某市政道路人行道内新建给水管槽对既有排桩挡墙的影响分析

黄华东，郭金波，朱海峰

（中国建筑西南设计研究院有限公司 设计十院，重庆 401121）

排桩锚杆挡墙结构用于支护岩石路堑边坡，在我国西南地区较为常见. 国内外学者针对基坑锚桩支护数值模拟的研究成果较多，如潘海洋等[1]应用等值梁法和有限元法对锚桩支护结构进行了分析；苏天涛[2]对深基坑桩锚支护结构的变形与稳定性进行了研究；周勇等[3]探讨了考虑局部超载下的桩锚支护结构变形规律；彭红益等[4]通过有限差分法分析了地震作用下桩锚支护的位移、加速度、锚杆轴力响应的动力特征；叶帅飞等[5]通过有限差分法对基坑桩锚支护进行模拟研究. 既有成果对新建支护的结构岩土参数研究较多，而关于后期工程施工对既有桩锚挡墙影响的研究较少. 地下管道是城市建设的重要基础设施，且更新换代频繁. 笔者采用规范法及有限元数值模拟相结合验证的计算方法，对已建排桩锚杆挡墙的安全进行了计算复核和验算，以期为管道工程的施工对排桩结构的安全影响做出预估.

1 工况简介

在某市政道路人行道上邻近排桩锚杆挡墙嵌固点位置开挖1 m 1 m×的管槽后施作市政给水管道，既有排桩采用直径0.8 m 的机械成孔桩，锚杆每孔采用2 根28 的HRB400 钢筋，钢筋水平间距2.5 m，垂直间距2 m，锚杆锚固长度均锚入岩石破裂角外5 m 以上. 选取边坡最大高度13.18 m（从管沟底起算，岩石段高度9.03 m）的典型剖面，坡顶无重要建筑物，该地质断面处无顺层及不利外倾结构的影响，边坡的稳定性主要受岩石自身稳定性的控制. 相对位置关系如图1 所示，场地岩土及结构参数如表1 所示.

图1 结构典型横断面的相对位置示意

表1 结构及岩土计算力学参数

2 数学模型

2.1 规范法

排桩锚杆挡墙计算模型采用《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）[6]6.2.3 公式（按等效内摩擦角计算）计算主动土压力：

其中，γ 为边坡岩体的重度(3kN/m )，H 为边坡的高度（m），aK 为主动土压力系数，φ 为岩体的内摩擦角（°），δ 为岩石与挡墙背的摩擦角（°），q 为坡顶均布荷载（kN/m），c 为岩体的黏聚力（kPa），β 为坡顶表面与水平面的夹角（°），α 为支挡结构墙背与水平面的夹角（°）.

自由段为岩层的岩石非预应力锚杆，其侧向岩土压力根据边坡规范9.2.2条进行修正：

2.2 有限元法

验算模型采用 MIDAS-GTS-NX 通用有限元软件计算. 岩土体的屈服条件采用摩尔-库伦准则[7]（见图2），方程如下：

图2 摩尔-库伦(Mohr-Coulomb)屈服准则

其中，c 为黏聚力；φ 为内摩擦角；θ 为洛德角；应力张量的第一

本文用曲面弹簧来定义弹性边界，当建立弹性地基反力模型时，用地基反力系数乘以相应节点的从属面积作为地基的弹性支撑刚度[7]. 根据地勘数据进行数值模型，采用笛卡尔坐标系， X 轴垂直道路纵向、Y 轴沿桩基竖直方向（见图3），计算模型的底面侧面通过地基弹簧约束自由度，地表为自由面.

图3 管槽与既有支挡结构的相关关系

计算模型采用GTS NX 岩土有限元软件计算，通过模拟分析施工阶段来实现支挡结构的施作、土体的挖方、管道的施作及管槽的回填. 为了确保模型有足够的计算精度并尽量减少计算工作量，本次对计算范围进行了一定的限制：从地表向下取50 m，管道侧取40 m. 模拟拟建项目施工过程：初始地应力状态→道路开挖及排桩锚杆挡墙施作（施加道路车行荷载）→管槽开挖→管槽回填施加.

3 结果分析与讨论

3.1 规范法验算配筋

通过规范及公式计算边坡岩石压力[6-9]，挡墙顶部土层考虑为等效均布荷载替代，计算出来钢筋面积为 1 021.21 mm2；实配钢筋为 2 根 28HRB400 钢筋，其面积为 1 230.88 mm2、长度为5 m，具体结果如表 2～4 所示：管槽开挖状态下，排桩锚杆挡墙锚杆的大小和长度均满足力学计算要求，在人行道上开挖给水管槽对边坡的影响较小，锚杆的锚固长度满足稳定性要求.

表2 主动土压力计算

表3 锚杆钢筋面积计算

表4 锚杆锚固长度计算

3.2 有限元法复核内力变形

3.2.1 排桩锚杆结构的总变形情况

由图 4～6 可知，开挖管槽后引起锚杆嵌固端出现的总变形位于第一排锚杆末端位置，管槽开挖后与排桩锚杆挡墙施作后的锚杆嵌固端的变形变化值为 -0.007 754 mm ，整体变形很小且变化值均很小，表明管槽开挖对锚杆的影响很小；管槽回填后与排桩锚杆挡墙施作后的锚杆最大值变化值为-0.012 503 mm，表明管槽回填对锚杆的嵌固端的变形影响很小，对锚杆的受力影响较小. 开挖管槽后，引起排桩结构出现最大变形的位置有微小变化，由第一排锚杆位置移动到嵌固点附近位置，管槽开挖后与排桩锚杆挡墙施作后的排桩最大值变化值为 - 0.031 036 mm，尽管最大值出现的位置小幅变化，但整体变形以及变化值均很小，表明管槽开挖对排桩的变形影响很小；管槽回填后与排桩锚杆挡墙施作后的排桩最大值变化值为 -0.041156 mm ，表明管槽回填对排桩的变形影响很小，排桩桩顶位移以及嵌固点的位移均很小，均满足《建筑边坡工程技术规范》桩板挡墙嵌固段顶端地面处的水平位移不宜大于10 mm 的要求.

图4 路基开挖及排桩锚杆挡墙施作后总位移云图

图5 管槽开挖后总位移云图

图6 管槽回填后总位移云图

3.2.2 排桩结构的最大主应力云图

由图 7～9 可知，开挖管槽后引起排桩结构出现的最大主应力的变化有所增加，增加值仅为0.308 MPa；管槽回填阶段相比最初支护状态最大主应力变化值为0.312 MPa . 三个施工阶段的最大主应力值均小于 C30 混凝土轴心抗压强度设计值14.3 MPa[9-10]. 表明管槽开挖对排桩结构的内力影响较小，未造成结构出现大的受力变化.

图7 路基开挖及排桩锚杆挡墙施作后最大主应力图

图8 管槽开挖后最大主应力图

图9 管槽回填后最大主应力图

4 总结与建议

经计算分析，管槽开挖及回填对既有支护结构造成的变形和应力变化微乎其微，整体的变形值与应力值满足结构安全的需要以及相应规范的要求，且该项目施工完成后，未出现异常情况，故采用规范法与有限元结合分析的方式对排桩锚杆挡墙的安全进行预判可行.

在相关工程的实施过程中，可采用本文方法提前预判和评估；在实际施工阶段，要求施工单位尽量远离边坡坡脚、远离排桩嵌固点（坡脚点）掏挖施作. 施工单位应采取自上而下、分段跳槽、小开控、及时支护的逆作法施工，开挖后及时施作管道，及时回填封闭，减少土体开挖后的暴露时间. 基槽开挖时应加强临时排水，雨期停止施工，且保证沟槽封闭，无积水下渗. 管槽开挖及回填过程中，加强边坡支挡结构的位移监测，采用动态设计、信息法施工，密切关注边坡以及其结构位移变化.