樁板式擋土墻設(shè)計(jì)中的樁形選擇問(wèn)題分析

劉國(guó)軍，王超俊

(廣西交通科學(xué)研究院有限公司，廣西 南寧 530007)

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷推進(jìn)，城市發(fā)展將向地形、地質(zhì)等建設(shè)條件更加復(fù)雜的區(qū)域挺進(jìn)。在這些地方，一方面要面臨更大的地形起伏和更為嚴(yán)酷的地質(zhì)條件，另一方面是現(xiàn)有城市周邊的待開(kāi)發(fā)區(qū)域，經(jīng)過(guò)多年不斷發(fā)展，其建筑物分布也更為密集，都在一定程度上增加了防護(hù)工程設(shè)置的數(shù)量，增加相應(yīng)的費(fèi)用，使得防護(hù)問(wèn)題也變得更加突出。

樁板式擋土墻是道路工程中常見(jiàn)的防護(hù)形式，采用鋼筋混凝土樁體作為主要承載構(gòu)件，樁間設(shè)置擋土板，利用擋土板支撐墻后填土，并通過(guò)擋土板將荷載傳遞至樁身的支擋結(jié)構(gòu)。樁體就是樁板式擋土墻主要受力構(gòu)件和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)。本文結(jié)合工程案例，對(duì)樁板式擋土墻設(shè)計(jì)中樁形選擇問(wèn)題進(jìn)行分析。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目基本情況

本項(xiàng)目為市政道路，道路設(shè)計(jì)為城市主干道，路寬44 m。項(xiàng)目周邊地貌類型為構(gòu)造-剝蝕類型的低丘陵地形。地形上表現(xiàn)為山脊不明顯，為波狀起伏，局部也有分水嶺，山坡凸起，坡度平緩。

在K0+300～K0+510段道路右側(cè)，存在高度5～7 m高挖方邊坡，邊坡上方有居民小區(qū)。

1.2 項(xiàng)目地質(zhì)概況

項(xiàng)目沿線地質(zhì)情況：表層0～6 m人工填土，6～10 m全風(fēng)化粉砂巖，以下為強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖，鉆孔進(jìn)入強(qiáng)風(fēng)化層4 m，未鉆穿。

1層第四系全新統(tǒng)填筑層填土(Q4ml)：紅褐色、黃褐色，稍濕，以黏性土為主，土質(zhì)不均，干強(qiáng)度低，韌性差，密實(shí)性差，基本呈松散～稍密狀態(tài)，為欠固結(jié)土。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)為7～16擊，平均值為11.0擊，屬高壓縮性土。

2層全風(fēng)化粉砂巖(K1)：紅褐色、黃褐色，風(fēng)化劇烈，巖體結(jié)構(gòu)基本被破壞，局部可見(jiàn)原巖結(jié)構(gòu)，巖芯呈土夾碎塊狀，結(jié)構(gòu)遇水易崩解、軟化，標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)為10～23擊，平均值為15.21擊。

3層強(qiáng)風(fēng)化粉砂巖(K1)：紅褐色、黃褐色，粉粒結(jié)構(gòu)，碎裂構(gòu)造，節(jié)理裂隙很發(fā)育，巖芯多呈砂狀、少量碎塊狀。標(biāo)準(zhǔn)貫入試驗(yàn)擊數(shù)為15～23擊，平均值為19擊。

1.3 防護(hù)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)地形、地貌及地質(zhì)情況分析，項(xiàng)目道路位于現(xiàn)狀填土邊坡中部，道路右側(cè)路幅需要挖方，如采用直接放坡的方法，則需要拆遷數(shù)棟房屋，社會(huì)阻力較大，設(shè)計(jì)中確定采用擋土墻以減少邊坡距離，避免建筑物拆遷。由于擬設(shè)計(jì)擋土墻位置為填土邊坡，填土呈松散狀態(tài)，開(kāi)挖后施工重力式擋土墻存在極大的邊坡垮塌風(fēng)險(xiǎn)，因此，分析確定采用樁板式擋土墻，施工完樁板式擋土墻再進(jìn)行路基開(kāi)挖。

設(shè)計(jì)中擬定兩種樁板式擋土墻：方案一(圓形樁)，樁體直徑1.8 m，樁間距4 m；方案二(方形樁)，樁斷面為1.2×2.0 m，樁間距4 m。

2 樁型選擇分析

為了使設(shè)計(jì)方案更加經(jīng)濟(jì)合理，對(duì)圓形樁、方形樁設(shè)計(jì)方案進(jìn)行對(duì)比分析。

2.1 樁體受力分析

2.1.1 計(jì)算原理

結(jié)構(gòu)分析計(jì)算采用理正軟件抗滑樁模塊進(jìn)行計(jì)算，該模塊樁身內(nèi)力的計(jì)算采用彈性計(jì)算方法，根據(jù)樁在嵌固段土反力計(jì)算系數(shù)的不同分為下列幾種：“m”法、“c”法、“k”法，具體計(jì)算如式(1)所示。

[[KZ]+[KT]+[KTO]]{δ}={P}

(1)

式中：[KZ]——抗滑樁的彈性剛度矩陣；

[KT]——滑坡面以下土體的彈性剛度矩陣；

[KTO]——滑坡面以下土體的初始彈性剛度矩陣；

{δ}——抗滑樁的位移矩陣；

{P}——抗滑樁的荷載矩陣。

從公式中可以看出，在樁長(zhǎng)及其他外部條件一致的情況下，影響樁體抗力的因素為抗滑樁的彈性剛度矩陣，而樁體剛度矩陣中受彎變形主要受樁體彈性模量、截面慣性距影響，因此同樣截面面積，方形截面樁承載力更大。

2.1.2 結(jié)構(gòu)計(jì)算

根據(jù)建筑物分布情況，以及設(shè)置樁板式擋土墻后邊坡具體開(kāi)挖情況，進(jìn)行剩余下滑力計(jì)算，通過(guò)理正軟件計(jì)算，得出樁后剩余下滑力為250 kn/m。樁板式擋土墻驗(yàn)算標(biāo)準(zhǔn)為懸臂段底部變形量≤10 mm，為此，通過(guò)對(duì)擬定的兩種樁板式擋土墻進(jìn)行軟件計(jì)算校核，計(jì)算顯示，方案一(圓形樁)：樁體直徑1.8 m，樁間距4 m。樁長(zhǎng)需要16 m，方案二(方形樁)：樁斷面為1.2×2.0 m，樁間距4 m，樁長(zhǎng)需要14 m。通過(guò)對(duì)比分析證實(shí)，相當(dāng)?shù)慕孛婷娣e和樁間距，圓形截面樁需要更長(zhǎng)的樁長(zhǎng)才能滿足設(shè)計(jì)要求，說(shuō)明圓形截面樁承載能力較方形樁差，結(jié)構(gòu)計(jì)算表明相差約15%左右。

2.2 樁體施工分析

目前樁體施工主要包括人工挖孔、螺旋鉆成孔、沖擊成孔等方法，根據(jù)樁形不同，各種施工方法適用情況也不一樣。圓形截面樁可采用上述各種方法，施工可選擇范圍更廣。方形截面樁常用的方法是人工挖孔，沖擊成孔及螺旋鉆成孔較難實(shí)現(xiàn)，施工可選擇空間較小。

由于近些年人工挖孔樁出現(xiàn)多起安全事故，使得建設(shè)主管部門(mén)不得不限制人工挖孔樁的使用范圍，廣西建設(shè)部門(mén)也頒布了《關(guān)于嚴(yán)格限制使用人工挖孔灌注樁的通知》(桂建管〔2014〕87號(hào))，其中“(六)高壓縮性人工填土厚度超過(guò)5 m”禁止使用人工挖孔樁。就本項(xiàng)目而言，地質(zhì)情況表明，上面6 m范圍為松散的人工填土，因此，本項(xiàng)目從施工安全性、便易性角度講，最優(yōu)選擇是采用圓形截面樁。

2.3 樁體景觀效果分析

景觀效果對(duì)市政道路設(shè)計(jì)來(lái)講也是重要的設(shè)計(jì)要求，設(shè)計(jì)不當(dāng)會(huì)造成城市景觀的破壞。樁板式擋土墻由于外露鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)面積較大，表面綠化恢復(fù)措施較為匱乏，造成了該類擋土墻整體景觀效果較差，所以，不管是圓形截面樁還是方形截面樁景觀效果都不是十分理想。由于存在眾多建設(shè)條件限制比較嚴(yán)重的地段，在這種情況不得不設(shè)置該類擋土墻，從景觀角度對(duì)比分析，只能選擇對(duì)景觀影響最小的樁形方案。

樁體是影響樁板式擋土墻景觀效果的關(guān)鍵位置，樁體體積越大、高度越高，景觀效果就越差，擋墻外露高度一般調(diào)整空間較小，因此，樁體視覺(jué)體積越小，景觀效果就會(huì)稍好。從視覺(jué)感官出發(fā)，同樣體積圓形截面表面積較方形截面小，所以，在截面面積相當(dāng)情況下，選擇圓形截面樁從視覺(jué)上效果更好些。

2.4 樁體選擇綜合分析

上面對(duì)樁板式擋土墻樁形選擇問(wèn)題進(jìn)行了受力、施工、景觀等方面分析，初步明確了兩種樁板式擋土墻存在的優(yōu)缺點(diǎn)，下面結(jié)合項(xiàng)目具體情況，從經(jīng)濟(jì)、技術(shù)多方面進(jìn)行綜合分析，具體如表1所示。

通過(guò)上述對(duì)比分析可以看出，方形樁除了施工方案受限較大、景觀效果稍差外，受力優(yōu)勢(shì)較為明顯，可節(jié)省項(xiàng)目投資。

對(duì)本項(xiàng)目而言，不考慮施工因素，采用方形樁擋土墻相比圓形樁擋土墻，投資減少30萬(wàn)元，減少比例為7.5%。放在本項(xiàng)目具體情況中分析，本項(xiàng)目樁板式擋土墻造價(jià)約占項(xiàng)目投資的1.0%，所占比例較小。而且本項(xiàng)目擋土墻范圍存在最厚6 m的人工填土，即不滿足“新近的人工填土超過(guò)5 m不得使用挖孔樁”的條文，采用方樁機(jī)械成孔技術(shù)不是十分成熟，施工較為困難。同時(shí)，考慮到本項(xiàng)目為城市道路，景觀效果要求較高，花費(fèi)稍高的投資，來(lái)?yè)Q取項(xiàng)目景觀效果的提升從長(zhǎng)遠(yuǎn)講也是合理的，因此，通過(guò)綜合對(duì)比分析，本項(xiàng)目選擇圓形截面樁板式擋土墻。

3 結(jié)語(yǔ)

(1)從樁板式擋土墻受力機(jī)理及破壞模式分析，方形樁在受力方面相對(duì)圓形樁具有一定優(yōu)勢(shì)，采用方形樁能在同樣條件下，有效減小斷面尺寸，降低工程投資。因此，項(xiàng)目投資控制較嚴(yán)的項(xiàng)目可采用方形截面樁方案。

(2)從建設(shè)行業(yè)來(lái)看，城市道路防護(hù)工程雖然相比以前有所增加，相比公路、鐵路行業(yè)而言，所占比例仍然較低，因此，在城市道路中推薦采用景觀效果稍好，施工便易的圓形樁擋土墻，在公路、鐵路等城市建設(shè)區(qū)外的項(xiàng)目推薦采用方形截面樁擋土墻。

(3)無(wú)論方形或圓形樁，整體上景觀效果都是較差的，在市政項(xiàng)目應(yīng)用樁板式擋土墻一般都是條件受限，被迫采用。如何改善樁板式擋土墻景觀效果，降低、消除其對(duì)周邊景觀的不利影響，具有重要意義，也是工程設(shè)計(jì)行業(yè)發(fā)展的方向。目前，已經(jīng)有采用斜插式擋土板的設(shè)計(jì)案例，是很好的設(shè)計(jì)嘗試，隨著人們對(duì)環(huán)境要求不斷提高，設(shè)計(jì)中更應(yīng)該加強(qiáng)環(huán)境、景觀因素考慮。