复合式排桩挡土墙在软土地基中的应用

2017-05-11

湖南水利水电 2017年3期

关键词：条块大塘排桩

（福建省宁德市东侨东湖塘海堤水闸管理处宁德市352100）

复合式排桩挡土墙在软土地基中的应用

李松兴

（福建省宁德市东侨东湖塘海堤水闸管理处宁德市352100）

结合工程实例，文章介绍了复合式排桩挡土墙在南大塘排洪渠中的应用，分析复合式排桩挡土墙的设计思路和计算原理，为其在建设场地受限条件下软土地基水利挡墙应用中提供借鉴。

排桩挡土墙水利软土地基应用

软土地基水利挡墙常采用的型式有重力式、半重力式、悬臂式、扶壁式、加筋土钉式、地下连续墙、排桩式、水泥土墙、土钉墙、板桩式，其中重力式挡土墙在工程中最为常见，悬臂式、扶壁式使用也较多。以往排桩常用于建筑深基坑支护，较少作为永久性支挡建筑物。随着国家大力建设民生水利工程以及城区土地价值提升，近年来排桩逐步应用于软土地基水利挡墙中，特别是施工场地受限的城区河道护岸中。其中复合式排桩挡土墙既有挡土功能，又有抗洪水冲刷效果，既作为永久支挡结构，又可利用作为临时支护结构，一举多得，施工中可采用逆作法确保施工安全，与场地受限地区软土地基水利护岸要求不谋而合，解决了一大难题。2012年，我们在南大塘排洪渠设计过程中，根据排洪渠护岸特点结合支护排桩进行有机组合，形成复合式排桩挡土墙。从投入使用后5年的运行情况看，效果良好。

1 工程概况

南大塘排洪渠位于宁德市中心城区金塔组团，作为南部城区排泄山洪和城区涝水的主要通道，控制集水面积12.5 km2，5年一遇设计洪峰流量94.1m3/s，河道宽度（14～20）m，最大墙高6.0m，受东湖回水影响护岸按3级建筑物设计。

2 工程地质条件

根据工程地质勘察成果，场地表层为素填土，中层为全新统冲海积层。场地岩土层可划分为5层，其工程地质特征自上而下分布有素填土①、淤泥②、中砂③、圆砾④、残积砂质粘性土⑤。地下水水位约（0.1～1.1）m，抗震设防烈度为6度，各岩层物理地质指标见表1。

表1 各岩土层承载力特征值及参数表

3 排桩挡土墙设计

排桩挡土墙按照排列形式分为柱状式、连续式及复合式，其中柱状式排桩挡土墙常用于地下水位较低、边坡地质条件好、不易产生桩间溜土的场地；连续式和复合式排桩挡土墙常用于地下水位较高、边坡地质条件较差的软土地基。按支撑情况，排桩挡土墙又分为悬臂式和支撑式，其中悬臂式排桩挡土墙适用于护岸高度小，变形要求低的场地；支撑式排桩挡土墙适用于护岸高度大，地基地质条件差、对变形要求严格的场地。

南大塘排洪渠护岸两侧为密集的工业厂房和民房，最窄处宽度仅为25.0m。水利计算要求采用直立式挡墙且河底高程无法提高，护岸开挖深度达（3.8～6.3）m，若采用周边地区常用的重力式、扶壁式等护岸结构型式带来的巨额拆迁费用无法承担，实施难度极大。而钢板桩、预制混凝土板桩等常用于对变形要求不高的临时基坑支护。该工程设计时还选择扶壁式、重力式等多种挡墙结构在经济、工期、社会稳定等方面进行比选，最终采用复合式单支点冲孔灌注桩挡土墙方案（见图1、图2）。本方案结构型式简单、抗水力冲刷能力强、占地小、有效减少拆迁量、施工范围小、受外界干扰小，可满足工程功能需求，且综合造价不高。

图1 南大塘排洪渠护岸横剖面图（单位：mm）

图2 南大塘排洪渠护岸单支点冲孔灌注排桩挡土墙布置图（单位：mm）

3.1 工程措施

挡墙采用复合式排桩结构，共设两排桩，排距2.0m，其中临水侧桩径0.7m，桩距3.6m，桩长17.0 m，背水侧桩径0.7m，桩距1.8m，桩长23.0m，均为C30钢筋混凝土冲孔灌注桩，两排桩间采用C25钢筋混凝土承台连接，背水侧桩桩顶设置C25钢筋混凝土冠梁（宽0.9 m×高0.6m），背水侧桩外侧设置厚0.4m的C25钢筋混凝土面板直通墙顶，面板上设两排DN75PVC排水管。排洪渠渠底每隔3.6m，设置1根C25钢筋混凝土顶梁（宽0.4 m×高0.6m）。挡墙每隔12.0m设一结构分缝。

3.2 结构计算

排桩挡土墙受力分析根据受力条件可分段按平面问题考虑，其受力、变形特征与其桩体平面布置、锚固段埋置深度、各地层地质条件和支撑形式等因素有关。排桩挡土墙的受力、变形分析，按假定边界条件不同，目前较为常用的计算方案有弹性支点法、等值梁法、弹性桩法等。

排桩挡土墙稳定计算主要有抗倾覆、抗滑移、抗隆起及整体稳定分析等多方面。工程设计中初拟结构断面进行各项指标验算，该工程结构计算主要采用《建筑基坑支护技术规程》JGJ120-2012进行分析计算。

3.2.1 锚固深度计算

施工期按悬臂式排桩挡土墙（渠底对撑梁未实施）在极限状态下的锚固深度工况计算，可采用式（1）确定锚固深度：

式中∑Epj——所有被动土压力之合力（kN）；

hp——所有被动土压力合力作用点至桩底的距离（m）；

γ——安全系数；

∑Eai——所有主动土压力之合力（kN）；

ha——所有主动土压力合力作用点至桩底的距离（m）。

渗流稳定期和水位降落期按单支点排桩挡土墙采用传统的等值梁法，按式（2）计算确定锚固深度:

式中∑Epj——所有被动土压力之合力（kN）；

hp——所有被动土压力合力作用点至桩底的距离（m）；

Tcl——支撑受力（kN）；

htl——支撑受力点至桩前地面距离（m）；

hd——桩锚固深度（m）；

γ——安全系数；

∑Eai——所有主动土压力之合力（kN）；

ha——所有主动土压力合力作用点至桩底的距离（m）。

3.2.2 抗倾覆稳定性验算

抗倾覆安全系数Kc采用式（3）计算：

式中Mp——被动土压力及支点力对桩底的抗倾覆弯矩（kN/m）。

Ma——主动土压力对桩底的倾覆弯矩（kN/m）。

3.2.3 整体稳定验算

整体稳定验算按平面问题采用不计条块之间作用力的瑞典圆弧法，稳定渗流期和水位降落期的安全系数采用有效应力法，施工期安全系数采用总应力法，计算公式如下：

式中b——条块宽度（m）；

W1——墙外水位以上条块实重（kN）；

W2——墙外水位以下条块浮重（kN）；

Z——墙外水位高出条块底面中点距离（m）；

u——稳定渗流期或水位降落期坝体或地基中的孔隙水压力（kN）；

β——条块的重力线与通过此条块底面中点的半径之间夹角（°）；

γw——水的容重（kN/m3）；

c′、φ′——土条底面的有效凝聚力（kN/m2）、有效内摩擦角（°）。

3.2.4 抗隆起验算

抗降起验算采用《建筑基坑工程技术规范》YB9258-97中Prandtl(普朗德尔)公式：

式中γ——土的重度（kN/m3）；

c——土的粘聚力（kN/m2）；

q——地面荷载（kN/m2）；

Nq、Nc——地基承载力系数。

3.2.5 计算成果

根据上述计算方法进行分析计算，各项指标结果详见表2。

表2 各项指标计算成果表

3.2.6 侧向容许变形

排桩挡土墙侧向容许变形值需要考虑挡墙后土体失稳、结构破坏以及变形过大对墙顶建筑物的影响等因素。排桩挡土墙侧向变形主要考虑控制墙顶和锚固段顶部变形量。锚固段顶部侧向变形施工期按不大于10mm控制，稳定渗流期和水位降落期按不大于5mm控制。墙顶侧向变形主要考虑因桩身过大变形对周边建筑物产生沉降的影响，排桩挡土墙侧向变形与墙后地面沉降的关系通常按三角形式、Peck法或抛物线式等方法进行估算。

3.3 施工注意事项

（1）为减少基坑开挖时单排桩支撑所带来的桩身变形，可采取以下措施：①先浇筑桩顶冠梁，待冠梁混凝土强度达到标准强度后再开挖基坑；②基坑开挖采用分层分段法，纵向一般每次开挖长度不超过12.0m，位置与挡墙分缝错开，横向开挖采用逆作法每次下挖2.0m后立即喷射桩间混凝土护面；③基坑开挖至基底并清基后应立即浇筑承台素混凝土垫层，使两桩间形成支挡结构。

（2）基坑开挖过程中应加强桩身变形观测，严格控制基坑开挖速率，严禁墙后超载，当桩身变形超过设计允许值时必须立即停止开挖并回填桩前土体。