软土地基上高挡墙设计研究

彭常青，胡东亮，杨小康

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江　杭州　310002)



软土地基上高挡墙设计研究

彭常青，胡东亮，杨小康

(浙江省水利水电勘测设计院，浙江杭州310002)

通过对软土地基上高挡墙的断面设计、基础处理设计和地基整体稳定等3个问题的分析，得出软土地基上高挡墙的抗滑稳定主要靠增大挡土墙的断面和提高地基与底板间的摩擦系数解决，通过桩基承担高挡墙的水平力,既不经济,也无必要，同时还要重视墙后高填方引起的地基整体稳定问题，采取合适的地基处理措施。

软土地基；高挡墙；设计研究

1　问题的提出

软土具有含水率高、孔隙比大、承载力低等特点，修筑在软土地基上的挡墙往往由于地基承载力和沉降量不能满足要求而需要采取地基处理措施。桩基由于其既可以解决竖向承载力和沉降变形，与底板刚性连接后还能承担水平荷载，且桩基具有施工简单、质量容易保证等优点，因此在软土地基挡墙地基处理设计上有着广泛的应用[1-2]。然而，随着挡墙高度增加，墙后填土也随着增高，水平力和地基整体稳定问题将越发突出，设计者如果只考虑地基的竖向承载力问题，而忽视挡墙的水平力和地基整体稳定问题，盲目将桩基与底板刚性连接，按桩基承担全部水平力设计，不够经济，失事的概率也较大。本文通过对挡墙的断面设计、基础处理设计及地基整体稳定3个问题的分析，并以软土地基上某泵站进水口高挡墙为例，阐述软土地基上高挡墙设计的要点。

2　挡土墙的断面设计问题

挡土墙断面设计的核心思想是充分利用挡墙与地基土之间的摩擦力抵抗墙后填土和地下水引起的水平推力。挡土墙断面的确定需通过抗滑稳定计算分析，其计算公式如下：

式中：KC为挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数；∑G为作用在挡土墙上全部垂直于水平面的荷载，kN；∑T为作用在挡土墙上全部平行于基底面的荷载，kN；f为挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数。

以某扶壁式挡墙为例，不考虑地下水位和地面超载等影响，当挡墙的宽高比分别为0.6，0.7，0.8，0.9，1.0时，挡土墙的抗滑稳定安全系数与挡墙高度H之间的关系见表1和图1。

表1　不同宽高比下挡墙高度与安全系数的关系表

注：表中上标1～5的数据分别为宽高比B/H=0.6，0.7，0.8，0.9，1.0的数据。

图1　不同宽高比下挡墙高度与安全系数关系图

由表1和图1可知，当不考虑其他外部荷载时，特定地基条件下，挡土墙的抗滑稳定安全系数与宽高比关系密切，宽高比越大，其抗滑稳定安全系数越大，与挡土墙的高度没有关系。因此在挡土墙设计时，需根据地质条件确定挡土墙的断面大小，并且软土地基上扶壁式挡土墙的宽高比一般要大于0.8～1.0，地质条件越差，宽高比要越大[3]。

3　挡土墙的基础处理问题

随着挡土墙高度的增加，其基底应力也随着增加，以扶壁式挡墙为例，当挡土墙高度由6.00 m增加至14.00 m时，其基底平均应力由90.0 kPa增加至230.0 kPa，而软黏土地基承载力一般仅60.0 kPa左右，显然不能满足高挡墙竖向承载力的要求，需进行地基加固处理。

桩基础由于其施工简单、质量容易保证等优点，是最常用的地基处理措施。然而当桩基与挡墙底板嵌固时，挡墙的受力条件发生了变化，在底板压力的作用下，软土的压缩性大于桩的压缩性，而可能会出现底板脱空[4]，因此SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》要求“当挡土墙采用桩基础时，桩的根数和尺寸宜按承担底面以上的全部荷载确定，其抗滑稳定性应按桩体材料的变形限制条件控制，并考虑挡土墙底板对桩顶的嵌固作用，按群桩计算桩基的允许水平承载力”[5]。天然地基挡土墙和采用桩基础的挡土墙其受力情况见图2。

图2　天然地基与桩基础地基下挡土墙的受力情况图

以某扶壁式挡墙为例，假定桩基长度按水平力完全发挥作用确定，竖向承载力按相应桩基长度计算确定，不同高度挡墙每延米按水平力和竖向力分别所需桩基数量见表2。

表2　挡土墙高度与每延米所需桩基数量关系表

由表2可知，利用桩基来承担挡土墙的水平力所需桩基的数量是承担竖向力所需数量的2.30～1.59倍。假定桩基为直径0.80 m的钻孔灌注桩，SL 379—2007《水工挡土墙设计规范》要求桩中心间距须小于2.5倍桩径，按本例计算结果，当挡土墙高度为8.00 m时，由桩基承担水平力所需灌注桩的间距为1.98 m，已不满足规范不小于2.5倍桩径2.00 m的要求[5]。而事实上通过前一节挡墙抗滑稳定分析可知，当挡土墙的断面确定得较合理时，挡土墙的水平力完全可以由挡墙底板与地基土的摩擦力来抵抗，因此再试图通过桩基承担水平力，以增加挡土墙的抗滑稳定安全裕度既无必要，也不经济。

4　地基整体稳定问题

软土地基的承载力是有限的，一般而言在软土上一次堆载超过3.00 m时，软土会由于强度不足而产生剪切破坏，进而引起整体滑动。然而挡墙墙后填土一般与挡墙同高，因此对软土地基上的高挡墙而言，其整体稳定的问题将越发突出，软土地基上高挡墙失事绝大部分是由于挡墙整体失稳引起的。解决软土地基上过度堆载引起的地基整体稳定问题的方法较多，比较常见的方法有深层搅拌法、碎石桩法、加筋法等。

碎石桩法是指在地基中设置由碎石体组成的竖向桩体，设置碎石桩后，桩体与桩间土形成复合地基，一方面碎石桩置换了部分软土，改善了地基土的性能，提高了地基的承载力；另一方面碎石桩在软土中增加了竖向排水通道，加快了软土的固结[6]。

深层搅拌法是利用水泥作为固化剂的主剂，通过搅拌机械，在地基深处将软土和固化剂强制搅拌，利用固化剂和软土之间产生的一系列物理化学反应，使软土硬结成具有整体性、水稳定性和一定强度的优质地基[7]。

加筋法是指在墙后填土中每隔一定高度铺设水平向的加筋带，将土体分层压实后，土体与加筋带组成一复合体，即加筋土。由于加筋带与周围土之间有较大的摩阻力，限制了土的侧向变形，进而提高了土体的整体稳定性[8]。

5　工程案例分析

某泵站[9]进水池翼墙为3级建筑物，采用扶壁式结构，墙顶高程为7.10 m，底板顶高程-2.00 m，底板厚1.00 m，面板厚0.60 m，前趾长1.50 m，后趾长7.60 m，宽高比0.96，设计断面见图3。翼墙基础为深厚淤泥，淤泥底面高程约-9.70 m，天然含水率60.3%，地基承载力标准值60.0 kPa；以下为粉质黏土，底面高程约-20.00 m，天然含水率25.2%，地基承载力标准值160.0 kPa。

高程以m计，其他均以cm计图3　某挡墙设计断面图

设计挡墙基础采用碎石垫层，计算挡墙抗滑稳定安全系数为1.33，最大基底应力为213.8 kPa，最小基底应力为119.6 kPa。挡墙抗滑稳定安全系数满足规范要求，即墙后水平力可以由地基与挡墙基础之间的摩擦力来抵抗，但天然地基竖向承载力不能满足要求，需进行地基处理。

设计挡墙基础采用D80钻孔灌注桩处理，桩底高程-18.00 m，单桩竖向承载力特征值为955.0 kN，单桩水平承载力特征值180.0 kN。若考虑灌注桩承担水平力，则每延米挡墙所需灌注桩为2.35根，若仅考虑灌注桩承担竖向力，则每延米挡墙所需灌注桩为1.69根，承担水平力所需桩数是承担竖向力所需桩数的1.4倍。而事实上挡土墙的水平力完全可以由地基与底板之间的摩擦力来抵抗，因此不需考虑灌注桩承担水平力。

本例挡墙墙后填土高度超过10.00 m，若墙后不采取地基处理，挡墙整体抗滑稳定安全系数仅0.54，与规范要求相差较大。设计采取在墙后增设高强土工格栅，并适当考虑竖向承载灌注桩的阻滑作用，挡墙整体稳定安全系数提高到了1.12，能满足规范要求。

6　结　语

(1)由于高挡墙的水平力较大，因此在软土地基上高挡土墙设计时应尽量依靠增大挡墙断面和提高地基与底板之间的摩擦系数，满足挡土墙的抗滑稳定要求，试图依靠桩基来承担高挡墙的水平力既无必要，又不经济。

(2)软土地基上高挡墙失稳的主要原因是墙后高填土后，导致深层土体剪切破坏，进而产生整体滑动。因此，选择合适的地基处理措施来提高墙后地基土的承载力，也是高挡土墙设计的主要任务之一。

[1]陆忠民,顾赛英.望虞河立交工程软土地基上岸翼墙设计[J].江苏水利科技，1997(4)：9-14.

[2]王娟.PHC管桩在东风西沙水库取水泵站挡土墙中的应用[J].陕西水利，2013(4)：92-93.

[3]尉希成,周美玲.支挡结构设计手册[M].2版.北京:中国建筑工业出版社，2004.

[4]梁永辉.邻近建筑软基高填方支挡结构的优化设计[J].岩土工程学报，2013,35(增2):697-701.

[5]中华人民共和国水利部.SL 379—2007水工挡土墙设计规范[S].北京:中国水利水电出版社,2001.

[6]陆树荣,王靖,许长安.碎石桩在堤防软基处理中的应用[J].浙江水利科技，2004(5)：49-51.

[7]李立华,范大林,金国强.水泥搅拌桩在地基整体稳定加固中的应用[J].港工技术，2008(2)：47-49.

[8]徐军.加筋土挡墙的作用机理及施工应用分析[J].城市道桥与防洪，2008(11)：88-90.

[9]彭常青,胡东亮,贺金仁，等.湘溪闸站泵站侧翼墙重大设计变更报告[R].杭州：浙江省水利水电勘测设计院,2015.

(责任编辑姚小槐)

Design and Research of High Retaining Wall on Soft Soil Foundation

PENG Chang-qing,HU Dong-liang,YANG Xiao-kang

(Zhejiang Design Institute Of Water Conservancy & Hydro-Electric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang,China)

By analyzing three questions of high retaining wall on soft ground:section design,foundation treatment design and foundation integral stability,it is concluded that the anti-sliding stability of high retaining wall mainly relies on increasing the cross-section and friction coefficient between the foundation and the base plate.Bearing the horizontal force of high retaining wall by pile foundation is neither economic nor necessary.Meanwhile,it is needed to pay attention to integral stability problems of the foundation caused by high fill,and take appropriate foundation treatment measures.

soft soil foundation;high retaining wall;design and research

2016-01-20

彭常青(1985-)，男，工程师，大学本科，主要从事水工设计工作。 E-mail:416426035@qq.com

TV541

A

1008-701X(2016)03-0035-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.009