黃仕樵　肖登峰

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院　福建福州　350001)

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關(guān)于“靜壓預(yù)制釘樁擋土墻”的設(shè)計(jì)設(shè)想

黃仕樵肖登峰

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院福建福州350001)

在現(xiàn)實(shí)的工程設(shè)計(jì)中，擋土墻的設(shè)計(jì)經(jīng)常會(huì)遇到基礎(chǔ)為軟土地基，通常做法是先對軟基進(jìn)行處理以滿足地基承載力和滑移穩(wěn)定驗(yàn)算的要求。靜壓預(yù)制釘樁擋土墻的設(shè)計(jì)設(shè)想主要是考慮無需對軟基進(jìn)行處理的情況下修建擋土墻。其設(shè)想是：擋土墻由預(yù)制擋土墻墻身和靜壓樁組成，在預(yù)制擋土墻墻身安裝就位時(shí)，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(dāng)預(yù)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(chǎn)生的水平力和豎向力部分由樁基承擔(dān)，使擋土墻地基承載力和滑移穩(wěn)定滿足規(guī)范要求。經(jīng)模擬工程計(jì)算，采用預(yù)制釘樁擋土墻設(shè)計(jì)設(shè)想計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)能滿足規(guī)范要求。

靜壓；預(yù)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(wěn)定的支擋構(gòu)筑物，在工程設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)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(shè)計(jì)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(hù)壁式、樁板式、錨定板式、錨桿式擋土墻[1]。

在實(shí)際的工程設(shè)計(jì)中，往往會(huì)遇到基礎(chǔ)為軟土地基，地基承載力較低，有時(shí)也會(huì)受到周邊建筑物的影響，開挖受到限制。當(dāng)遇到軟土地基時(shí)，通常的做法是對地基進(jìn)行處理，使其基礎(chǔ)承載力先達(dá)到設(shè)計(jì)要求，也就是通常采用的水泥攪拌樁、預(yù)應(yīng)力管樁、松木樁等處理方式。如受建筑物的影響，無法進(jìn)行開挖時(shí)，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(shè)的工程造價(jià)、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(yù)制釘樁擋土墻設(shè)計(jì)，目的是解決施工難預(yù)制構(gòu)件，擋土墻表面還可以預(yù)制成各種花紋或浮雕，增度，縮短施工工期，降低工程造價(jià)。靜壓預(yù)制釘樁擋土墻所有構(gòu)件均采用預(yù)制、現(xiàn)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(yè)化生產(chǎn)。

根據(jù)水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范，擋土墻的驗(yàn)算主要是考慮滑移穩(wěn)定、傾覆穩(wěn)定、地基整體穩(wěn)定及地基沉降計(jì)算，如果在水中地下水位較高的擋土墻尚要考慮抗浮計(jì)算，以及擋土墻自身的結(jié)構(gòu)受力分析計(jì)算[2]。

1　設(shè)想思路

靜壓預(yù)制釘樁擋土墻設(shè)計(jì)設(shè)想是采用預(yù)制擋土墻墻身吊裝就位后在擋土墻底板預(yù)留孔內(nèi)壓入預(yù)制樁，然后預(yù)制擋土墻和預(yù)制樁通過后澆混凝土使之連成整體。當(dāng)擋土墻背后回填土后，預(yù)制擋土墻和預(yù)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(yīng)對擋土墻產(chǎn)生的水平力和豎向力，保證擋土墻的滑移穩(wěn)定，傾覆穩(wěn)定，整體穩(wěn)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(shè)計(jì)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(huì)大大降低。設(shè)計(jì)圖如圖1、圖2。

圖1　立剖圖

圖2　平剖圖

2　計(jì)算方法

計(jì)算簡圖如圖3。

圖3　計(jì)算圖式

2.1計(jì)算參數(shù)

∑G為全部結(jié)構(gòu)總重，結(jié)構(gòu)荷載按結(jié)構(gòu)幾何尺寸乘以材料容重計(jì)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(jì)算[1]。

Бmin、Бmax為擋土墻基底以上全部荷載產(chǎn)生的地基最小、最大應(yīng)力值；

F為基底摩阻力，按接觸土層的摩擦系數(shù)乘以擋土墻基底以上全部荷載計(jì)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(diǎn)，墻身重力的力臂；

Zw1為相對于墻趾點(diǎn)，墻踵上土重的力臂；

Zw2為相對于墻趾點(diǎn)，墻趾上土重的力臂；

Zx為相對于墻趾點(diǎn)，Ey的力臂；

Zy相對于墻趾點(diǎn)，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(diǎn)的距離。

2.2結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

擋土墻的墻身和底板在距墻身和底板交線1.5Lx區(qū)段以內(nèi)(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(jì)算，其余部分按單向板或連續(xù)板計(jì)算。扶壁部分按固定在底板上的懸臂梁，按T形截面受彎構(gòu)件計(jì)算[3]，樁部分按受彎構(gòu)件計(jì)算。結(jié)構(gòu)部分計(jì)算可選用相應(yīng)的軟件進(jìn)行計(jì)算。

2.3單樁水平承載力設(shè)計(jì)值計(jì)算[4]

單樁水平承載力設(shè)計(jì)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(jì)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(shù)，矩形截面kf=1.0；

Xoa為樁頂允許水平位移；在無試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)可取10mm。

Vx為樁頂水平位移系數(shù)，按樁的換算埋深α×h查樁基規(guī)范樁頂水平位移系數(shù)Vx，當(dāng)α×h>4時(shí)取α×h=4。H為樁的埋人深度，即取樁長。

2.4抗滑移計(jì)算

擋土墻整體抗滑移計(jì)算時(shí)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(chǎn)生的摩阻力抵抗由土壓力產(chǎn)生的水平推力，即：

Kcγ0Ex≤∑RH+∑F

γ0—為結(jié)構(gòu)重要系數(shù)。

Kc—為安全系數(shù)；Kc=1.3

2.5抗傾覆計(jì)算

擋土墻整體抗傾覆計(jì)算時(shí)考慮相對于墻趾點(diǎn)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(chǎn)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(guī)范要求的安全系數(shù)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(jì)算

2.6.1樁豎向承載力計(jì)算

當(dāng)預(yù)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(dāng)擋土墻墻踵和墻趾上填土后，基底以上荷載產(chǎn)生的力由樁的豎向承載力來承擔(dān)，根據(jù)力的平衡原理建立方程。即相對于墻趾點(diǎn)時(shí)：

∑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(jì)算[4]

Lq、Lh=∑li≥Rq、Rh/μ∑qik。

μ為樁的周長；

qik為各土層樁側(cè)摩阻力；

li為各土層厚度。

2.6.3偏心距計(jì)算

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

3　施工工藝

根據(jù)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(yù)留釘樁孔)，待混凝土強(qiáng)度達(dá)到80%以上時(shí)，將工廠預(yù)制的擋土墻及釘樁運(yùn)輸?shù)浆F(xiàn)場由起重機(jī)吊裝就位在混凝土墊層上，然后安裝靜壓支架，安放預(yù)制釘樁(預(yù)制樁可根據(jù)設(shè)計(jì)樁長分樁尖段、樁頭段和標(biāo)準(zhǔn)段)，安裝千斤頂，然后將釘樁壓入土中。當(dāng)計(jì)算單樁承載力大于擋土墻自重一半以上時(shí)，需用混凝土預(yù)制塊壓重，避免預(yù)制擋土墻被提起，樁無法壓到位。最后，恢復(fù)底板鋼筋，澆筑后澆混凝土。每一節(jié)段施工完成后進(jìn)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(jì)算

4.1計(jì)算參數(shù)

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(zhì)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(nèi)摩擦角：35°

墻背與墻后填土內(nèi)摩擦角：17.5°

地基承載力特征值：80kPa

樁側(cè)土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)：m=5 000mN/m4

樁周摩阻力：40kPa

基底摩擦系數(shù)：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(wěn)定系數(shù)：1.3

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：1.3

基底偏心距容許值：0.25

截面偏心距容許值：0.3

預(yù)制擋土墻混凝土標(biāo)號C30

混凝土容重25kN/m3

縱筋級別: HRB400

抗剪腹筋級別: HPB300

裂縫計(jì)算鋼筋直徑: 25(mm)

鋼筋合力點(diǎn)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(jié)構(gòu)尺寸

擋土墻底板厚60cm

擋土墻墻面厚25cm

擋土墻護(hù)壁厚45cm

護(hù)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(yù)制擋土墻節(jié)段長470cm

4.3預(yù)制釘樁尺寸

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

4.4計(jì)算結(jié)果

計(jì)算采用理正巖土擋土墻設(shè)計(jì)軟件5.6版。

擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果如表1。

表1　擋土墻穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果表

綜上計(jì)算：在結(jié)構(gòu)滿足設(shè)計(jì)要求的前提下(結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)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(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算不能滿足設(shè)計(jì)要求，需要釘樁來承擔(dān)不足部分的滑移力和地基承載力。根據(jù)上述設(shè)計(jì)設(shè)想公式計(jì)算受力分析結(jié)果如表2。

表2　受力分析計(jì)算結(jié)果表

4.5分析比較

按每節(jié)點(diǎn)4.7m估算,結(jié)果如表3。

表3　分析比較表

5　結(jié)論

(1)采用預(yù)制釘樁擋土墻設(shè)計(jì)設(shè)想計(jì)算各項(xiàng)指標(biāo)能滿足規(guī)范要求。

(2)采用該方法設(shè)計(jì)的擋土墻可采用工廠化生產(chǎn)，施工工藝簡單，基坑暴露時(shí)間短，安全性能高，工期短，造價(jià)低。

[1]薛殿基，馮仲林.擋土墻設(shè)計(jì)實(shí)用手冊[M].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]SL379-2007 水工擋土墻設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國水利水電出版社，2007.

[3]GB50010-2010 混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國建筑工業(yè)出版社，2010.

[4]JTD D63-2007 公路橋梁地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)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