桩板墙加固路堑边坡的应用及方案优化

叶婷婷

（广州市市政工程设计研究总院 广东广州 510060）

1 引言

桩板墙是指采用抗滑桩支护，在相邻两桩之间挂板或搭板阻挡桩间松散土体的轻型支护结构，近年来被广泛用于道路改扩建、山体滑塌治理和特殊建（构）筑物保护工程。与重力式挡土墙、预应力锚索（杆）和土钉墙等其他支护措施相比，具有结构耐久性好、加固可靠性高、节约用地等特点。桩板墙主要由抗滑桩和挡土墙两部分组成，抗滑桩是主要受力结构，承受墙后坡体的主动土压力，挡土墙支挡桩间松散土体，并将桩间土体对其土压力传递到抗滑桩悬臂段，与其共同作用将土压力传递至抗滑桩锚固段桩周的稳定土层，发挥阻滑加固作用。国内对桩板墙的研究主要集中在墙后土压力荷载作用及其传递特性，桩间距的合理取值等。张永兴[1]通过现场试验，研究合理桩间距条件下土拱效应的三维作用规律，探讨桩间土沿高度方向直接土拱和摩擦土拱的作用程度及范围。黄治云结[2]合现场与室内模型试验分析桩板墙背侧土拱效应与土压力传递特性之间的关系。文献[3～4]基于合理拱轴线的假定，建立了抗滑桩桩间土拱结构与桩间距的力学关系，分析了合理桩间距的取值。本文借鉴现有理论及科研成果，应用于广州某路堑高边坡设计，有效控制了工程施工及运营过程中的滑塌风险，为桩板墙加固既有路堑高边坡设计提供参考。

2 工程概况

广州市某路堑边坡全长395m，最大坡高30.4m，边坡坡脚临近高速公路，坡顶局部范围有学校建筑物，建筑物离坡顶边线最小距离20m。为适应地区规划建设，提升现有高速公路通行能力，对道路进行改造扩建。边坡位于路面拓宽段，需后移现状路堑坡脚。受用地限制，场地无自然放坡条件，坡脚加固方案若采用重力式挡土墙，结合坡面与规划道路边线，满足设计要求的挡土墙高度达8m。施工过程中，坡脚裸露开挖易导致局部塌方，影响公路运营安全，甚至引发坡顶学校建筑倾斜、沉降。为降低施工及运营过程边坡滑塌风险，在学校范围采用桩板墙方案。

3 地质条件

根据地质勘察以及钻孔资料，现状边坡坡体顶部为粉质粘土，厚度约4m，中部以全、强花岗岩为主，厚度约9.5m，坡脚深度约6.5m以下为中、微风化花岗岩，各岩土层物理力学参数详见表1。

表1 岩土物理力学参数表

4 抗滑桩方案设计及优化

4.1 方案设计

桩板墙加固段边坡为2级边坡，最大高度14.8m，改造扩建后的最大高度15.7m。抗滑桩采用钻孔灌注桩，桩位沿扩建道路边线布置，支护高度4～6.7m，嵌固深度4～5.5m。桩身材料与冠梁均采用C30混凝土，挡土板采用C25挂网喷射混凝土。

根据场区工程地质条件，设计不同抗滑桩桩径及间距的三种方案进行比选。①方案一：φ1.2m间距2m；②方案二：φ1.5m间距2m；③方案三：φ1.5m间距2.5m。

4.2 模型建立

作用于抗滑桩的荷载包括滑坡推力、桩前滑体抗力和锚固段地层抗力。由于坡顶学校建筑离坡顶最小距离20m，大于支护高度，根据《建筑基坑工程技术规范》，可不考虑基础底附加应力对支护结构的影响。同时，参考《建筑边坡工程技术规范》侧向岩土压力取主动土压力。墙后荷载分别按滑坡推力和库伦土压力计算建立结构-荷载模型，取最不利工况确定设计参数，其中滑坡推力采用传递系数法计算确定。桩身内力计算采用m法，如图2所示。

图1 边坡支护横断面图（单位：m）

图2 弹性方法计算模型简图

p=kΔ

k=ahn

式中：

p——锚固段以下土体抗力/kPa；

K——弹性抗力系数；

Δ——锚固点以下桩体位移/m；

a、n——计算系数，分别取n=1，a=m；

h——锚固点以下任意点到锚固点的竖向距离/m。

4.3 方案优化

取最不利断面，分别验算方案一～方案三，并估算工程造价。计算结果如表2所示。

表2 抗滑桩支护方案结构计算结果

图3 内力及位移包络图（以方案三为例）

计算断面支护高度6.7m，嵌固深度5.5m，经计算，三个方案均满足设计要求。在桩板墙支护中，抗滑桩为悬臂结构，主要承受侧向水平岩土压力，因此，支护方案主要考虑桩顶水平位移及桩身抗剪能力。对比结果可知，桩径增大，抗弯刚度增加，有效控制桩顶水平位移。同时，桩径加大能有利于增强截面抗剪能力。估算三个方案的工程造价，方案二最高，方案一和方案三相近，综合考虑结构受力计算，选择方案三能取得更好的支护效果。综上分析，在满足设计要求的前提下，采用大直径大间距的抗滑桩能有效降低工程造价并取得较好的支护效果。

5 挡土墙设计

5.1 水平卸荷拱理论

桩间挡土墙的土压力常见有两种计算模式：①当挡土墙的刚度较大，能够直接承受墙后土压力，或者挡土墙置于锚固桩之后，作用于挡土板上的土压力计算及分布按照库伦主动土压力理论；②当挡土墙在桩板墙体系中，其刚度远小于抗滑桩，桩间由于土体内部土拱效应的作用形成水平卸荷拱，挡土墙主要承受桩间卸荷拱的土压力。本工程中挡土墙设计按第二种计算模式。

5.2 结构计算

桩板墙采用先柱后墙的施工顺序，挡土墙按柔性构件设计，厚度0.2m。挡土墙材料采用C25挂网喷射混凝土，竖向沿抗滑桩悬臂高度布置。挡土板计算按两端固定的多跨连续墙梁进行验算，其中计算跨径L为悬臂抗滑桩的净距，土压力计算根据文献[5]提供的卸荷拱土压力计算公式，得到挡土板的跨中最大弯矩M1=qL2/24，支座处最大弯矩M2=qL2/12。根据挡土板的最大弯矩值进行配筋验算，截面满足承载能力设计及正常使用极限状态设计要求。

6 结论

本工程采用桩板墙对高速公路路堑边坡坡脚进行加固，并对三个加固方案进行结构和稳定性计算，计算表明，在满足设计要求的前提下，采用大直径大间距的抗滑桩能有效降低工程造价并取得较好的支护效果。通过方案比选，确定最终优化方案，并应用水平卸荷拱理论复核桩间挡土墙的结构设计。桩板墙加固设计方案有效的降低了施工及运营过程中可能产生的滑塌风险，对坡顶学校建构筑起到良好的保护作用，对同类型的路基改造扩建工程提供参考。

[1]张永兴，董捷，黄治云.合理间距条件悬臂式抗滑桩三维土拱效应试验研究[J].岩土力学与工程学报，2009，31（12）：1874～1881.

[2]黄治云，张永兴，董捷.桩板墙土拱效应及土压力传递特性试验研究[J].岩土力学，2013.

[3]贾海莉，王成华，李江洪.基于土拱效应的抗滑桩与护壁桩的桩间距分析[J].工程地质学报，2004，12（1）：98～103.

[4]李邵军，陈静，练操.边坡桩-土相互作用的土拱力学模型与桩间距问题[J].岩土力学，2010，31（5）：1352～1358.

[5]叶晓明.柱板结构挡土墙上的土压力计算方法[J].地下空间，1999，19（2）：142～146.