永久性钢板桩在用地受限边坡防护中的应用

肖华杰 易守传

摘要：文章针对边坡防护中坡顶近距离建筑的安全防护问题，通过多方案比选提出永久性钢板桩+坡脚墙的综合防护型式，并采用毕肖普法和弹塑性共同变形法对该边坡及钢板桩进行受力分析计算，结果满足相关规范要求。该方案可以减少放坡，避免拆迁房屋，所需工作面及安全施工距离小，施工快捷，可为今后类似边坡支护项目提供参考。

关键词：边坡;钢板桩;受力分析;方案设计;静压植桩

0 引言

随着城市路网的不断完善，道路工程项目建设逐渐向城市外围地区迈进。这些地区前期缺乏系统的、整体性的规划，导致建筑物多而杂乱，分布极不规律，以致经常出现建筑物与工程项目之间的冲突。为了避让建筑物，防止建筑物受到工程项目的影响，需要采取相应的支护措施。但在这些地区进行工程支护，常常需要面临作业面狭小、施工范围距建筑物较近、周边居住人口多、施工不能干扰周边居民等问题，施工条件较为苛刻。在工程项目中常用的支护方式有：挡土墙、桩板式挡墙、钢板桩等。其中，钢板桩以其施工简单、安全快速、耐腐蚀性能好等特点而被广泛运用于工程项目当中。采用静压植桩法的钢板桩施工作业面小，对周围环境影响小，噪声小，不扰民，特别适合在建筑密集区进行土体支护作业，并越来越多地应用在工程项目中。

1 工程概況

1.1 项目基本情况

南宁市某工程项目，道路等级为城市主干路，南北走向，设计速度为50 km/h，路幅宽度为36 m。K0+120～K0+220桩号段为挖方段，原设计方案采用放坡开挖施工边坡。边坡采用分级放坡型式，坡率为1∶2，每级坡高6 m，边坡之间设置2 m宽平台。边坡采用植草和骨架护坡，在平台和坡脚设置截水沟。原设计方案用地红线和横断面型式如图1和图2所示。

现该处边坡共有五栋原设计考虑拆除的房子无法拆迁，因此道路左侧路堑边坡无法按原设计放坡开挖进行施工。又因开挖高度及土质情况等原因，无法在满足房屋安全距离的情况下放缓边坡，故需对该路段左侧路堑边坡增设支挡结构，避免拆迁这几处房屋。

1.2 地质概况

本次挡墙及边坡范围内的上覆土层为：第四系人工素填土（[WTB1X]Qml）、耕表土（[WTB1X]Qpd）及第四系更新统望高组下段冲积层形成的黏土（[WTB1X]Qal）和粉土（[WTB1X]Qal）;下伏基岩为古近系湖相沉积的泥岩（[WTB1X]E）。硬可塑状黏土属冲积形成，以红色、黄色为主，属中等胀缩性膨胀土，地基胀缩等级为Ⅱ级。全风化泥岩，以灰色为主，属强胀缩性膨胀土，地基胀缩等级为Ⅱ级。岩土计算参数如表1所示。

项目所在地属地震基本烈度7度地区，地下水为包气带水，受大气降水的影响较大，水量有限，无稳定水位，对拟建道路基础及基础施工影响较小。

2 方案设计比选

2.1 方案设计

在本工程中，为了避免影响到坡顶建筑物的安全，此段路堑边坡开挖需设置支挡防护措施。在综合分析本项目工程特点的基础上，初步拟定了三种支护方案。

方案一：永久钢板桩支护+坡脚墙

本方案在道路边线外侧设置C20混凝土坡脚墙，墙高2 m，墙身采用C20混凝土整体现浇，墙背回填砂砾石。从墙顶向上以1∶1.75的坡率放坡，通过设置钢板桩来收缩坡顶，使坡顶与建筑物之间留有足够的安全距离（3～5 m）。钢板桩顶设置护栏及排水沟，坡顶设置绿化带，坡脚设置排水沟。详见图3。

根据本项目地勘资料，边坡土是具有膨胀性的黏土，在坡面铺设两布一膜进行保湿防渗，以保持边坡土体稳定。同时，坡面采用生态袋护坡方式，用以压覆两布一膜及作为坡面绿化措施。

钢板桩采用SP-IVw型，单根钢板桩宽度为600 mm，壁厚为18 mm，桩长为3～12 m，外露部分涂刷红丹防锈漆，并挂钢丝网，坡顶绿化带可栽种攀爬性植物。为避免施工钢板桩对建筑物造成影响，钢板桩应采用静压植桩法，避免锤击振动造成房屋开裂等问题。

方案二：衡重式挡土墙

本方案在道路边线外侧设置3.5～7.5 m高C20片石混凝土衡重式挡墙，在墙顶设置排水沟，墙顶边坡采用1∶2坡率放坡，在坡顶设置护栏。墙后土体采用放坡开挖，坡率为1∶0.5。由于边坡较陡，开挖线离建筑物较近，且部分边坡开挖高度达到8 m，故需增加临时钢板桩支护措施。详见图4。

方案三：桩板式挡墙

本方案在道路边线外侧设置悬臂长为5～6 m的桩板式挡墙，桩径为1.5 m，桩中心距为3 m，平均桩长13 m。桩顶设冠梁，尺寸为1.7 m×0.8 m（宽×厚）。桩间设预制的挡土板，挡土板采用逆作法施工，尺寸为0.4 m×0.9 m（厚×宽）。挡土板底部埋入地面30 cm以上，桩顶设排水沟。详见图5。

2.2 方案比选

将以上三种方案的特点进行分析如表2所示。

根据以上比选，桩板式挡土墙虽然施工期间安全系数高不需要额外的临时防护，雨季影响较小，但是造价高、工期长、景观效果差。衡重式挡墙虽然造价最低，但是需分段施工，施工过程中对房屋影响较大，局部边坡基坑开挖深度达到8 m，施工期间临时边坡较高，需严格控制分段长度，边坡开挖受雨季影响较大，局部开挖线离房屋较近，需增加临时钢板桩支护，开挖回填工程量大，借土和弃土较多。钢板桩方案造价合理，景观效果好，工期短，施工简单，施工对房屋影响小，满足本工程需要。因此推荐采用方案一：永久钢板桩支护+坡脚墙。

3 土坡受力分析

3.1 土坡稳定性计算

（1）计算原理

本项目利用GEO5-深基坑结构支护设计软件进行土坡稳定性计算。软件利用简化毕肖普法（Bishop）进行边坡稳定性计算。

（2）土坡稳定性计算

为方便软件进行计算，需根据已知的土层信息和横断面条件，对地质情况和土坡受力情况作简化处理，并在软件中建立边坡计算模型。模型图例见图6。

钢板桩墙后土体从上到下总共分为5层，依次为2 m厚素填土，4 m厚黏土，3 m厚黏土，1 m厚黏土，10 m厚泥岩，墙前楔形土体均为黏土，总厚度为6 m，钢板桩总长为12 m，嵌固于泥岩中2 m，墙顶与土层顶平齐。边坡土体计算参数如表1所示。

软件自动搜索最不利滑动面位置，并计算得出：

圆弧滑动面半径R=19.62 m，下滑力矩Ma=28 824.52 kN·m，抗滑力矩Mp=67 155.14 kN·m，安全系数Fs=Mp/Ma=2.33>1.35，边坡稳定，满足我国《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330-2013）的要求。

（3）鋼板桩受力分析

将边坡土体视为弹塑性模型，主动土压力计算采用库伦土压力理论（Coulomb理论），被动土压力计算采用朗金土压力理论（Rankine理论），采用弹性支点法对钢板桩内力进行计算，采用抛物线法对墙后土体沉降进行计算。计算结果如图7～8所示。

通过图中曲线可以看出，钢板桩结构内力最大值为：剪力最大值=24.45 kN/m，弯矩最大值=53.03 kN·m/m，位移最大值=21.9 mm，墙后地表沉降最大为6.9 mm，均满足规范要求。

4 钢板桩在本工程中的实际应用效果分析

本项目钢板桩已经施工完毕。钢板桩总施工长度约为100 m，总植入钢板桩根数约为167根，采用螺旋钻入静压植桩工艺，施工总时长为7 d。钢板桩施工过程中并未对周围居民正常生活造成干扰。借助之前布设的变形沉降观测点，对钢板桩施工前、中、后期进行观测，结果显示并未对居民房屋造成影响。桩前边坡也已施工完毕，坡顶及坡面均做了绿化处理，景观效果较好。

5 结语

（1）与重力式挡土墙、桩板式挡墙等边坡支护方式相比，采用静压植桩施工工艺的钢板桩，对周边建筑物影响小，施工期间噪音小，不会对周边居民产生干扰。同时施工简单、便捷，适用于居民密集、边坡放坡条件受到建筑物限制的地区，具有广阔的应用前景。

（2）运用钢板桩进行边坡支护，计算方法简单，计算理论也已成熟。钢板桩经过防锈处理后其使用寿命也能达到工程建筑设计要求，工程技术已经成熟。

[1]赵世龙，何 平，吴文涛，等.克服坚硬地质静压植桩施工技术[J].公路， 2016，61（6）：115-121.

[2]张征浩，张光明.钢板桩在基坑开挖支护中的应用[J].河南水利与南水北调，2016（5）：62-63.

[3]李国洋.谈深基坑护坡方式选择及钢板桩护坡施工[J].山西建筑， 2016， 42（14）：81-82.

[4]赵树强， 李建功.云南地区拉森钢板桩实践应用的技术分析[J].长春工程学院学报（自然科学版）， 2017， 18（2）：29-34，39.

作者简介：肖华杰（1981—），高级工程师，主要从事市政基础设施建设和管理工作;

易守传（1994—），助理工程师，主要从事市政项目设计工作。