樁拱組合式擋土墻及其簡化設計方法研究

周航　陳燁　劉漢龍　丁選明　申航

摘 要：樁板式擋土墻是山區道路工程建設中經常采用的一種支擋結構，由于抵抗水平荷載的需要，傳統樁板式擋土墻結構樁和板的尺寸通常做得較大，樁體的布置較密，不經濟?；诖耍岢鲆环N新的適用于山區道路的樁拱組合式擋土墻，利用拱結構受壓性能較好的特點，采用拱板代替傳統的平板，拱板與樁基礎的上部連接，整體結構可以通過裝配式或者現澆制作而成?；谕翂毫蜆痘匠休d力理論，分別建立拱板主動土壓力計算模型和抗滑樁計算模型，利用拱板荷載傳遞給樁基的基本原理，建立樁拱擋土墻整體結構的力學平衡方程，通過求解平衡方程獲得樁拱擋土墻整體結構的極限承載力。通過參數分析，分別討論了不同的樁體幾何尺寸、拱板幾何尺寸以及土體參數對樁拱組合式擋土墻極限承載力的影響，結果表明，增加矩形截面的長寬比、樁體嵌入深度、土體摩擦角等可以有效提高樁拱組合式擋土墻的極限荷載。

關鍵詞：擋土墻;理論模型;土壓力;極限荷載

中圖分類號：TU476 文獻標志碼：A 文章編號：2096-6717（2020）01-0001-08

Abstract：Sheet-pile retaining wall is a very common retaining structure is widely used in construction of mountain road. However， in order to resist the lateral load， conventional sheet-pile retaining wall is of relatively large size， which is less economical. Under this condition， a new pile-arching retaining wall， which is suitable for mountain road construction， is proposed in this study. Considering that the arch structure is of good compression performance， the arching plate is used to replace the conventional plate structure， and the arch plate is connected with the pile foundation. The whole structure could be prefabricated or constructed in the way of cast-in-place. Based on the theories of earth pressure and lateral loaded pile， computational models were proposed for the active earth pressure of arch plate and the anti-slide pile. Then， the theoretical model was validated by comparing the predictions with the numerical results. Subsequently， parametric studies were conducted to investigate the influence of the geometric parameters of pile， geometric parameters of arch plate and the soil parameters on the limit load of the new pile-arching retaining wall structure. The results show that increase of ratio of length to width of the rectangular pile cross section， the embedded depth of pile as well as the friction angle of soil could effectively improve the limit load of pile-arching retaining wall structure.

Keywords：retaining wall; theoretical model; earth pressure; limit load

第1期

周航，等：樁拱組合式擋土墻及其簡化設計方法研究

山區道路由于地形、地質復雜，不可避免地會形成高路塹、高路堤，其邊坡穩定性直接影響道路的使用功能。此外，山區道路修建常會遇到結構松散巖土體，極易產生山體滑坍地質災害，給交通安全留下隱患。擋土墻作為一種常用的支擋結構，廣泛應用于山區道路工程中路堤、路塹邊坡的加固。工程中常用的擋土墻有重力式擋土墻[1-2]、衡重式擋土墻[3-4]、懸臂式擋土墻[5]、扶壁式擋土墻[6-7]、錨桿式擋土墻[8]、錨定板式擋土墻[9-10]、加筋土擋土墻[11-14]、土釘式擋墻[15-16]、樁板式擋土墻[17-20]等，另外，也有學者提出一些新穎的擋墻結構，如土砌體組合擋土墻[21]、纖維增強塑料土工格柵擋土墻[22]、椅式樁板擋土墻[23]、樹根樁擋土墻[24-25]、H形砌塊擋土墻[26]等。

傳統的重力式擋土墻、衡重式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、錨桿式擋土墻、錨定板式擋土墻只能適用于低路塹和路堤邊坡的情況，對于高路塹和高路堤的邊坡，不宜使用，而加筋擋土墻屬于柔性支擋結構，墻體變形較大，而且對墻厚填筑料的要求比較高，不經濟。樁板式擋墻適用范圍較廣，主要用于表層土及強風化層較薄的均勻巖石地基，擋土墻墻高可較大，因此，該支擋結構非常適合用于山區道路邊坡加固。但是，傳統的樁板式結構由于抵抗水平荷載的需要，樁和板的尺寸通常做得較大，樁體的布置較密，不經濟。因此，筆者基于水利工程中常常采用的高拱壩結構原理，提出一種用于山區道路的樁拱組合式擋土墻結構（專利公開號：ZL201810122638.0）[27]，將傳統的樁板擋土墻中的平板構件換成拱板構件，利用拱板受壓的優勢大大減小了板件的厚度，節省了造價，同時，擋土墻的承載力不會降低。

主要針對樁拱組合式擋土墻這一新型支擋結構，開展設計計算方法和結構優化的研究，通過理論推導，提出樁拱組合式擋土墻的簡化設計計算方法，為樁拱組合式擋土墻的現場應用提供理論依據。

1 樁拱組合式擋土墻結構形式

如圖1所示，樁拱組合式擋土墻主要有拱形擋板和抗滑樁組成，拱形擋板的弧線可以采用半圓，也可以采用圓弧，抗滑樁采用矩形截面樁。樁拱組合式擋土墻根據不同施工方法可以分為裝配式樁拱組合式擋土墻和現澆式樁拱組合式擋土墻兩種。對于裝配式樁拱組合式擋土墻，拱形擋板和矩形截面樁可以預制，預制矩形樁通過靜壓或者其他方式打入地基，預制拱板通過螺栓與預制矩形樁連接，拱板稍微嵌入土層即可?，F澆式樁拱組合式擋土墻拱形擋板和矩形截面樁通過現場鉆孔灌注現澆而成，前者的施工速度較快，后者的整體性能更好，可以視現場調節選擇不同的形式。

為了方便分析，定義矩形樁樁長為H、樁體懸臂長度為h，矩形樁體截面長為a、寬為b，相鄰兩樁的間距為s，拱板的厚度為d，拱板的橫跨為2R（凈跨）。

2 理論模型

樁拱組合式擋土墻主要包含拱板和矩形截面抗滑樁兩部分，拱板的作用是將土壓力傳遞給抗滑樁，因此，理論模型需要分別考慮拱板的穩定性以及抗滑樁的穩定性。理論模型分為拱板主動土壓力理論模型和抗滑樁受力理論模型。

4 結論與建議

提出一種適用于山區道路的新型樁拱組合式擋土墻結構形式，并給出簡化的設計計算方法，得到以下主要結論：

1）基于土壓力和樁基水平承載力理論，分別建立拱板主動土壓力計算模型和抗滑樁計算模型，利用拱板荷載傳遞給樁基的基本原理，建立樁拱擋土墻整體結構的力學平衡方程，通過求解平衡方程獲得樁拱擋土墻整體結構的極限承載力計算公式。

2）通過參數分析，分別討論了不同的樁體幾何尺寸、拱板幾何尺寸以及土體參數? 對樁拱組合式擋土墻的極限承載力的影響，結果表明，增加矩形截面的長寬比、樁體嵌入深度、土體摩擦角等可以有效提高樁拱組合式擋土墻的極限荷載。

3）未來可以考慮在以下幾個方面繼續開展研究：開展大比例模型試驗或者現場試驗研究，進一步檢驗并細化本文的設計方法;開展粘性土中樁拱組合式擋土墻結構穩定理論設計方法研究;開展水流侵蝕（水毀）以及地震動力荷載等條件下樁拱組合式擋土墻的穩定性研究;開展地震作用下樁拱連接處抗震性能設計研究（針對裝配式樁拱組合式擋土墻結構）。

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（編輯 王秀玲）