关于“静压预制钉桩挡土墙”的设计设想

黄仕樵　肖登峰

(福建省建筑设计研究院　福建福州　350001)



关于“静压预制钉桩挡土墙”的设计设想

黄仕樵肖登峰

(福建省建筑设计研究院福建福州350001)

在现实的工程设计中，挡土墙的设计经常会遇到基础为软土地基，通常做法是先对软基进行处理以满足地基承载力和滑移稳定验算的要求。静压预制钉桩挡土墙的设计设想主要是考虑无需对软基进行处理的情况下修建挡土墙。其设想是：挡土墙由预制挡土墙墙身和静压桩组成，在预制挡土墙墙身安装就位时，挡土墙墙背土压力没有加载，挡土墙墙身自重不大，对地基承载力要求不高。当预制静压桩与挡土墙墙身通过后浇混凝土连成整体后，挡土墙墙背土压力产生的水平力和竖向力部分由桩基承担，使挡土墙地基承载力和滑移稳定满足规范要求。经模拟工程计算，采用预制钉桩挡土墙设计设想计算各项指标能满足规范要求。

静压；预制钉桩；挡土墙

0　引言

挡土墙是用来支撑天然边坡或人工填土边坡以保持土体变形稳定的支挡构筑物，在工程设计中广泛应用于支撑路堤、路堑边坡、隧道洞口、桥梁引道及河流岸壁等。目前工程设计中常用的挡土墙一般采用重力式、半重力式、衡重式、加筋土式、护壁式、桩板式、锚定板式、锚杆式挡土墙[1]。

在实际的工程设计中，往往会遇到基础为软土地基，地基承载力较低，有时也会受到周边建筑物的影响，开挖受到限制。当遇到软土地基时，通常的做法是对地基进行处理，使其基础承载力先达到设计要求，也就是通常采用的水泥搅拌桩、预应力管桩、松木桩等处理方式。如受建筑物的影响，无法进行开挖时，要采用抗滑桩或锚杆抗滑桩等特殊挡土墙处理方式。这样对挡土墙建设的工程造价、施工工期、施工难度都有较大的影响。为了解决上述问题，采用静压预制钉桩挡土墙设计，目的是解决施工难预制构件，挡土墙表面还可以预制成各种花纹或浮雕，增度，缩短施工工期，降低工程造价。静压预制钉桩挡土墙所有构件均采用预制、现场安装，施工方法简单，由于是加挡土墙的景观效果，适合工业化生产。

根据水工挡土墙设计规范，挡土墙的验算主要是考虑滑移稳定、倾覆稳定、地基整体稳定及地基沉降计算，如果在水中地下水位较高的挡土墙尚要考虑抗浮计算，以及挡土墙自身的结构受力分析计算[2]。

1　设想思路

静压预制钉桩挡土墙设计设想是采用预制挡土墙墙身吊装就位后在挡土墙底板预留孔内压入预制桩，然后预制挡土墙和预制桩通过后浇混凝土使之连成整体。当挡土墙背后回填土后，预制挡土墙和预制桩共同抵抗外力作用，水平向利用桩的水平抗力、基底摩阻力，竖向利用地基土与桩之间的摩阻力、地基承载力来共同抵抗各种荷载组合效应对挡土墙产生的水平力和竖向力，保证挡土墙的滑移稳定，倾覆稳定，整体稳定。由于桩的作用，挡土墙地基承载力和抗滑移能力大大提高，所以，挡土墙的设计尺寸可以缩小，土方开挖断面随之减小，对周边影响也随之变小，分段开挖吊装施工，施工工期短，对周边的干扰和安全隐患会大大降低。设计图如图1、图2。

图1　立剖图

图2　平剖图

2　计算方法

计算简图如图3。

图3　计算图式

2.1计算参数

∑G为全部结构总重，结构荷载按结构几何尺寸乘以材料容重计算；

Ea为全部土压力合力；Ex为水平土压力；Ey为竖向土压力，土压力按库伦理论或朗肯理论公式计算[1]。

Бmin、Бmax为挡土墙基底以上全部荷载产生的地基最小、最大应力值；

F为基底摩阻力，按接触土层的摩擦系数乘以挡土墙基底以上全部荷载计算；

∑q1为墙踵底板以上填土重量；

∑q2为墙趾底板以上填土重量；

Zx为基底全宽；

Zw为相对于墙趾点，墙身重力的力臂；

Zw1为相对于墙趾点，墙踵上土重的力臂；

Zw2为相对于墙趾点，墙趾上土重的力臂；

Zx为相对于墙趾点，Ey的力臂；

Zy相对于墙趾点，Ex的力臂；

Rq、Rh为前排桩和后排桩的反力；

Lq、Lh为前排桩和后排桩的桩长；

Lqz、Lhz为前排桩和后排桩至墙趾点的距离。

2.2结构分析计算

挡土墙的墙身和底板在距墙身和底板交线1.5Lx区段以内(Lx为扶壁净距)按在梯形荷载作用下三边固支、一边自由的双向板计算，其余部分按单向板或连续板计算。扶壁部分按固定在底板上的悬臂梁，按T形截面受弯构件计算[3]，桩部分按受弯构件计算。结构部分计算可选用相应的软件进行计算。

2.3单桩水平承载力设计值计算[4]

单桩水平承载力设计值RH=α3*EI*Xoa/Vx

L1为平行于水平力作用方向的桩间净距；

h1为地面或局部冲刷线以下桩的计算埋入深度，可取h1=3×(d+1)，但不得大于地面或局部冲刷线以下桩入土深度；

kf为桩的形状换算系数，矩形截面kf=1.0；

Xoa为桩顶允许水平位移；在无试验数据时可取10mm。

Vx为桩顶水平位移系数，按桩的换算埋深α×h查桩基规范桩顶水平位移系数Vx，当α×h>4时取α×h=4。H为桩的埋人深度，即取桩长。

2.4抗滑移计算

挡土墙整体抗滑移计算时考虑桩的水平承载力和挡土墙基底以上全部荷载对基底产生的摩阻力抵抗由土压力产生的水平推力，即：

Kcγ0Ex≤∑RH+∑F

γ0—为结构重要系数。

Kc—为安全系数；Kc=1.3

2.5抗倾覆计算

挡土墙整体抗倾覆计算时考虑相对于墙趾点由墙身重力、土压力的竖向分力、墙踵上填土重、墙趾上填土重产生的抗倾覆力矩抵抗由土压力水平分力引起的倾覆并满足规范要求的安全系数要求。

Kcγ0Ex×Zy≤∑G×Zw+Ey×Zx+∑q1×Zw1+∑q2×Zw2

2.6桩竖向承载力、桩长及偏心距计算

2.6.1桩竖向承载力计算

当预制挡土墙吊装就位后至填土前，地基承载力要满足Бmax≤修正后的地基承载力特征值。

当挡土墙墙踵和墙趾上填土后，基底以上荷载产生的力由桩的竖向承载力来承担，根据力的平衡原理建立方程。即相对于墙趾点时：

∑Rq×Lqz+∑Rh×Lhz+∑Ex×Zy=∑G×Zw+Ey×Zx+∑q1×Zw1+∑q2×Zw2

(1)

∑Rq+∑Rh=∑G+∑Ey+∑q1+∑q2

(2)

求解上述(1)、(2)方程式得Rq、Rh值

Rq、Rh≤μ∑qikli

2.6.2桩长计算[4]

Lq、Lh=∑li≥Rq、Rh/μ∑qik。

μ为桩的周长；

qik为各土层桩侧摩阻力；

li为各土层厚度。

2.6.3偏心距计算

基础底面合力作用点距离基础趾点的距离Zn=基底以上相对于墙趾点的力矩/作用于基底总的竖向力。偏心距e=基础底面宽度B/2-Zn。为了保证后排桩不出现受拉状态，偏心距e应小于前、后排桩间距的一半，并满足规范要求e≤0.250×B。

3　施工工艺

根据挡土墙所需的断面开挖土方到位后，基底浇筑10cm混凝土垫层(混凝土垫层预留钉桩孔)，待混凝土强度达到80%以上时，将工厂预制的挡土墙及钉桩运输到现场由起重机吊装就位在混凝土垫层上，然后安装静压支架，安放预制钉桩(预制桩可根据设计桩长分桩尖段、桩头段和标准段)，安装千斤顶，然后将钉桩压入土中。当计算单桩承载力大于挡土墙自重一半以上时，需用混凝土预制块压重，避免预制挡土墙被提起，桩无法压到位。最后，恢复底板钢筋，浇筑后浇混凝土。每一节段施工完成后进行墙后回填土。压桩示意图如图4。

图4　压桩支架示意图

4　模拟工程计算

4.1计算参数

假定地基为软土地基(单层)，软土层厚度为6m，软土以下为粉质粘土层，墙后坡顶附加恒载、地下水位对挡土墙的浮力影响不考虑。

地基土容重：18 kN/m3

墙后填土容重：19 kN/m3

墙后填土内摩擦角：35°

墙背与墙后填土内摩擦角：17.5°

地基承载力特征值：80kPa

桩侧土水平抗力系数的比例系数：m=5 000mN/m4

桩周摩阻力：40kPa

基底摩擦系数：0.25

地面横坡角度：20°

填土对横坡面的摩擦角: 35°

墙顶坡面线角度：0°

抗滑稳定系数：1.3

抗倾覆稳定系数：1.3

基底偏心距容许值：0.25

截面偏心距容许值：0.3

预制挡土墙混凝土标号C30

混凝土容重25kN/m3

纵筋级别: HRB400

抗剪腹筋级别: HPB300

裂缝计算钢筋直径: 25(mm)

钢筋合力点到外皮距离: 50(mm)

钢筋弹性模量Es:2.0x105

混凝土弹性模量Ec:3.0x104

4.2挡土墙结构尺寸

挡土墙底板厚60cm

挡土墙墙面厚25cm

挡土墙护壁厚45cm

护壁间距250cm

墙趾底板宽85cm

墙踵底板宽125cm

挡土墙总高度600cm

挡土墙埋入地面以下100cm

预制挡土墙节段长470cm

4.3预制钉桩尺寸

预制钉桩采用30cm*30cm矩形截面，每一节段前后布置4根共8根，桩长6m。桩布置如图2。

4.4计算结果

计算采用理正岩土挡土墙设计软件5.6版。

挡土墙稳定计算结果如表1。

表1　挡土墙稳定计算结果表

综上计算：在结构满足设计要求的前提下(结构设计计算结果由肋板跟部裂缝宽度0.178mm和墙踵板跨中截面裂缝宽度0.176mm控制，裂缝控制宽度为0.2mm)[3]，挡土墙抗滑移验算、地基承载力验算不能满足设计要求，需要钉桩来承担不足部分的滑移力和地基承载力。根据上述设计设想公式计算受力分析结果如表2。

表2　受力分析计算结果表

4.5分析比较

按每节点4.7m估算,结果如表3。

表3　分析比较表

5　结论

(1)采用预制钉桩挡土墙设计设想计算各项指标能满足规范要求。

(2)采用该方法设计的挡土墙可采用工厂化生产，施工工艺简单，基坑暴露时间短，安全性能高，工期短，造价低。

[1]薛殿基，冯仲林.挡土墙设计实用手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2008.

[2]SL379-2007 水工挡土墙设计规范[S].北京：中国水利水电出版社，2007.

[3]GB50010-2010 混凝土结构设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.

[4]JTD D63-2007 公路桥梁地基与基础设计规范 [S].北京：人民交通出版社，2007.

Design idea of static pressure precast screw pile retaining walls

HUANG ShiqiaoXIAO Dengfeng

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

In practical engineering design, the design of retaining walls often meets the foundation of soft soil foundation, the usual practice is to dispose the soft soil foundation first to satisfy the requirements of the foundation bearing capacity and the sliding check stability. The design idea of static pressured precast screw pile retaining walls is that there is no need to dispose soft soil foundation when building retaining walls. The idea is: retaining walls made of prefabricated wall body and static pressure piles, in precast wall body installation, soil pressure behind the wall is not loaded, the wall body’s weight is small, the requirements of the foundation bearing capacity is low. When the static pressure precast piles and retaining wall body are connected as a whole through post poured concrete, horizontal force and vertical force of soil pressure behind the wall borne by pile foundation, then the retaining wall foundation’s bearing capacity and slip stability can satisfy the requirements of specification. According to engineering simulation calculation, all indexes of static pressure precast screw pile retaining walls meet the specification requirements.

Static pressure; Precast screw pile;Retaining walls

黄仕樵(1963.8-)，男，高级工程师。

E-mail:973036933@qq.com

2016-05-13

TU476+.4

A

1004-6135(2016)08-0079-05