抗滑桩桩板式挡土墙设计浅析.docx

抗滑桩--桩板式挡土墙设计浅析
摘 要：抗滑桩及桩板式挡土墙可用于一般地区、浸水地区和地震区的路堑和路堤支挡，也可用于滑坡等特殊路基的支挡。文章结合工程中抗滑桩和桩板式挡土墙设计的难点，考虑如何保证已有建构筑物安全，经过时间的检验，论证了此方案是成功的。
关键词：抗滑桩 桩板式挡土墙 边坡稳定 土压力。

1. 工程概况
攀钢新白马矿业有限责任公司白马铁矿二期工程新选-1号道路1#挡土墙为路堑墙，墙长184m，迎土面最高处为10.5m。新选-1号道路路面标高约1520.0m。挡墙北部有已建成的一期磨矿仓和磨矿仓抗滑桩。磨矿仓中心线距1#挡土墙约46m，磨矿仓地面标高1540.0m，矿堆宽度23.8m*2，高度17.3m，矿容重22.8kN/m3。磨矿仓抗滑桩距1#挡土墙约17.8m，桩间距5.5m，桩顶标高1540.0m，桩长18m。 4条至一期主厂房的通廊从已建磨矿仓底穿过磨矿仓抗滑桩，垂直跨过新选-1号道路1#挡土墙。4条通廊的8个柱下独立基础位于1#挡土墙墙背，距1#挡土墙墙前地面线4.3m，基础底标高1526.5m，高出墙前地面线6.5m。本工程抗震设防烈度7度，设计基本地震加速度值为0.1g，设计地震分组为第二组。

图1 挡土墙平面示意图

图2 挡土墙剖面图
2. 工程地质
工程场区位于山坡南麓，原始地形整体自北向南倾斜。从图2中可看出，原始地形标高为1520.0m～1540.0m。土层从上至下依次为第四系人工堆积素填土、第四系坡残积粉质粘土、寒武系下统强风化泥质粉砂岩和弱风化泥质粉砂岩。根据地质报告，挡土墙所处场地内无常流性地表水流，无池塘等地表水体。
3. 挡土墙设计
3.1本工程难点及特点
从设计角度考虑，本工程的主要特点（也是难点）如下：
（1） 已有磨矿仓抗滑桩距离1#挡土墙距离较近，且1#挡土墙墙前道路面标高低于原有磨矿仓抗滑桩桩底标高。由于将磨矿仓抗滑桩墙前土卸除，需考虑磨矿仓抗滑桩是否会将滑移推力传至1#挡土墙。
（2） 已有通廊基础边距道路边即1#挡土墙墙前地面线仅3.2m，且高出路面6.5m。1#挡土墙施工及开挖时，不能影响通廊的稳定性及使用。
3.2方案论证及设计布置图
根据周边环境、地质条件及上述工程特点，挡土墙设计采用抗滑桩或桩板墙为主，端部低矮部分做成毛石挡土墙。抗滑桩或桩板墙采用矩形断面。通廊基础前挡土墙做成间距2m的排桩，中间空隙处采用土钉喷锚方案；其余桩间采用预制板。详见图3和图4。
图3 挡土墙平面布置图
图4 挡土墙立面布置图
4. 挡土墙计算分析
4.1 本工程挡土墙计算思路：对边坡进行稳定性分析计算→如不满足稳定要求，计算滑坡推力→将滑坡推力作用于桩上，按抗滑桩计算→按桩板式挡土墙计算复核→根据以上计算结果取大值，计算嵌固段桩长、桩配筋及其他附属计算。
4.2 由于1#挡土墙大部分处于原有磨矿仓抗滑桩的下部，为了保证磨矿仓抗滑桩的安全，必须确定1#挡土墙施工开挖后，产生的土层滑动面是否会在磨矿仓抗滑桩以下，即造成磨矿仓抗滑桩失去作用。根据一期磨矿仓图纸，矿堆宽度23.8m*2，高度17.3m，矿容重22.8kN/m3；矿堆下部有4条钢筋砼通廊，开挖处采用毛石砼回填。对于以上情况，设计过程中，采用了2种模型进行计算分析。第1种，将矿堆以下部分（1540.0以下）按土层考虑，并认为“土层”物理性质接近弱风化泥质粉砂岩，故粘聚力和内摩擦角按弱风化泥质粉砂岩取值：粘聚力取100kPa，内摩擦角取35º。第2种，将矿堆及下部通廊以荷载的形式输入。详见图5和图6。经过计算分析并请公司专家与会讨论，认为第2种情况计算出来的结果偏于安全。故在后面计算中，将矿堆及下部通廊以荷载的形式输入。

图5 矿堆以下部分按土层考虑计算模型

图6 矿堆及下部通廊以荷载的形式输入计算模型
4.3 滑面计算采用理正岩土计算5.5版计算，圆弧滑面分析法
4.4 边坡稳定性评价
根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)第3.2.1条确定边坡工程安全等级。本工程定为二级边坡。边坡稳定安全系数按《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)第5.3.1条确定。本工程采用圆弧滑动法，边坡稳定安全系数1.25。
4.5 滑坡推力安全系数
滑坡推力安全系数，一般采用1.05～1.25。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)第6.4.3条和《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)第13.1.8条确定。另外，对于规模较小、变形较快、易于查清性质的滑坡，可取较小的值，反之则宜根据已掌握资料的确切程度酌情加大值；对活动频繁的浅层滑坡，宜用较大的值，而对活动周期较长的深层滑坡，宜用较小的值。在同一复杂滑坡中，对其前缘和上层经常易滑动的局部滑体的滑动，采用较大的值，而对整个滑坡的深层滑动则取较小的值。本工程计算滑坡属于深层滑动，且易于查清，故取。
4.6 滑坡分析
根据实际情况，本工程滑坡可能有三种情况：第1种是滑坡面出口位于1#挡土墙墙前地面以上，但由于存在磨矿仓抗滑桩及本工程亦采用抗滑桩，这种情况出现的可能性很小，本次设计不考虑。第2种是滑坡面出口刚好处于1#挡土墙墙前地面位置处，并且磨矿仓抗滑桩位于滑动面以下。第3种情况是滑坡面出口位于1#挡土墙墙前地面线以下，即出口位于道路上，并且磨矿仓抗滑桩位于滑动面以下。计算情况详见图8和图9。取一个有代表性的断面进行计算分析、对比，得出滑坡面出口位于墙前地面线位置时，滑坡推力最大。故其他断面计算时也只考虑这种情况。根据各个断面计算情况，新选-1号道路施工开挖后，滑坡面将位于原有磨矿仓抗滑桩以下，造成磨矿仓抗滑桩失去承担滑坡推力的作用，故1#挡土墙需承担磨矿仓的矿堆荷载产生的滑坡推力，且桩底标高应处于最不利滑面以下。

图7 滑面出口刚好处于墙前地面位置处

图8 滑面出口位于墙前地面线以下

图9 抗滑桩和桩板墙计算模型
4.7 滑坡推力计算
本工程采用理正计算，得到滑坡推力曲线，出口处的推力就是抗滑桩要承受的力，即这部分力通过桩体传给锚固段土层，整个边坡才能够稳定。
滑坡推力作用在桩上，有三种应力图形：矩形、三角形、梯形。本工程考虑为梯形。
4.8 桩底的约束条件
抗滑桩及桩板墙桩底支撑可采用自由端、固定端或铰支端。本工程嵌固段土层均为强风化泥质粉砂岩，桩底可视作自由端，即桩底弯矩M=0、剪力Q=0，有水平变位及角变位。
4.9 桩身计算
4.10.1 桩的外力分布、锚固段确定、内力及变位的计算理论
悬臂式支挡结构在开挖面以上不存在支点，支挡结构绕脚端（桩底）的转动可能成为其主要的破坏模式，这已被大部分工程实践所证明。因此，假定悬臂式支挡结构的嵌固深度由绕结构端部转动平衡条件确定。计算方法有静力平衡法、布鲁姆法、弹性地基梁法。本工程桩身内力和配筋采用“m”法，桩长计算采用“m”法和静力平衡法相结合。
4.10.2 桩受土压力的正面计算宽度
地面以上桩的计算宽度，很好理解，就是取桩之间的水平距离；在土压力作用下，地面以下桩两侧土体的受力状态是较复杂的空间问题。
本工程按《建筑桩基技术规范》（JGJ 94—2008）第5.7.5条中确定对桩身的计算宽度：
矩形桩：当边宽时，
当边宽时，
4.10.3 桩长计算
根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)第9.2.3条、第9.2.4条和《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)附录F的规定，本工程采用静力平衡法计算桩长，并按《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）第5.7.3条“5 。

图10 静力平衡法计算简图
由《建筑地基基础设计规范》附录T 桩式、墙式悬臂支护结构计算要点，T.0.1计算得

地基土侧向容许承载力按地基承载力特征值的6倍考虑，即 。
以上计算数值均取自理正岩土5.5版计算结果。
4.12.4 变位计算：采用理正岩土5.5版计算。参考《新型支挡结构设计与工程实例》，桩顶位移应小于悬臂段长度的1/100，且不宜大于100mm。本工程断面计算，变位在25mm～55mm之间，均满足要求。
4.12.5 桩身配筋：采用理正岩土5.5版计算。由于挡土墙按两种情况（抗滑桩和桩板墙）进行了计算，桩身配筋取两种计算结果的大值。针对墙背竖向受力配筋较大，采取2～3根钢筋焊在一起，形成组合钢筋的方法。另外就是根据弯矩包络图，墙背竖向受力筋并不需全部通长配置，部分仅出墙面地面线2m就满足要求。其余钢筋配置，满足规范相关要求。
4.12.6 预制桩间挡土板计算
本工程板计算按《公路路基设计规范》（JTGD30-2004）第5.4.9条“预制钢筋混凝土挡土板可按支承在桩上的简支板计算，其计算跨度L为：
矩形桩 （5.4.9-2）
式中： ——圆形桩的桩中心距离（m）；
——矩形桩的净距（m）；
——挡土板的板厚（m）。
5. 部分计算参数解释
5.1 关于的取值
本工程桩勘固段土层为强风化泥质粉砂岩；根据《建筑桩基技术规范》（JGJ94-2008）表5.7.5，结合强风化泥质粉砂岩土层的性质，的取值范围为，土压力长期存在，应将表中数值乘以0.4采用，故为。根据条列说明，本工程桩在地表处水平位移应大于表中所列位移，且桩配筋率大于0.65%，值应取小值。本工程取。
5.2 粘聚力和内摩擦角
5.2.1 进行边坡稳定分析和下滑力计算时，墙背土层粘聚力和内摩擦角按地勘报告提供参数取值。
5.2.2 本工程按桩板式挡土墙计算时，将墙背土层粘聚力和内摩擦角换算为综合内摩擦角。换算综合内摩擦角有三种方法：半经验方法、按土体抗剪强度相等的原则计算、按土体土压力强度相等的原则计算或堤防规范中提供的换算内摩擦角公式。本工程为挖方区挡土墙，根据土层原有值按土压力相等原则进行计算，综合考虑面倾角、墙背坡度及墙背土层扰动，对计算 进行折减，最终土层值取。
5.2.3 计算桩长时，嵌固段土层粘聚力和内摩擦角采用地勘报告提供的现场直剪试验数值。一般来说，现场直剪试验数值比实验室剪切试验数值要高很多，最能反映原始土层的受力情况。嵌固段土层受扰动及地面情况较小，故将现场直剪试验数值乘以折减系数0.8，予以使用。
5.3 主动土压力计算
主动土压力计算一般采用库仑理论，如《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)第6.6.3条公式
（6.6.3-1）
或《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002) 第6.2.3条公式
（6.2.3-1）
《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)详见附录L，《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002) 详见第6.2.3条。--主动土压力增大系数。根据《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)条例说明第6.6.3条“根据大量的试算与实际观测结构的对比，对于高大挡土结构来说，采用古典土压力理论计算的结果偏小，土压力的分布也有较大的偏差。对于高大挡土墙，通常也不允许出现达到极限状态时的位移值，因此在土压力计算式中计入增大系数。”对于采用何种规范公式计算，就需要设计人员自己判别。经过公司专家讨论分析，认为在计算桩身截面和配筋时，采用《建筑地基基础设计规范》(GB 50007-2002)的公式，在计算桩长时，采用《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)的公式，即不考虑主动土压力增大系数。
5.4 被动土压力计算
根据《建筑边坡工程技术规范》(GB50330-2002)条例说明第6.2.1～6.2.5条“建议实际应用中，用库仑公式计算主动土压力，用朗肯公式计算被动土压力。”本工程采用朗肯公式计算被动土压力。
无粘性土：
粘性土：
其中：，被动土压力合力距离墙踵处，并且垂直于墙背。
5.5 地震作用
本工程采用采用理正岩土5.5版计算，输入地震相关参数后，由程序自动考虑抗震问题。手工复核计算时，将内摩擦角减去地震角，即为地震状态下的内摩擦角。7度（0.1g）时，地震角。

6. 后续
由于现场情况变化，总图修改，新选-1号道路向主厂房方向靠拢8.85m，致使1#挡土墙修改。但设计方案、思路、参数取值均没有改变。本工程已施工完1年多，根据现场反馈情况，挡墙工作状态良好。这表明：挡土墙稳定、安全，能够保证墙后建筑物及其他设施的结构及使用安全，达到了预期的目的。
在工程地质条件、施工环境较为复杂的情况下，本工程采用抗滑桩—桩板式挡土墙的方式，为采选工程建设永久性支挡结构工程的设计积累了经验。

参考文献
[1]GB50007—2002.建筑地基基础设计规范.
[2]GB50330—2002.建筑边坡工程技术规范.
[3]JGJ94—2008.建筑桩基技术规范.
[4]GB0010—2002.混凝土结构设计规范.
[5]JTGD30-2004.公路路基设计规范.
[6]李海光.新型支挡结构设计与工程实例.北京：人民交通出版社.2004
[7]铁道部第一设计院.铁路工程设计技术手册—挡土墙.北京：人民铁道出版社.1977
[8]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则.北京：人民交通出版社.2008
[9]北京理正软件设计研究院有限公司.理正挡土墙设计软件使用说明编制原理.北京：2008