謝瑾榮，劉可

(1.中交第四航務(wù)工程勘察設(shè)計院有限公司, 廣東 廣州 510230; 2.中交城市投資(寧波)有限公司)

門架式樁板墻是一種直立式邊坡支護結(jié)構(gòu)，在變形控制要求高且無法設(shè)置內(nèi)外支撐的條件下應(yīng)用較多，該結(jié)構(gòu)整體截面慣性距較大，抗彎能力強，支護效果好。為便于計算，門架式樁板墻的前后樁常采用等間距形式布置，如矩形或梅花形。而為了最大限度減少工程量，節(jié)約工程造價，前排樁和后排樁各自的水平間距應(yīng)可以不相等設(shè)置，如前后排樁采用T字形布置，但是，T字形布置的雙排樁門架式結(jié)構(gòu)的空間體系受力計算則較為復(fù)雜。錢同輝等將雙排門架式抗滑樁視為單層多跨框架結(jié)構(gòu)，提出了樁梁土空間協(xié)同作用下的雙排門架式抗滑樁受力空間模型，計算較為繁瑣；李寶田等通過有限元法計算得到了排架樁的位移、彎矩、剪力等力學(xué)指標(biāo)；趙波等采用有限差分軟件對雙排樁的樁土空間效應(yīng)進行了模擬。上述數(shù)值分析法建模工作量大，耗時較長，且不易求解。而工程人員在設(shè)計中需要一種既安全又高效的計算方法。

該文以廣東省湛江市某路塹邊坡支護工程為例，針對雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)提出簡化分析計算法。

1 雙排不等距樁板墻受力機制分析

雙排不等距圓截面樁板墻是由前排支護樁、后排錨固樁、前排樁頂冠梁、前后樁系梁以及擋土板組成。前樁通過冠梁連接形成整體支護能力，后樁通過系梁與前樁冠梁連接，整體呈T字形分布，是具有整體抗彎能力的空間超靜定結(jié)構(gòu)(圖1)。

圖1 雙排不等距圓截面樁板墻

對土壓力作用下該結(jié)構(gòu)的受力機制進行分析：

(1)該結(jié)構(gòu)前后排樁呈T字形分布，后樁與其相鄰的前樁及其連接的系梁構(gòu)成了平面剛架結(jié)構(gòu)。

(2)相鄰剛架之間為1個受荷單元，滑動面范圍內(nèi)土壓力荷載作用在前排樁和擋土板上，擋土板又將荷載傳遞至相鄰前排樁，前排樁憑借抗彎能力、嵌固作用、支反力等抵抗單元范圍內(nèi)的主動土壓力。

(3)在冠梁的作用下，前排樁形成了受力整體共同抵抗土壓力作用，部分土壓力荷載在結(jié)構(gòu)發(fā)生整體變形趨勢后傳遞至平面剛架處。

(4)平面剛架處的后樁對前樁具有“錨拉”作用，抗彎能力遠大于單樁結(jié)構(gòu)，對整體結(jié)構(gòu)的位移變形起到控制作用，平面剛架處可視為前排樁結(jié)構(gòu)的支點。

(5)平面剛架除分擔(dān)部分前排樁荷載外，還需抵抗自身范圍內(nèi)的土壓力，在該土壓力作用下平面剛架結(jié)構(gòu)發(fā)生位移和變形，因此，該支點實為彈性活動支點。該彈性活動支點與前排樁相互變形協(xié)調(diào)，空間內(nèi)力再分配。

2 結(jié)構(gòu)簡化分析與計算

周翠英等將前后排樁及中間連系梁和樁間土視為整體，將前、后排樁受到的巖土體抗力簡化為彈性支承，提出了樁土作用計算模型，該研究為此次簡化計算提供了理論依據(jù)。該文將雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)視為彈性支座下的樁板墻結(jié)構(gòu)模型(圖2)，將該模型簡化分解為單支點樁板結(jié)構(gòu)模型與平面剛架結(jié)構(gòu)模型的線性組合。

圖2 雙排不等距樁板墻簡化分析模型

采用平面桿系結(jié)構(gòu)彈性支點法分別計算得到土壓力作用時單支點樁板結(jié)構(gòu)響應(yīng)與平面剛架結(jié)構(gòu)響應(yīng)，將兩種響應(yīng)線性疊加得到簡化模型的空間位移響應(yīng)(圖3)。

圖3 固定支座下樁板結(jié)構(gòu)模型與門架結(jié)構(gòu)模型

假定樁前土符合Winkler彈性地基梁理論，單支點樁板結(jié)構(gòu)支點剛度為無限大。采用彈性支點法計算得樁板結(jié)構(gòu)前樁水平位移V0；剛架結(jié)構(gòu)根據(jù)余志成提出的雙排樁計算公式，將其視為底端嵌固的平面剛架結(jié)構(gòu)模型，樁身土壓力分布與懸臂高度、樁排距有關(guān)，計算得前樁水平位移V1。疊加得雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)的前樁水平位移：V=V0+V1。

3 實例應(yīng)用

3.1 工程概況

實例工程位于湛江市經(jīng)濟技術(shù)開發(fā)區(qū)，道路按城市次干路標(biāo)準(zhǔn)建設(shè)，紅線寬度28 m，其中K0+520～K0+645段左側(cè)路塹邊坡總高5～9 m，為土質(zhì)邊坡，坡后為山體公園，植被茂盛。距道路邊線9 m處有佛塔1座，位于邊坡開挖范圍內(nèi)。經(jīng)各方磋商，該佛塔不得拆除，且山體公園內(nèi)植被不得破壞，因此該路段邊坡須采用直立式支護方案。

勘察資料顯示，場地揭露的地層為第四系下更新統(tǒng)湛江組海陸交互相沉積層，自上至下分布為：黏土1:灰黃色，濕，可塑，黏性一般，層厚7.0～8.0 m；黏土2：灰色，濕，可塑，黏性較好，層厚13.5～18.0 m。其巖土參數(shù)如表1所示。

表1 地層巖土參數(shù)表

3.2 邊坡支護設(shè)計

邊坡支護結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)從經(jīng)濟性、安全性和適用性三方面考慮，此次擬定了矩形截面樁板墻、圓截面樁板墻+錨索支護、門架式樁板墻、雙排不等距圓截面樁板墻共4個直立式支護方案，對以上方案進行綜合評價分析，結(jié)果如表2所示。

表2 支護方案選型

該工程瀕臨海邊，地下水發(fā)育，采用人工挖孔施工風(fēng)險和難度偏大，施工進度不滿足要求，因此支護樁采用機械成孔的圓截面鉆孔灌注樁。實例邊坡屬于土質(zhì)邊坡，黏土層深厚，樁前被動區(qū)土體抗力有限，如采用單排懸臂樁板墻方案，懸臂端頂部最大水平位移計算值已達82 mm，超出規(guī)范30 mm的限值要求，須輔以錨索支撐，而錨索在該地層中其錨固體摩擦力發(fā)揮效果欠佳，且遠期預(yù)應(yīng)力損失較大，不適宜作為永久性邊坡支護方案。若采用門架式樁板墻方案，其抗彎剛度大，支護效果明顯，但前后樁等距設(shè)置工程量較大，總工期較長，經(jīng)濟性一般。綜上分析，采用雙排圓截面樁板墻且前后樁不等距設(shè)置為最合理方案。

設(shè)計方案前樁水平間距采用2.5 m，懸挑比按1∶2控制，后排樁水平間距10 m，前后樁排距5 m，同深度設(shè)置，方案平面、立面布置見圖4。前樁頂部設(shè)置高1 m、寬2.5 m冠梁，系梁截面與冠梁相同，樁梁材料均采用C35 鋼筋混凝土。

圖4 雙排不等距圓截面樁板墻方案平面、立面布置(單位：m)

3.3 計算結(jié)果分析

簡化法分析采用理正巖土系列軟件計算得到土壓力作用時固定支座下的樁板結(jié)構(gòu)位移與門架結(jié)構(gòu)位移，二者相疊加得到雙排不等距樁板墻的樁身位移響應(yīng)。為對照分析，采用Midas GTS三維有限元軟件計算得到有限元解，并選取Z31、Z33、Z35、Z37、Z39、Z41、Z43、Z45共8個支護樁作為樁身位移實際監(jiān)測點。將以上觀測點的樁頂水平位移計算值與實測值匯總?cè)鐖D5所示。

圖5 樁頂水平位移計算值與實測值對比

從圖5可看出：簡化法計算結(jié)果與有限元法及實測數(shù)據(jù)基本符合。前樁的水平位移分布呈鋸齒形，簡化法計算所得樁頂最大水平位移為15.4 mm，發(fā)生在Z31樁，其樁頂實測水平位移為13.2 mm，遠小于單排懸臂樁的樁頂最大水平位移82 mm，滿足規(guī)范要求，后樁對前樁起到了明顯的“錨拉”作用，支護結(jié)構(gòu)整體具有較大的抗彎能力。

提取Z31樁身水平位移(圖6)可知，樁身最大水平位移為18.8 mm，約為單排懸臂樁的最大水平位移的25%。簡化法與實測值最大誤差為3.2 mm，有限元法與實測值最大誤差為1.7 mm，簡化法、有限元法分析結(jié)果與實測值平均誤差率分別為19%、11%，有限元法計算結(jié)果與實測值較為接近，這是由于有限元法對樁土體的變形協(xié)調(diào)和三維空間效應(yīng)計算更加精確。然而，簡化分析法無需建立復(fù)雜的三維有限元模型，計算更為快捷，誤差精度滿足巖土工程設(shè)計要求，且結(jié)果偏于安全。

圖6 Z31樁身水平位移

4 結(jié)論

(1)該文將雙排不等距樁板墻結(jié)構(gòu)視為彈性支座下的樁板墻結(jié)構(gòu)模型，并將結(jié)構(gòu)響應(yīng)簡化為單支點樁板結(jié)構(gòu)與平面剛架結(jié)構(gòu)的響應(yīng)疊加，實例應(yīng)用表明簡化計算思路較有限元法更安全高效。

(2)雙排不等距圓截面樁板墻依靠自身結(jié)構(gòu)的空間性抵抗土側(cè)壓力或滑坡推力，其樁身位移小，抵抗力大，且適用性強，安全風(fēng)險小,其前后樁水平間距可靈活設(shè)置，是一種值得推廣的直立式路塹邊坡支護結(jié)構(gòu)。