水平受荷樁在擋土墻加固工程中的設(shè)計(jì)與應(yīng)用探析

余波江 （安徽省建筑科學(xué)研究設(shè)計(jì)院，安徽 合肥 230031）

0 前言

隨著國家啟動對老舊小區(qū)的改造工程，許多建造于上個(gè)世紀(jì)的小區(qū)房屋及附屬設(shè)施得到了全面排查，其中小區(qū)周邊的擋土墻結(jié)構(gòu)發(fā)生較大位移及開裂的現(xiàn)象尤為突出。擋土墻主要受水土側(cè)向壓力，隨著日積月累和人類活動，其穩(wěn)定性不斷衰減，進(jìn)一步加劇會出現(xiàn)變形失穩(wěn)現(xiàn)象，最終將會導(dǎo)致墻后土體滑移。因此，對擋土墻及時(shí)采取加固措施，可有效避免重大的生命和財(cái)產(chǎn)損失。

當(dāng)前，水平受荷樁主要應(yīng)用于基坑支護(hù)、邊坡支護(hù)等建筑和交通領(lǐng)域，是抵抗水土側(cè)向壓力和保證其穩(wěn)定性的關(guān)鍵構(gòu)件，其受力特性得到了廣泛研究與應(yīng)用，但在擋土墻加固工程中的應(yīng)用不多。本文結(jié)合某擋土墻加固工程實(shí)例，介紹該工程擋土墻的病害特點(diǎn)，敘述擋土墻加固方案和簡化計(jì)算模型，提出水平受荷樁的設(shè)計(jì)方法，并且采用單樁水平靜載試驗(yàn)實(shí)測技術(shù)，分析得出水平受荷樁的變形特征規(guī)律，評價(jià)該擋土墻加固方案的合理性，力求為類似擋土墻加固工程的設(shè)計(jì)與應(yīng)用提供技術(shù)參考。

1 工程概述

某老舊小區(qū)擋土墻，墻高約4.5m，長度約80m，立板板厚250mm，每隔2.5m 設(shè)置扶壁柱，立板下設(shè)置500mm高地梁，地梁下設(shè)置樁基。根據(jù)檢測報(bào)告：該擋土墻立板受水、土壓力作用發(fā)生傾斜，其垂直度偏差在45mm～140mm，垂直度偏差較大；立板裂縫分布廣泛，寬度較大，裂縫最大寬度為0.42mm，對承載力產(chǎn)生不利影響；該次檢測混凝土強(qiáng)度和鋼筋設(shè)置均滿足原設(shè)計(jì)要求。

本工程擋土墻所在場地地形平坦，屬江淮丘陵地貌單元。根據(jù)業(yè)主提供的勘察報(bào)告，墻背側(cè)土均為雜填土，擋土墻坡腳以下范圍內(nèi)地層主要由雜填土、黏土、強(qiáng)風(fēng)化泥質(zhì)砂巖和中風(fēng)化泥質(zhì)砂巖組成，各項(xiàng)巖土特性指標(biāo)如表1所示。

擋土墻設(shè)計(jì)土層參數(shù)表 表1

場地淺層土中主要賦存上層滯水、基巖裂隙水。上層滯水賦存在第①層素填土中，主要由大氣降水補(bǔ)給，水位變化較大，變化幅度在1.0m～1.5m。

2 水平受荷樁設(shè)計(jì)

2.1 簡化模型的建立與計(jì)算

根據(jù)檢測報(bào)告，該項(xiàng)目擋土墻垂直度偏大且立板裂縫分布廣泛，已對承載力產(chǎn)生不利影響，需對擋土墻采取加固措施。經(jīng)對相關(guān)資料的分析和研判，擬采取增加扶壁墻的方案，以阻止擋土墻傾斜的進(jìn)一步發(fā)展，保證其穩(wěn)定性，并對原板面裂縫進(jìn)行注漿處理。扶壁墻的間距同水平受荷樁的間距，取值為2700mm，與花壇側(cè)墻可以組成一串區(qū)格，其內(nèi)填土后可形成花壇，既美觀環(huán)境，又進(jìn)一步保證了原擋土墻的穩(wěn)定性。其加固方案剖面如圖1所示。

圖1 加固方案剖面圖

由于目前尚未有相關(guān)類型的計(jì)算軟件，因此構(gòu)件計(jì)算中對加固方案剖面圖進(jìn)行適當(dāng)簡化。將腰梁和水平連系梁處簡化成兩個(gè)支座，其受反力分別為RA和RB；扶壁墻簡化成連接腰梁和水平受荷樁的斜桿，為簡化計(jì)算和提高安全系數(shù)，將斜桿所受的軸力完全按水平力加載到樁上，最終水平受荷樁所受水平力是由土壓力經(jīng)水平連系梁和斜桿傳至冠梁處形成的，即R=RA+RB。其簡化模型如圖2所示。

圖2 水平受荷樁簡化計(jì)算模型

圖2 中，Q1 為土壓力，Q2 為水壓力或地面超載，靜止土壓力系數(shù)取值為0.5，通過以上簡化模型可得出水平受荷樁所受水平力R=375kN。

2.2 單樁水平承載力特征值設(shè)計(jì)

樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)和樁頂容許水平位移是單樁水平承載力特征值設(shè)計(jì)的兩個(gè)關(guān)鍵參數(shù)。樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)與樁身所處地層特性密切相關(guān)，根據(jù)地勘報(bào)告，水平受荷樁樁身范圍內(nèi)為雜填土、黏土和強(qiáng)風(fēng)化砂巖組成，其中雜填土較厚。不同土層該比例系數(shù)不同，土層特性越好該比例系數(shù)越大。依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2018）表5.7.5 可得出本工程不同土性的樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)m 值，采取加權(quán)平均法可最終得出m=50 MN/m4。

依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2018）第5.7.2 條，一般情況下樁頂容許水平位移取值為10mm，對于水平位移敏感的建筑物去水平位移為6mm。經(jīng)調(diào)查，原擋土墻坡頂處的建筑物距離較近，且采用天然基礎(chǔ)，認(rèn)為建筑物對水平位移敏感，所以本工程樁頂容許水平位移取值為6mm。

結(jié)合灌注樁樁身配筋率≥0.65%、樁頂約束情況為鉸接或自由、樁入土深度為7m 等參數(shù)，依據(jù)《建筑樁基技術(shù)規(guī)范》（JGJ 94-2018）式5.7.2-2 可得出單樁水平承載力設(shè)計(jì)值Rh=385kN。綜上，單樁水平承載力特征值取值為380 kN，該值大于樁所受水平力，滿足要求。

3 單樁水平靜載試驗(yàn)實(shí)測分析

3.1 試驗(yàn)步驟與目標(biāo)

本工程靜載試驗(yàn)利用相鄰多根樁組合形成反力裝置，最大加載量為580 kN，每級加載量為極限荷載的十分之一，第一級按照2 倍分級荷載加載。試驗(yàn)采用慢速維持荷載法，每級荷載施加后，按第5min、15min、30min、45min、60min 測讀樁頂沉降量，以后每隔30min測讀一次。

慢載時(shí)，每1h 內(nèi)樁頂位移量不超過0.1mm，并連續(xù)出現(xiàn)兩次（即從分級荷載施加后30min 開始，由1.5h 內(nèi)連續(xù)三次每30min的沉降觀測值計(jì)算），可判定位移相對穩(wěn)定標(biāo)準(zhǔn)，再施加下一級荷載。當(dāng)樁身折斷、水平位移超過30 mm ～40mm 或者水平位移達(dá)到設(shè)計(jì)要求的水平位移允許值，方可終止加載。慢載卸載時(shí)，每級荷載維持1h，按第15min、30min、60min 測讀樁頂沉降量后，即可卸下一級荷載。卸載至零后，應(yīng)測讀樁頂殘余沉降量，維持時(shí)間為3h，測讀時(shí)間為第15min、30min，以后每隔30min測讀一次。

單樁水平承載力的確定方法應(yīng)遵循下列原則：

圖3 4#樁H-Y0曲線

圖4 4#樁Y0-lgt曲線

圖5 22#樁H-Y0曲線

圖6 22#樁Y0-lgt曲線

①當(dāng)樁身不允許開裂或灌注樁的樁身配筋率小于0.65%時(shí)，可取水平臨界荷載的0.75 倍作為單樁水平承載力特征值；

②對于鋼筋混凝土預(yù)制樁、鋼樁和樁身配筋率不小于0.65%的灌注樁，可取設(shè)計(jì)樁頂標(biāo)高處水平位移所對應(yīng)荷載的0.75倍作為單樁水平承載力特征值。

3.2 試驗(yàn)結(jié)果分析與判定

本工程水平受荷樁不足50 根，可取試驗(yàn)樁數(shù)為2 根，即4#樁和22#樁。通過對2 根樁的水平靜載試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，可分別得出單樁水平靜載試驗(yàn)的H-Y0曲線和Y0-lgt曲線。

從4#樁和22#樁的單樁水平靜載試驗(yàn)H-Y0及Y0-lgt 曲線上可以得出，最大試驗(yàn)荷載均為580kN，其中4#樁在最大試驗(yàn)荷載條件下的水平位移值為8.54mm，22#樁在最大試驗(yàn)荷載條件下的水平位移值為7.79mm，可見在最大荷載條件下的位移值較小。從卸載曲線可以得出，4#樁的最終殘余變形為3.60mm，最大回彈量為4.94mm，回彈率為57.8%；22#樁的最終殘余變形為2.59mm，最大回彈量為5.20mm，回彈率為66.8%，可見殘余變形較小，回彈率較高，樁受水平荷載作用工作性能良好。

從4#樁和22#樁的單樁水平靜載試驗(yàn)H-Y0及Y0-lgt 曲線上還可以得出，曲線均平滑，無水平臨界荷載點(diǎn)和水平極限荷載值點(diǎn)。其中，4#樁和22#樁在6mm 位移對應(yīng)的荷載值分別為512kN和537kN，樁身配筋率均為1.2%，依據(jù)《建筑基樁檢測技術(shù)規(guī)范》(JGJ106-2014)第6.4.7 條中單樁水平承載力的確定原則，其水平承載力特征值可取6mm位移對應(yīng)的荷載值的0.75 倍為單樁水平承載力特征值，即4#樁的單樁水平承載力特征值為384kN，22#樁的單樁水平承載力特征值為402kN，均大于設(shè)計(jì)值380 kN，滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)論

①水平受荷樁具有抵抗水土側(cè)向壓力和保證邊坡穩(wěn)定性的良好性能，可利用當(dāng)今成熟可靠的樁基施工技術(shù)，再結(jié)合水平受荷樁的設(shè)計(jì)要求和工程經(jīng)驗(yàn)，可為擋土墻等復(fù)雜構(gòu)筑物的加固安全性提供保障。

②利用水平受荷樁對既有擋土墻進(jìn)行加固，往往實(shí)際的結(jié)構(gòu)模型比較復(fù)雜。在設(shè)計(jì)中，需要對其受力模型進(jìn)行適當(dāng)簡化分析，以保證加固方案的合理性和安全性，文中案例的簡化方法可提供參考作用。

③在單樁水平承載力設(shè)計(jì)中，關(guān)鍵參數(shù)的取值尤為重要。應(yīng)結(jié)合周邊環(huán)境、地質(zhì)特性、工程經(jīng)驗(yàn)和所加固構(gòu)件的重要程度等因素，以保證參數(shù)取值的合理性，為靜載試驗(yàn)和質(zhì)量控制提出目標(biāo)。

④單樁水平靜載試驗(yàn)實(shí)測分析中，其曲線平滑，無水平臨界荷載點(diǎn)和水平極限荷載值點(diǎn)，表明水平受荷樁具有良好的工作性能，且均可滿足設(shè)計(jì)提出的特征值要求。因此，采用水平受荷樁對既有擋土墻的加固方案是合理可行的，可為類似工程的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提供借鑒。