周航　陳燁　劉漢龍　丁選明　申航

摘 要：樁板式擋土墻是山區(qū)道路工程建設(shè)中經(jīng)常采用的一種支擋結(jié)構(gòu)，由于抵抗水平荷載的需要，傳統(tǒng)樁板式擋土墻結(jié)構(gòu)樁和板的尺寸通常做得較大，樁體的布置較密，不經(jīng)濟(jì)?；诖?，提出一種新的適用于山區(qū)道路的樁拱組合式擋土墻，利用拱結(jié)構(gòu)受壓性能較好的特點(diǎn)，采用拱板代替?zhèn)鹘y(tǒng)的平板，拱板與樁基礎(chǔ)的上部連接，整體結(jié)構(gòu)可以通過裝配式或者現(xiàn)澆制作而成?；谕翂毫蜆痘匠休d力理論，分別建立拱板主動(dòng)土壓力計(jì)算模型和抗滑樁計(jì)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(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡方程，通過求解平衡方程獲得樁拱擋土墻整體結(jié)構(gòu)的極限承載力。通過參數(shù)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(shù)對樁拱組合式擋土墻極限承載力的影響，結(jié)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(guān)鍵詞：擋土墻;理論模型;土壓力;極限荷載

中圖分類號(hào)：TU476 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：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(shè)計(jì)方法研究

山區(qū)道路由于地形、地質(zhì)復(fù)雜，不可避免地會(huì)形成高路塹、高路堤，其邊坡穩(wěn)定性直接影響道路的使用功能。此外，山區(qū)道路修建常會(huì)遇到結(jié)構(gòu)松散巖土體，極易產(chǎn)生山體滑坍地質(zhì)災(zāi)害，給交通安全留下隱患。擋土墻作為一種常用的支擋結(jié)構(gòu)，廣泛應(yīng)用于山區(qū)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(xué)者提出一些新穎的擋墻結(jié)構(gòu)，如土砌體組合擋土墻[21]、纖維增強(qiáng)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(tǒng)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(jié)構(gòu)，墻體變形較大，而且對墻厚填筑料的要求比較高，不經(jīng)濟(jì)。樁板式擋墻適用范圍較廣，主要用于表層土及強(qiáng)風(fēng)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(jié)構(gòu)非常適合用于山區(qū)道路邊坡加固。但是，傳統(tǒng)的樁板式結(jié)構(gòu)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(jīng)濟(jì)。因此，筆者基于水利工程中常常采用的高拱壩結(jié)構(gòu)原理，提出一種用于山區(qū)道路的樁拱組合式擋土墻結(jié)構(gòu)（專利公開號(hào)：ZL201810122638.0）[27]，將傳統(tǒng)的樁板擋土墻中的平板構(gòu)件換成拱板構(gòu)件，利用拱板受壓的優(yōu)勢大大減小了板件的厚度，節(jié)省了造價(jià)，同時(shí)，擋土墻的承載力不會(huì)降低。

主要針對樁拱組合式擋土墻這一新型支擋結(jié)構(gòu)，開展設(shè)計(jì)計(jì)算方法和結(jié)構(gòu)優(yōu)化的研究，通過理論推導(dǎo)，提出樁拱組合式擋土墻的簡化設(shè)計(jì)計(jì)算方法，為樁拱組合式擋土墻的現(xiàn)場應(yīng)用提供理論依據(jù)。

1 樁拱組合式擋土墻結(jié)構(gòu)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(jù)不同施工方法可以分為裝配式樁拱組合式擋土墻和現(xiàn)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(yù)制，預(yù)制矩形樁通過靜壓或者其他方式打入地基，預(yù)制拱板通過螺栓與預(yù)制矩形樁連接，拱板稍微嵌入土層即可。現(xiàn)澆式樁拱組合式擋土墻拱形擋板和矩形截面樁通過現(xiàn)場鉆孔灌注現(xiàn)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(xiàn)場調(diào)節(jié)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(wěn)定性以及抗滑樁的穩(wěn)定性。理論模型分為拱板主動(dòng)土壓力理論模型和抗滑樁受力理論模型。

4 結(jié)論與建議

提出一種適用于山區(qū)道路的新型樁拱組合式擋土墻結(jié)構(gòu)形式，并給出簡化的設(shè)計(jì)計(jì)算方法，得到以下主要結(jié)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(dòng)土壓力計(jì)算模型和抗滑樁計(jì)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(jié)構(gòu)的力學(xué)平衡方程，通過求解平衡方程獲得樁拱擋土墻整體結(jié)構(gòu)的極限承載力計(jì)算公式。

2）通過參數(shù)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(shù)? 對樁拱組合式擋土墻的極限承載力的影響，結(jié)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(gè)方面繼續(xù)開展研究：開展大比例模型試驗(yàn)或者現(xiàn)場試驗(yàn)研究，進(jìn)一步檢驗(yàn)并細(xì)化本文的設(shè)計(jì)方法;開展粘性土中樁拱組合式擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定理論設(shè)計(jì)方法研究;開展水流侵蝕（水毀）以及地震動(dòng)力荷載等條件下樁拱組合式擋土墻的穩(wěn)定性研究;開展地震作用下樁拱連接處抗震性能設(shè)計(jì)研究（針對裝配式樁拱組合式擋土墻結(jié)構(gòu)）。

參考文獻(xiàn)：

[1] 王麗艷， 劉漢龍. 回填砂土重力式擋土墻地震動(dòng)土壓力研究[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2009， 22（6）： 26-33.WANG L Y， LIU H L. Study of seismic active earth pressure acted on gravity wall in backfill sand [J]. China Journal of Highway and Transport， 2009， 22（6）： 26-33.（in Chinese）

[2] 陳棟梁， 黨進(jìn)謙. 重力式擋土墻的截面優(yōu)化設(shè)計(jì)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2007， 28（9）： 1969-1973.CHEN D L， DANG J Q. Study on optimum cross-section of gravity retaining wall[J]. Rock and Soil Mechanics， 2007， 28（9）： 1969-1973.（in Chinese）

[3] 張家國. 衡重式擋土墻受力及變形特性離心模型實(shí)驗(yàn)研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2004.ZHANG J G. Centrifugal model test study on the soil pressure and deformation of retainingwall with equilibratior[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2004.（in Chinese）

[4] 蔣鑫， 耿建宇， 曾誠， 等. 山區(qū)公路拓寬路基與衡重式擋土墻動(dòng)態(tài)相互作用的數(shù)值模擬[J]. 巖土力學(xué)， 2014， 35（Sup1）： 443-450.JIANG X， GENG J Y， ZENG C. Numerical simulation of dynamic interaction between widening embankment and balance weight retaining wall in mountain region[J]. Rock and Soil Mechanics， 2014， 35（Sup1）： 443-450.（in Chinese）

[5] 曹頔. 懸臂式擋土墻離心試驗(yàn)與分析[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2015.

CAO D. Centrifugal test and analysis of cantilever retaining structure[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2015.（in Chinese）

[6] 楊雪強(qiáng)， 何世秀. 對扶壁式擋土墻上主動(dòng)土壓力的探討[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2001， 20（Sup1）： 996-999.

YANG X Q， HE S X. Research on active soil pressure of counterfort retaining wall[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2001， 20（Sup1）： 996-999.（in Chinese）

[7] 魏元友. 扶壁式及L式擋土墻的模型土壓力試驗(yàn)[J]. 巖土力學(xué)， 1994， 15（1）： 20-27.

WEI Y Y. Research on calculating methods of soil pressures on counterfort walls and L-shaped walls[J]. Rock and Soil Mechanics， 1994， 15（1）： 20-27.（in Chinese）

[8] 周恒宇. 錨桿擋土墻在邊坡防護(hù)中力學(xué)機(jī)理的研究[D]. 成都： 西南交通大學(xué)， 2010.

ZHOU H Y. The research on mechanical mechanism of the slope protection on anchored wall[D]. Chengdu： Southwest Jiaotong University， 2010.（in Chinese）

[9] 張續(xù)萱， 魏殿興. 錨定板擋土結(jié)構(gòu)的實(shí)測土壓力及其分析研究[J]. 巖土工程學(xué)報(bào)， 1994， 16（2）： 73-79.

ZHANG X X， WEI D X. Neasurement and analysis of earth pressure in anchor slab retaining structures[J]. Chinese Jounal of Geotechnical Engineering， 1994， 16（2）： 73-79.（in Chinese）

[10] 范永豐. 公路擋土墻的設(shè)計(jì)方法及優(yōu)化研究[D]. 長沙： 湖南大學(xué)， 2003.

[11] 楊廣慶， 周敏娟， 張保儉. 加筋土擋土墻水平位移研究[J]. 巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào)， 2005， 24（7）： 1248-1252.

YANG G Q， ZHOU M J， ZHANG B J. Study on the horizontal deformation of reinforced retaining walls of soils[J]. Chinese Journal of Rock Mechanics and Engineering， 2005， 24（7）： 1248-1252.（in Chinese）

[12] 李鏡培， 馬原， 饒平平. 考慮位移的柔性擋墻上土壓力計(jì)算[J]. 巖土力學(xué)， 2012， 33（10）： 2937-2941.

LI J P， MA Y， RAO P P. Calculation of earth pressure against flexible retaining wall considering displacement[J]. Rock and Soil Mechanics， 2012， 33（10）： 2937-2941.（in Chinese）

[13] 李海深， 楊果林， 鄒銀生. 加筋土擋土墻動(dòng)力特性分析[J]. 中國公路學(xué)報(bào)， 2004， 17（2）： 28-31， 49.

LI H S， YANG G L， ZOU Y S. Analysis of dynamic character of reinforced earth retaining wall[J]. China Journal of Highway and Transport， 2004， 17（2）： 28-31， 49.（in Chinese）

[14]? PINTO M I M， COUSENS T W. Effect of the foundation quality on a geotextile-reinforced， brick-faced soil retaining wall[J]. Geosynthetics International， 2000， 7（3）： 217-242.

[15] 楊育文. 土釘墻計(jì)算方法的適用性[J]. 巖土力學(xué)， 2009， 30（11）： 3357-3364.

YANG Y W. Applicability of computational methods for soil-nailing walls[J]. Rock and Soil Mechanics， 2009， 30（11）： 3357-3364.（in Chinese）

[16]? SRINIVASA MURTHY B R， SIVAKUMAR BABU G L， SRINIVAS A. Analysis of prototype soil-nailed retaining wall[J]. Ground Improvement， 2002， 6（3）： 129-136.

[17]? YOUNG D K， HO E W L. The observational approach to design of a sheet-piled retaining wall[J]. Géotechnique， 1994， 44（4）： 637-654.

[18]? GAUDIN C， GARNIER J， THOREL L. Physical modelling of a cantilever wall[J]. International Journal of Physical Modelling in Geotechnics， 2004， 4（2）： 13-26.

[19] 曲宏略， 張建經(jīng). 樁板式抗滑擋墻地震響應(yīng)的振動(dòng)臺(tái)試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2013， 34（3）： 743-750.

QU H L， ZHANG J J. Research on seismic response of anti-sliding sheet pile wall by shaking table test[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（3）： 743-750.（in Chinese）

[20] 黃治云， 張永興， 董捷. 樁板墻土拱效應(yīng)及土壓力傳遞特性試驗(yàn)研究[J]. 巖土力學(xué)， 2013， 34（7）： 1887-1892.

HUANG Z Y， ZHANG Y X， DONG J. Experimental study of soil arching and transfer behavior of earth pressure about sheet-pile walls[J]. Rock and Soil Mechanics， 2013， 34（7）： 1887-1892.（in Chinese）

[21] 邱紅勝， 鄭俊杰. 一種新型擋土墻設(shè)計(jì)方法[J]. 巖土力學(xué)， 2002， 23（Sup1）： 165-168.

QIU H S， ZHENG J J. Design method of a new kind of retaining wall[J]. Rock and Soil Mechanics， 2002， 23（Sup1）： 165-168.（in Chinese）

[22]? MIYATA K. Walls reinforced with fiber reinforced plastic geogrids in Japan[J]. Geosynthetics International， 1996， 3（1）： 1-11.

[23] 姚裕春， 李安洪， 蘇謙. 陡坡椅式樁板結(jié)構(gòu)受力模式及計(jì)算方法分析[J]. 鐵道工程學(xué)報(bào)， 2016， 33（8）： 71-76.

YAO Y C， LI A H， SU Q. Analysis of force model and calculation method of chair-shaped sheet-pile structure constructed on steep slope[J]. Journal of Railway Engineering Society， 2016， 33（8）： 71-76.（in Chinese）

[24] 周雪峰， 呂江新， 魏偉. 套打樹根樁的重力式擋土墻設(shè)計(jì)[J]. 地下空間與工程學(xué)報(bào)， 2007， 3（Sup2）： 1426-1428.

ZHOU X F， LU J X， WEI W. Design of gravity parapet with striking tree - root pile[J]. Chinese Journal of Underground Space and Engineering， 2007， 3（Sup2）： 1426-1428.（in Chinese）

[25] 龍淑芝. 樹根樁技術(shù)在重力式擋墻地基加固中的應(yīng)用[J]. 公路工程， 2011， 36（4）： 136-138.

LONG S Z. Application of root piles in the foundation treatment of gravity retaining walls[J]. Highway Engineering， 2011， 36（4）： 136-138.（in Chinese）

[26] 趙明華， 羅宏， 鄒新軍. 公路輕型砌塊式擋土墻受力特性及設(shè)計(jì)計(jì)算方法研究[J]. 中南公路工程， 2005， 30（1）： 5-27.ZHAO M H， LUO H， ZOU X J. Analysis and design of light duty concrete block highway retaining wall[J]. Central South Highway Engineering， 2005， 30（1）： 5-27.（in Chinese）

[27] 周航， 劉漢龍， 董瑞琨， 等. 一種裝配式樁拱組合擋土墻及其施工方法： 201810122638. 0[P]. 2018-02-07.

[28]? PAIK K H， SALGADO R. Estimation of active earth pressure against rigid retaining walls considering arching effects[J]. Géotechnique， 2003， 53（7）： 643-653.

[29] Recommended practice for planning， designing and constructing fixed offshore platforms-Working stress design： RP2A-WSD[R]. 21st ed. API， 2000.

（編輯 王秀玲）