關于“靜壓預制釘樁擋土墻”的設計設想

黃仕樵　肖登峰

(福建省建筑設計研究院　福建福州　350001)

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關于“靜壓預制釘樁擋土墻”的設計設想

黃仕樵肖登峰

(福建省建筑設計研究院福建福州350001)

在現實的工程設計中，擋土墻的設計經常會遇到基礎為軟土地基，通常做法是先對軟基進行處理以滿足地基承載力和滑移穩定驗算的要求。靜壓預制釘樁擋土墻的設計設想主要是考慮無需對軟基進行處理的情況下修建擋土墻。其設想是：擋土墻由預制擋土墻墻身和靜壓樁組成，在預制擋土墻墻身安裝就位時，擋土墻墻背土壓力沒有加載，擋土墻墻身自重不大，對地基承載力要求不高。當預制靜壓樁與擋土墻墻身通過后澆混凝土連成整體后，擋土墻墻背土壓力產生的水平力和豎向力部分由樁基承擔，使擋土墻地基承載力和滑移穩定滿足規范要求。經模擬工程計算，采用預制釘樁擋土墻設計設想計算各項指標能滿足規范要求。

靜壓；預制釘樁；擋土墻

0　引言

擋土墻是用來支撐天然邊坡或人工填土邊坡以保持土體變形穩定的支擋構筑物，在工程設計中廣泛應用于支撐路堤、路塹邊坡、隧道洞口、橋梁引道及河流岸壁等。目前工程設計中常用的擋土墻一般采用重力式、半重力式、衡重式、加筋土式、護壁式、樁板式、錨定板式、錨桿式擋土墻[1]。

在實際的工程設計中，往往會遇到基礎為軟土地基，地基承載力較低，有時也會受到周邊建筑物的影響，開挖受到限制。當遇到軟土地基時，通常的做法是對地基進行處理，使其基礎承載力先達到設計要求，也就是通常采用的水泥攪拌樁、預應力管樁、松木樁等處理方式。如受建筑物的影響，無法進行開挖時，要采用抗滑樁或錨桿抗滑樁等特殊擋土墻處理方式。這樣對擋土墻建設的工程造價、施工工期、施工難度都有較大的影響。為了解決上述問題，采用靜壓預制釘樁擋土墻設計，目的是解決施工難預制構件，擋土墻表面還可以預制成各種花紋或浮雕，增度，縮短施工工期，降低工程造價。靜壓預制釘樁擋土墻所有構件均采用預制、現場安裝，施工方法簡單，由于是加擋土墻的景觀效果，適合工業化生產。

根據水工擋土墻設計規范，擋土墻的驗算主要是考慮滑移穩定、傾覆穩定、地基整體穩定及地基沉降計算，如果在水中地下水位較高的擋土墻尚要考慮抗浮計算，以及擋土墻自身的結構受力分析計算[2]。

1　設想思路

靜壓預制釘樁擋土墻設計設想是采用預制擋土墻墻身吊裝就位后在擋土墻底板預留孔內壓入預制樁，然后預制擋土墻和預制樁通過后澆混凝土使之連成整體。當擋土墻背后回填土后，預制擋土墻和預制樁共同抵抗外力作用，水平向利用樁的水平抗力、基底摩阻力，豎向利用地基土與樁之間的摩阻力、地基承載力來共同抵抗各種荷載組合效應對擋土墻產生的水平力和豎向力，保證擋土墻的滑移穩定，傾覆穩定，整體穩定。由于樁的作用，擋土墻地基承載力和抗滑移能力大大提高，所以，擋土墻的設計尺寸可以縮小，土方開挖斷面隨之減小，對周邊影響也隨之變小，分段開挖吊裝施工，施工工期短，對周邊的干擾和安全隱患會大大降低。設計圖如圖1、圖2。

圖1　立剖圖

圖2　平剖圖

2　計算方法

計算簡圖如圖3。

圖3　計算圖式

2.1計算參數

∑G為全部結構總重，結構荷載按結構幾何尺寸乘以材料容重計算；

Ea為全部土壓力合力；Ex為水平土壓力；Ey為豎向土壓力，土壓力按庫倫理論或朗肯理論公式計算[1]。

Бmin、Бmax為擋土墻基底以上全部荷載產生的地基最小、最大應力值；

F為基底摩阻力，按接觸土層的摩擦系數乘以擋土墻基底以上全部荷載計算；

∑q1為墻踵底板以上填土重量；

∑q2為墻趾底板以上填土重量；

Zx為基底全寬；

Zw為相對于墻趾點，墻身重力的力臂；

Zw1為相對于墻趾點，墻踵上土重的力臂；

Zw2為相對于墻趾點，墻趾上土重的力臂；

Zx為相對于墻趾點，Ey的力臂；

Zy相對于墻趾點，Ex的力臂；

Rq、Rh為前排樁和后排樁的反力；

Lq、Lh為前排樁和后排樁的樁長；

Lqz、Lhz為前排樁和后排樁至墻趾點的距離。

2.2結構分析計算

擋土墻的墻身和底板在距墻身和底板交線1.5Lx區段以內(Lx為扶壁凈距)按在梯形荷載作用下三邊固支、一邊自由的雙向板計算，其余部分按單向板或連續板計算。扶壁部分按固定在底板上的懸臂梁，按T形截面受彎構件計算[3]，樁部分按受彎構件計算。結構部分計算可選用相應的軟件進行計算。

2.3單樁水平承載力設計值計算[4]

單樁水平承載力設計值RH=α3*EI*Xoa/Vx

L1為平行于水平力作用方向的樁間凈距；

h1為地面或局部沖刷線以下樁的計算埋入深度，可取h1=3×(d+1)，但不得大于地面或局部沖刷線以下樁入土深度；

kf為樁的形狀換算系數，矩形截面kf=1.0；

Xoa為樁頂允許水平位移；在無試驗數據時可取10mm。

Vx為樁頂水平位移系數，按樁的換算埋深α×h查樁基規范樁頂水平位移系數Vx，當α×h>4時取α×h=4。H為樁的埋人深度，即取樁長。

2.4抗滑移計算

擋土墻整體抗滑移計算時考慮樁的水平承載力和擋土墻基底以上全部荷載對基底產生的摩阻力抵抗由土壓力產生的水平推力，即：

Kcγ0Ex≤∑RH+∑F

γ0—為結構重要系數。

Kc—為安全系數；Kc=1.3

2.5抗傾覆計算

擋土墻整體抗傾覆計算時考慮相對于墻趾點由墻身重力、土壓力的豎向分力、墻踵上填土重、墻趾上填土重產生的抗傾覆力矩抵抗由土壓力水平分力引起的傾覆并滿足規范要求的安全系數要求。

Kcγ0Ex×Zy≤∑G×Zw+Ey×Zx+∑q1×Zw1+∑q2×Zw2

2.6樁豎向承載力、樁長及偏心距計算

2.6.1樁豎向承載力計算

當預制擋土墻吊裝就位后至填土前，地基承載力要滿足Бmax≤修正后的地基承載力特征值。

當擋土墻墻踵和墻趾上填土后，基底以上荷載產生的力由樁的豎向承載力來承擔，根據力的平衡原理建立方程。即相對于墻趾點時：

∑Rq×Lqz+∑Rh×Lhz+∑Ex×Zy=∑G×Zw+Ey×Zx+∑q1×Zw1+∑q2×Zw2

(1)

∑Rq+∑Rh=∑G+∑Ey+∑q1+∑q2

(2)

求解上述(1)、(2)方程式得Rq、Rh值

Rq、Rh≤μ∑qikli

2.6.2樁長計算[4]

Lq、Lh=∑li≥Rq、Rh/μ∑qik。

μ為樁的周長；

qik為各土層樁側摩阻力；

li為各土層厚度。

2.6.3偏心距計算

基礎底面合力作用點距離基礎趾點的距離Zn=基底以上相對于墻趾點的力矩/作用于基底總的豎向力。偏心距e=基礎底面寬度B/2-Zn。為了保證后排樁不出現受拉狀態，偏心距e應小于前、后排樁間距的一半，并滿足規范要求e≤0.250×B。

3　施工工藝

根據擋土墻所需的斷面開挖土方到位后，基底澆筑10cm混凝土墊層(混凝土墊層預留釘樁孔)，待混凝土強度達到80%以上時，將工廠預制的擋土墻及釘樁運輸到現場由起重機吊裝就位在混凝土墊層上，然后安裝靜壓支架，安放預制釘樁(預制樁可根據設計樁長分樁尖段、樁頭段和標準段)，安裝千斤頂，然后將釘樁壓入土中。當計算單樁承載力大于擋土墻自重一半以上時，需用混凝土預制塊壓重，避免預制擋土墻被提起，樁無法壓到位。最后，恢復底板鋼筋，澆筑后澆混凝土。每一節段施工完成后進行墻后回填土。壓樁示意圖如圖4。

圖4　壓樁支架示意圖

4　模擬工程計算

4.1計算參數

假定地基為軟土地基(單層)，軟土層厚度為6m，軟土以下為粉質粘土層，墻后坡頂附加恒載、地下水位對擋土墻的浮力影響不考慮。

地基土容重：18 kN/m3

墻后填土容重：19 kN/m3

墻后填土內摩擦角：35°

墻背與墻后填土內摩擦角：17.5°

地基承載力特征值：80kPa

樁側土水平抗力系數的比例系數：m=5 000mN/m4

樁周摩阻力：40kPa

基底摩擦系數：0.25

地面橫坡角度：20°

填土對橫坡面的摩擦角: 35°

墻頂坡面線角度：0°

抗滑穩定系數：1.3

抗傾覆穩定系數：1.3

基底偏心距容許值：0.25

截面偏心距容許值：0.3

預制擋土墻混凝土標號C30

混凝土容重25kN/m3

縱筋級別: HRB400

抗剪腹筋級別: HPB300

裂縫計算鋼筋直徑: 25(mm)

鋼筋合力點到外皮距離: 50(mm)

鋼筋彈性模量Es:2.0x105

混凝土彈性模量Ec:3.0x104

4.2擋土墻結構尺寸

擋土墻底板厚60cm

擋土墻墻面厚25cm

擋土墻護壁厚45cm

護壁間距250cm

墻趾底板寬85cm

墻踵底板寬125cm

擋土墻總高度600cm

擋土墻埋入地面以下100cm

預制擋土墻節段長470cm

4.3預制釘樁尺寸

預制釘樁采用30cm*30cm矩形截面，每一節段前后布置4根共8根，樁長6m。樁布置如圖2。

4.4計算結果

計算采用理正巖土擋土墻設計軟件5.6版。

擋土墻穩定計算結果如表1。

表1　擋土墻穩定計算結果表

綜上計算：在結構滿足設計要求的前提下(結構設計計算結果由肋板跟部裂縫寬度0.178mm和墻踵板跨中截面裂縫寬度0.176mm控制，裂縫控制寬度為0.2mm)[3]，擋土墻抗滑移驗算、地基承載力驗算不能滿足設計要求，需要釘樁來承擔不足部分的滑移力和地基承載力。根據上述設計設想公式計算受力分析結果如表2。

表2　受力分析計算結果表

4.5分析比較

按每節點4.7m估算,結果如表3。

表3　分析比較表

5　結論

(1)采用預制釘樁擋土墻設計設想計算各項指標能滿足規范要求。

(2)采用該方法設計的擋土墻可采用工廠化生產，施工工藝簡單，基坑暴露時間短，安全性能高，工期短，造價低。

[1]薛殿基，馮仲林.擋土墻設計實用手冊[M].北京：中國建筑工業出版社，2008.

[2]SL379-2007 水工擋土墻設計規范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[3]GB50010-2010 混凝土結構設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2010.

[4]JTD D63-2007 公路橋梁地基與基礎設計規范 [S].北京：人民交通出版社，2007.

Design idea of static pressure precast screw pile retaining walls

HUANG ShiqiaoXIAO Dengfeng

(Fujian Provincial Institute of Architectural Design and Research,Fuzhou 350001)

In practical engineering design, the design of retaining walls often meets the foundation of soft soil foundation, the usual practice is to dispose the soft soil foundation first to satisfy the requirements of the foundation bearing capacity and the sliding check stability. The design idea of static pressured precast screw pile retaining walls is that there is no need to dispose soft soil foundation when building retaining walls. The idea is: retaining walls made of prefabricated wall body and static pressure piles, in precast wall body installation, soil pressure behind the wall is not loaded, the wall body’s weight is small, the requirements of the foundation bearing capacity is low. When the static pressure precast piles and retaining wall body are connected as a whole through post poured concrete, horizontal force and vertical force of soil pressure behind the wall borne by pile foundation, then the retaining wall foundation’s bearing capacity and slip stability can satisfy the requirements of specification. According to engineering simulation calculation, all indexes of static pressure precast screw pile retaining walls meet the specification requirements.

Static pressure; Precast screw pile;Retaining walls

黃仕樵(1963.8-)，男，高級工程師。

E-mail:973036933@qq.com

2016-05-13

TU476+.4

A

1004-6135(2016)08-0079-05