回填区挡土墙下双桩抗剪研究

文／李京安、姜现、刘明、董志强 中国建筑第八工程局有限公司东北公司 辽宁大连 116021

引言：

我国山区、丘陵地区建造过程中可能出现高大填方工程，由于下沉庭院、场地高差和景观阶梯的设计，因高填方建筑造型美观的要求，多采用直立收坡支挡结构。由于建筑、景观专业对高填方挡土墙造型美观的要求，一般要求采用直立式挡土墙结构。在采用悬臂式挡土墙支挡进行支挡工程设计中，主要存在以下问题：（1）填方体的厚度的不同，引起回填土体差异性沉降；（2）在高回填土设置支挡加固结构易引起结构变形不协调、变形错台、应力集中，甚至结构倾覆破坏等；（3）高悬臂段收坡加固美观性问题等[1]。

为解决以上问题可采用双排桩基悬臂式挡土墙结构[2]，由悬臂式挡土墙、双排桩基和承台组成，可以解决传统挡土墙稳定性差与抗变形能力差等问题。因为该结构型式的特殊性，在回填土沉降后，挡土墙的剪力将大部分由桩基础承担，但回填土地区桩基的抗剪承载力较小，如何提高桩基础的抗剪承载力是研究中重点。《建筑桩基础技术规范》（JGJ94-2008）中给出了单桩和群桩水平承载力与位移的计算方法和不同天然土体的经验系数，但对回填土缺少相关的规定，对于桩基在承台中的固结连接缺少相关节点构造做法，对双桩的抗剪承载力试验装置和方法也较为欠缺；这些都是本文的研究方向。

目前国内有关双桩挡土墙设计、施工和检测的全过程的系统研究还鲜有报道，因此本文对解决存在的关键技术问题及如何设计和施工显得尤为重要，特别是在桩端固结构造、双桩抗剪承载力检测等方面。

1.工程概况

项目建设地点位于辽宁省大连市高新园区西部，临近三寰牧场南侧，中科院能源学院西侧，本期有9 个地块，采用市政道路或公共绿地分割；总占地面积约26.7 万平米，总建筑面积约24.7 万平米；场地整体西高东低，两侧高中间低，地块规划最低点77.5 米，最高点117 米，高差39.5 米，局部需回填13 米；各地块内部标高关系与场地整体一致，以回填为主，回填1～12 米不等。根据地勘揭露本工程建址地貌类型属于剥蚀低丘，原状地表为少量耕植土，其下为残坡积碎石，稍湿、稍密，下为强风化板岩和中风化板岩。

建筑设计，通过合理的总图布置充分利用场地，趋利避害，建筑布局采用不同标高入口设计，人工造势，利用高差，营造丰富的建筑空间体验。部分对采光通风要求不高的房间采用半埋，在建筑周边形成较多与建筑脱离的挡土墙[3]。

图1 典型挡土墙剖面

2.挡土墙桩基础设计优化

2.1 挡土墙下双桩受力模型

根据地勘情况桩基持力层为中风化板岩，挡土墙为永久性挡墙，桩基础长期变形较小，回填土长期变形较大，存在挡土墙下部土体与基础脱离的风险，故在计算桩基抗剪承载力时可不考虑承台侧抗效应系数和承台底摩阻效应系数；挡土墙下桩基础可简化受力模型为：（1）挡土墙、桩基础和下部土体均处于弹性受力状态；（2）不考虑承台侧部和底部对桩基础的支撑左右；（3）不考虑承台和底板下土体的支撑效果；（4）桩基进入强风化层后土体无主动土压力。挡土墙下双桩受力模型可简化承台中心点的竖向合力 V，水平合力 F 与弯矩 M，如图2 所示。《建筑桩基础技术规范》（JGJ94-2008）中给出了单桩和群桩水平承载力与位移的计算方法和不同天然土体的经验系数，但对回填土缺少相关的规定，对于桩基在承台中的固结连接缺少相关节点构造做法，对双桩的抗剪承载力试验装置和方法也较为欠缺，以下将分别从桩基固接节点构造、承台破坏形式和双桩抗剪承载力计算等几个方面进行介绍。

图2 桩基简化计算模型

2.2 桩基固接节点及受力分析

传统桩基础深入承台50～100mm，实际约束状态介于交接与固接之间，这种连接方式相较于桩顶自由可以减小桩顶水平位移，同时相对与桩顶固接可以减低桩顶的约束弯矩[4]，本工程挡土高度多为5～8 米，水平剪力大，提高桩基抗剪承载力是减少桩基础数量的关键点。《建筑桩基础技术规范》（JGJ94-2008）未给出桩基础固接的构造做法，参考类似规范和文献：（1）美国《基础设计与分析（第五版）》，桩顶固定时，桩顶伸入桩帽部分至少为300mm，且桩帽位于桩顶之上的混凝土厚度至少应为300mm；（2）美国陆军工程兵团的技术说明《深基础设计》要求桩顶与桩帽达到固定时，桩顶伸入桩帽的最小垂直长度为2D；（3）《港口工程桩基规范》（JTS167-4-2012），桩基伸入桩帽100～150mm，通过桩顶钢筋与桩帽连接。本文参考Bowles《基础设计与分析（第五版）》提出桩基固接连接的构造做法，桩头锚入承台内300mm，如图3 所示。

图3 桩基固接构造

图4 桩基、承台应力结果

图5 桩基弯矩和剪力

为验证承台固接效果，基于前文受力模型假定采用有限元软件ABAQUS 建立三维数值模型，分析承台与桩的受力情况，通过持续加载直到混凝土达到设计强度，可以发现桩基础根部先于承台破坏，承台范围桩基础转角满足固接要求。

2.3 挡土墙下双桩抗剪承载力

根据《建筑桩基础技术规范》（JGJ94-2008）采用理正工具箱按位移桩顶位移10mm反算桩基抗剪承载力，以A3-20 地块A3-20-44 孔点为例，回填土厚度8 米，强风化板岩8.4 米，以下均为中风化板岩；地基土水平抗力系数的比例系数m 值，对稍密填土取值范围为4～8，本项目初步计算时取为6，根据施工前试桩结果进行验证。分别计算800mm 单桩和双桩、1000mm 单桩和双桩的抗剪承载力，如表1，从表中可以看出双桩固接的方式较单桩增加明显，以1000mm 双桩为固接为例分析桩基础的弯矩和剪力分布，根据桩基础的内力分布，采用分段配筋的方式，桩基础上部2/3 部分对竖向钢筋进行加强，且加强深度应进入强风化不小于1 米。

表1 桩基抗剪承载力计算结果（kN）

3.双桩抗剪承载力检测

规范对于桩顶嵌固的具体要求未明确，本项目桩顶固结要求桩顶入承台拟定为300mm，并且桩纵筋按受拉锚入承台，桩基础伸入承台范围凿毛处理，与混凝土承台浇筑为一个整体。建筑基桩检测技术规范（JGJ106-2014）规定对3 组两桩承台进行水平静载荷试验，桩径0.8m 和1m 各三组，桩基持力层取强风化或中风化板岩，每组试验装置见图6；承台水平承载力检测值根据设计要求及经验确定，对0.8 米直径桩基现场预估最大加载量为3000kN，地面摩擦系数按0.5 考虑，同时考虑配种滑移安全系数1.2，因此配重总吨位为720t；1 米直径桩基础配重总吨位为1000t。加载应分级进行，采用逐级等量加载；分级荷载宜为最大加载量或预估极限承载力的1/10，其中第一级可取分级荷载的2 倍直到达到水平位移的设计允许值为止。水平试桩桩型的选取综合考虑预估承载力、施工工艺、竖向荷载的影响，桩径采用通常800～1200mm，本项目选取直径800 和1000mm 两种桩基。（1）800mm 桩基础上部0.6 倍桩长范围且不小于10 米采用14 根20mm 直径三级钢，桩端10 倍桩基直径范围为箍筋加密区，箍筋为三级钢8@100，其他部分为箍筋非加密区，箍筋为三级钢8@250；下部0.4倍桩长范围采用7 根20mm 直径三级钢，此部分不设置箍筋。（2）1000mm 桩基上部0.6 倍桩长且不小于10米范围采用18 根三级钢直径20mm 三级钢，桩端10 倍桩基直径范围为箍筋加密区，箍筋为三级钢8@100，其他部分为箍筋非加密区，箍筋为三级钢8@250；下部0.4 倍桩长范围采用9 根直径20mm 三级钢，此部分不设置箍筋。作为对比组采用相同的方式对800mm 和1000mm 单桩及承台进行抗剪承载力检测试验，检测桩选择在双桩承台周边，配筋一致，地质条件相似。

图6 桩基抗剪试验装置

图7 桩基抗剪试验结果

经试验：（1）双桩800mm 和1000mm 直径桩基础试验结果分别为790kN 和1281.6kN，单桩抗剪承载力分别为395kN 和840.8kN，较计算结果增加-2.5%和16.5%；（2）单 桩 试 验 结果 分 别 为109.2kN 和164.4kN。800mm 和1000mm 直径双桩固接的单桩抗剪承载力分别是单桩铰接抗剪承载力的3.62 倍和5.11 倍。

结语：

通过对高回填区域双桩挡土墙的抗剪性能研究及试验，可以获得下列结论：

（1）对高回填区永久挡土墙下桩基础抗剪分析时考虑回填土与挡土墙承台的沉降差，从长期安全较大对受力模型进行合理的简化，忽略承台侧面和地面土体的有利影响。

（2）本文给出的桩基与承台的固接连接的构造做法，经有限元分析承台的破坏晚于桩基础，可满足桩基础固接的假定要求。

（3）桩基固接连接抗剪承载力较铰接连接承载力有较大提高，但桩基础弯矩也有明显增大，对受剪力影响较大的桩基础，抗剪承载力的提高对结构造价影响较多时，可通过分段配筋抵抗增加的弯矩。

（4）针对桩基础抗剪承载力设计要求，编制双桩抗剪承载力检测的方案，通过试验检测1 米直径的桩基础较计算值提高约16.5%，较单桩铰接抗剪承载力提高5.11倍，大直径桩基础的抗剪承载力有较多的安全储备，在类似项目中受抗剪控制的桩基础优先采用大直径桩基。

（5）回填土的压（夯）实系数对桩基础的抗剪承载力有较大的影响，施工前需采取试桩的方式确定水平抗力系数的比例系数，作为计算桩基承载力的依据。