单排桩挡墙在永久边坡支挡工程中的应用

李文坚LI Wen-jian

（中国铁路设计集团有限公司，天津300308）

0 引言

单排桩作为基坑临时支护结构，在工程中广泛应用，相关研究也较多[1-4]，且具有相关规范支撑其设计和检算[5]。但是在挖方边坡永久支护结构中的使用较为少见，相关研究也比较匮乏[6-10]。考虑与其他诸如重力式挡墙、桩板墙等适用于挖方边坡的永久支挡结构相比，单排桩挡墙具有布置灵活、占地面积小、无需开挖临时边坡、对周围环境影响小等优点，具有较高的工程应用价值。

本文依托深圳地铁某工程实例，并通过理正岩土和有限元软件检算，验证各检算工具的适用性和可靠性，同时对比分析检算结果与现场监测数据，为单排桩挡墙作为永久支挡结构提供工程经验积累。

1 概况

1.1 工程概况

工程实例位于深圳某地铁停车场，该停车场位于深圳市盐田区梧桐山山麓一二级水库附近。场地原始地貌为丘陵地貌，植被密集，地势起伏较大，地面高程一般在31.90～127.78m 之间。场地三面环山，中部有河谷发育，水量一般，水流较湍急，停车场主体南北向长约307m，东西向宽约110m。场坪设计标高约为55m。停车场应场地整平需要，在场地中段南侧形成高堑坡，堑坡顶部至场坪最大高差约32m。为避免高边坡开挖对梧桐山风景区地表植被的破坏，坡脚采用单排桩挡墙进行支挡收坡。

1.2 工程地质条件

从勘察资料可获知，边坡范围地层主要是不同风化程度的侏罗系（J）凝灰岩。坡表第四系残积层。场地岩土层自上而下主要为：①残积粉质黏土；②全风化凝灰岩；③砂土状强风化凝灰岩；④块状强风化凝灰岩；⑤中等风化凝灰岩；⑥微风化凝灰岩。根据区域地质构造、地面地质调绘及钻孔揭露，本工点场地无断裂穿过，且临近的断裂均属非活动性断裂，场地稳定性较好。主要地层物理力学参数见表1。

表1 岩土参数表

1.3 设计方案

工程边坡典型横断面设计图如图1 所示。坡脚采用C35 钢筋混凝土单排桩挡墙进行支挡，桩径1.5m，桩间距1.8m。桩顶设冠梁，冠梁高1.0m，宽1.8m，采用C35 钢筋混凝土浇筑成整体。墙后边坡分级开挖，每级开挖高度8m，坡率1:1.5，边坡开挖一级支护一级。坡面采用锚杆框架格梁+喷混植生进行绿化防护。考虑桩前3m 处设有永久截洪沟，深度约3.5m，净宽4.0m，截洪沟施工开挖对排桩挡墙的安全稳定不利，设计过程对嵌固深度进行适当加深，相对于永久设计场坪高程嵌固深度为18.0m。

图1 边坡典型横断面设计图

2 计算模型的建立

采用理正岩土软件和Midas GTS NX 有限元软件分别建模检算。

2.1 理正计算模型

采用理正岩土软件建坡挡墙模块中的排桩式锚杆挡墙对排桩桩身变形及内力进行分析。考虑桩前截洪沟距挡墙有一定距离，计算过程取嵌固点位于场坪以下3.0m，悬臂高度11.0m 进行检算。考虑桩端进入中风化凝灰岩地层，且嵌入该地层长度较小，检算过程将桩底支承条件假定为铰支。墙后岩土土压力采用库伦理论计算，并取1.2的修正系数[9]。土的水平抗力系数的比例系数m，根据式（1）进行计算[5]。

式中：φ、c 分别为土的内摩擦角（°）和黏聚力（kPa）。

2.2 Midas GTS NX 平面应变模型

采用Midas GTS NX 建立二维有限元模型，分析其与理正计算模型检算结果的差异。有限元模型如图2 所示。模型坡脚外和坡顶外宽度取不小于30m，桩底以下计算深度不小于20m。模型左右两侧限制水平位移，底部限制水平和竖向位移。土体采用服从摩尔库伦破坏准则的理想弹塑性模型，桩和锚杆均采用各向同性的线性弹性模型。模型中结构材料参数如表2 所示。

表2 结构材料及属性参数

图2 边坡二维有限元模型

由于排桩施工具有一定的施工周期，实际变形的监测点布设一般在桩身（桩顶和嵌固点），此时上部边坡完成施工已有一定的工期，故模型计算过程考虑了开挖至桩顶高程，同时边坡防护体系施作完成后的地应力平衡。保证灌注桩施工完毕，桩前土卸载前桩身的变形为零，以使得检算结果与实际监测数据具有可比性。

3 结果对比分析

3.1 桩身内力分析

图3 为理正计算和数值模拟两种计算方式得到的桩身弯矩沿桩长方向的分布曲线。从图中可以看出，两种计算方式得到的弯矩沿桩身的分布曲线基本一致，且同其他学者[4]的研究成果规律一致。桩身弯矩最大值位于桩身中部附近，最大值在1400~1600kN·m，两者差异较小。桩身弯矩最大值分布位置略有差异，但是均位于嵌固点以下0.0m~3.0m 范围内。

图3 桩身弯矩图

图4 为理正计算和数值模拟两种计算方式得到的桩身剪力沿桩长方向的分布曲线。从图中可以看出，两种计算方式得到的桩身剪力最值均有两个，且均分布在嵌固点附近以及约嵌固深度一半位置。在嵌固点附近理正计算和数值模拟得到的桩身剪力值分别为220kN 和340kN。在约嵌固深度中部位置理正计算和数值模拟得到的桩身剪力值分别为240kN 和215kN。根据《混凝土结构设计规范》GB 50010-2010（2015 年版）中，圆形截面钢筋混凝土受弯构件的斜截面受剪承载力计算方法，得到的本工程排桩挡墙在不配置箍筋情况下的斜截面受剪承载力与上述计算得到桩身剪力值相比，已具有较大富裕量，故桩身剪力非单排桩挡墙桩身设计需考虑的主要参数。

图4 桩身剪力图

3.2 桩身位移分析

图5 为理正计算和数值模拟两种计算方式得到的桩身水平位移沿桩长方向的分布曲线。从图中可以看出，两种计算方式得到的桩身水平位移沿桩长的分布曲线基本一致，最大值均位于桩顶。理正计算模型得到的桩顶水平位移21.3mm，数值模拟得到的桩顶水平位移24.6mm，两者差异较小。对于桩底水平位移，由于理正计算过程假定桩底支承条件为铰支，故其无水平位移发生。对于嵌固点，理正计算和数值模拟得到的桩身水平位移分别为4.5mm和9.9mm。分析认为是理正计算过程嵌固点的假定条件限制了桩身的水平位移。

图5 桩身水平位移沿桩长方向分布曲线

4 监测数据分析

图6 为两个桩顶监测点和一个嵌固处监测点在排桩施工完成后的水平位移随时间的变化曲线，变形监测时长超过一个完整水文年。从图中可以看出，80%的水平位移在2 个月内完成，而3 个月后，桩顶和嵌固点的水平位移基本趋于稳定。

图6 桩顶和嵌固点水平位移监测曲线

表3 为两种计算方法得到的桩顶水平位移与现场监测结果（一个水文年后的稳定值）对比情况。从表中可以看出，桩顶水平位移的理正计算与数值模拟结果与实测值均处在一个量级，且较为接近。嵌固点水平位移监测值位于理正计算结果与数值模拟结果值之间，且与数值模拟结果更为接近。

表3 水平位移计算结果与实测值对比表

5 结论

①理正岩土软件建坡挡墙中的排桩式锚杆挡墙模块作为永久单排桩挡墙的检算工具，使用方便且具有一定的可靠性。②单排桩挡墙桩身最大弯矩分布位置为嵌固点至嵌固点以下一定深度（本工程为嵌固点以下0.0m~3.0m），设计过程可针对性的加强抗弯配筋设计。避免钢筋笼主筋在弯矩较大设置过多的接头。③单排桩挡墙桩身剪力存在两个最值，分别位于嵌固点附近以及嵌固深度约一半位置。设计过程宜对灌注桩的抗剪配筋设计进行局部适当加强。④桩身的水平变形在三个月后基本趋于稳定，同时80%的水平位移发生在前两个月内。桩顶水平位移监测值与理正计算和数值模拟结果均较为接近。嵌固点处水平位移监测值位于理正计算结果与数值模拟结果值之间，均小于10mm。⑤单排桩挡墙布置灵活，占地少，且无需开挖临时边坡，对周围环境影响小，在永久支挡结构中具有一定的实用价值。