圆形桩板墙在某高陡斜坡路基边坡加固处治设计中的应用

李艳明

（山西省交通科学研究院，山西 太原030006）

0 引言

为保证路基边坡稳定，公路、铁路运营安全，常常对高填深挖路基、高陡路基段边坡采用支挡加固。传统的支挡结构主要有重力式挡土墙支挡、衡重挡土墙支挡、悬臂或扶壁式挡土墙支挡等等。考虑传统支挡结构受支挡结构高度、占地、锚固力等原因的限制，在高填深挖路基、高陡路基边坡加固处治中很难发挥较好的效果，因而研究发展采用轻型加筋挡土墙、轻型桩板墙、预应力锚索桩板墙等支挡结构，这些支挡结构可以很好地弥补传统支挡结构在高度、占地、锚固力、抗滑力等不足问题。轻型加筋挡土墙、轻型桩板墙（矩形桩）、预应力锚索桩板墙（矩形桩）等支挡结构在现公路、铁路、公民建已经得到广泛的运用[1-3]，相关研究较多，设计计算较成熟，但对于抢险工程及受地形条件限制等原因的边坡滑坡（塌）、高陡斜坡处治中使用圆形路肩桩板墙相关研究较少，有进一步研究的价值。

1 工程概况

本工程地形地貌主要以丘陵沟壑区、黄土台塬为主。地震烈度为Ⅵ区，地震动反应谱特征周期为0.45 s。根据地质勘察和钻孔柱状图揭示，本工程地层岩性主要有：二叠系千峰组（P2sh）泥岩与砂岩互层，岩芯易折易碎，强度低，钻进速度快；上更新统峙峪组(Q3s)与马兰组(Q3m)；全新统冲洪积物(Q4al+pl)黄土。

某高速公路0 号桥台处（K102+100—K102+128），为半填半挖的高陡斜坡路基，路基最大填土高度20.2 m（见图1）。为增强高陡斜坡路基稳定性、收缩坡脚、节约占地和避免路基左侧房屋的拆迁，在路基坡脚处设置填土12 m 路堤重力式挡土墙，挡土墙外边线离最近房屋院墙约6 m，同时在本路段土路肩位置设置加强型钢波形护栏。施工开始后，村民以存在安全风险为由要求公路远离其房屋、院墙或将其两户居民整体搬迁。经计算整体搬迁两户居民拆迁费用索要太高，经多次沟通无果，考虑工期紧张，拟采用其他技术措施避免拆迁，以顺利完成项目施工。

图1 高陡斜坡路基位置图

2 方案比选设计

针对上述情况，设计提供两个设计方案进行比选。方案一考虑原路堤挡土墙往路基内移，但由于地面横坡较陡，要求挡土墙高度已经超过挡土墙设置限值12 m 高度，结合地形地貌、地层岩性及水文情况等考虑在左幅路肩处设置路肩桩板墙；方案二在左幅按引桥标准跨径增设一孔50 m T梁，该处左幅路基以桥梁跨越，右幅路基中央分隔带边缘设置路肩挡土墙，挡土墙墙顶设置混凝土防撞护栏。

经比选，方案二采用桥跨方案彻底解决高陡斜坡路基问题及村民所要求解决的问题，增设一孔50 m T梁工程建安费约260 万，工程造价相对较高；方案一工程建安费约130 万。

经综合比较采用方案一，即采用圆形路肩桩板墙方案。

3 圆形路肩桩板墙设计

3.1 桩截面及桩间距设计

桩板墙根据桩的截面形式主要可分为圆形桩板墙和矩形桩板墙。经计算比较（见表1），矩形桩板墙在相同地质条件、相同桩径、相同桩间距等条件下所提供抗滑力明显大于圆形桩板墙所提供的，桩顶水平位移明显小于圆形桩板墙桩顶水平位移，仅在桩后外荷载在100～200 kN 时，圆形桩板墙锚固桩所需钢筋较矩形桩板墙锚固桩少。经分析，出现此类结果其主要原因是矩形桩计算宽度较大、所提供的抗力面较大、抗弯刚度较大。圆形桩板墙所能提供的抗力一般较小，经计算比较，相同桩径不同桩长圆形桩板墙所提供的抗力一般在100～400 kN 有较好的经济价值，当桩后水平推力较大时，一般需要增加钢筋来满足其抗弯等要求，经济效果不佳。但由于其采用机械化成孔，成孔速度较快，安全隐患相对较小等，尤其在抢险加固工程[4]、工期紧张、所需提供的抗力较小工程等有特殊要求工程中有较好的使用价值。

表1 矩形桩板墙与圆形桩板墙抗力、钢筋数量及水平位移比较表

考虑圆形路肩桩板墙采用机械成孔，且成孔速度较快，施工相对较安全，满足工程工期要求，同时为满足尽快不影响村民生活及安全等要求，在锚固桩所提供的抗力满足桩后外荷载（本工程外荷载约310 kN）作用的情况下，对K102+100—K102+128 段高陡斜坡采用圆形路肩桩板墙进行加固处治。

通过荷载计算，考虑高度斜坡路基处地层岩性、挡土板与锚固桩的搭接、施工方便及同时满足尽快不影响村民生活及安全等要求，锚固桩地面以下采用2 m 直径的C30 圆桩，地面以上采用2×2 m 正方形C30 方桩，桩间距4 m，桩间设置C30 挡土板，桩顶接冠梁，冠梁高1.0 m，宽2.0 m，冠梁上设置混凝土护栏，挡土板厚0.3 m，高1.0 m，桩长根据计算确定。

3.2 桩的内力计算

根据锚固桩的位置，锚固桩地层主要为泥岩与砂岩互层，地基系数为三角形分布，桩身变位和内力按弹性地基梁中“m”法进行计算。“m”法[5]是根据弹性地基上的弹性梁受挠曲后的微分方程采用幂级数解求得锚固桩沿桩身处的水平位移、转角、弯矩及剪力，其计算一般表达式如式（1）～式（4）：

式中：a为桩的变形系数，1/m；x0、φ0、M0、Q0分别为滑动面或潜在滑动面处的水平位移、转角、弯矩及剪力；Aj、Bj、Cj、Dj为随锚固桩换算深度而变的参数；EI为相对刚度系数；x0、φ0根据锚固桩底支撑条件不同分别确定。

由于锚固桩底层主要为泥岩与砂岩互层，锚固桩桩底按自由考虑，桩底剪力零，滑动面或潜在滑动面处的水平位移、转角根据式（5）～式（7）计算：

式中：K0为竖向地基系数；IA为桩底截面惯性矩，m4；其余参数含义同前。

根据以上计算公式计算出x0、φ0，然后根据一般表达式计算出桩身内力，得出桩身各截面弯矩、剪力及水平位移值。对每根桩都进行计算，其中弯矩、剪力及水平位移值最大锚固桩计算结果如表2。

表2 截面弯矩、剪力及水平位移值表

根据表2 的计算结果可知，该圆形路肩桩板墙墙顶最大水平位移为45 mm，小于100 mm，满足规范[6]要求，拟定桩截面尺寸和桩间距满足设计要求。

3.3 挡土板设计

桩间挡土板内力计算按均布荷载作用下的简支梁进行计算，挡土板截面尺寸和钢筋配置应满足挡土板抗弯、抗剪要求。

桩板墙设计流程：桩板墙设计时首先应满足设计需要达到的要求，同时结合工程所处的地形、地貌、地层岩性、水文条件和其他原因等，根据桩板墙后外荷载初拟桩板墙型式、设置位置、桩长、桩间距。通过计算分析，结合锚固桩所处地层的岩性，选择采用“K 法”或“C 法”或“m 法”进行桩身内力计算，求出桩身内力、桩顶水平位移等，并配置合适钢筋，出具锚固桩钢筋设计图；同时，对挡土板按均布荷载简支梁进行内力计算，配置合适钢筋，出具挡土板钢筋设计图。若桩身内力、桩顶水平位移、挡土板弯矩等过大，配筋困难，重新拟定尺寸、桩间距等，然后重复上述设计、计算流程，最终合理确定桩板墙各项要求及配筋图。

4 圆形路肩桩板墙的检测与监测

为保证锚固桩的质量，防止桩身在外荷载作用下沿桩身缺陷位置断裂或倾倒而失去其对高陡斜坡路基的加固效果，对所有锚固桩进行完整性检测，本次检测方法采用声波透射法[7]。根据规范要求，对于锚固桩直径大于1 600 mm 时，声测管的数量不得小于4 根，声测管呈对称形状布置，对于本工程每根锚固桩对称设置4 根声测管。根据现场检测，锚固桩桩身检测为完整，Ⅰ类桩，桩身质量满足规范要求。

为保证圆形路肩桩板墙施工后运营安全，防止出现次生灾害，对其进行桩顶水平位移的监测。通过对水平位移的监测，比较桩板墙理论计算桩顶水平位移与实际桩顶水平位移大小，核实圆形桩板墙对高陡斜坡路基加固处治的效果。

对8 根锚固桩均进行监测，监测一年来监测结果见图2。

图2 圆形桩板墙桩顶水平位移监测结果图

从图2可知，实际桩顶最大水平位移约为25 mm，小于理论桩顶最大水平位移45 mm，满足规范要求，但是理论与实际有一定的差别，主要原因为：

a）由于理论计算假定滑动面或潜在滑动面以下地层视为弹性介质，不考虑桩与土之间的黏着力和摩擦力，因此，桩上所承受外荷载增大，理论计算桩顶水平位移偏大。

b）由于桩顶设置了通长连接的冠梁，增强了桩板墙的整体性，而理论计算时未考虑桩板墙的整体效应，故理论计算桩顶水平位移偏大。

c）由于锚固桩设置在高陡斜坡位置，考虑锚固桩襟边满足2～5 d 要求,锚固桩桩前存在一定的土体，而理论计算时未考虑锚固桩桩前土体的被动土压力，因而理论计算桩顶水平位移偏大。

桩板墙理论计算桩顶水平位移一般都大于实际桩顶水平位移，其主要原因是设计理论的假设忽略部分抗力、考虑锚固桩襟边要求而忽略桩前被动土压力及忽略桩板墙的整体性等等。通过一年多的监测，根据监测结果可知，实际桩顶水平位移小于理论桩顶水平位移，满足规范及设计要求，处治效果较好，且通过后期继续的监测可知，实际桩顶水平位移随着时间的推移呈水平收敛趋势。

5 结语

圆形桩板墙所提供的水平抗力一般在100～400 kN 时有较好的经济价值，当桩后水平推力较大时，一般需要增加钢筋和较大的桩截面尺寸来满足其抗弯等要求，经济效果不佳，但由于其采用机械化成孔，成孔速度较快，施工安全隐患相对较小等，尤其在抢险加固工程、工期紧张、所需提供的抗力较小（一般在100～400 kN）工程等有特殊要求工程中有较好的使用价值。