水平受荷桩在挡土墙加固工程中的设计与应用探析

余波江 （安徽省建筑科学研究设计院，安徽 合肥 230031）

0 前言

随着国家启动对老旧小区的改造工程，许多建造于上个世纪的小区房屋及附属设施得到了全面排查，其中小区周边的挡土墙结构发生较大位移及开裂的现象尤为突出。挡土墙主要受水土侧向压力，随着日积月累和人类活动，其稳定性不断衰减，进一步加剧会出现变形失稳现象，最终将会导致墙后土体滑移。因此，对挡土墙及时采取加固措施，可有效避免重大的生命和财产损失。

当前，水平受荷桩主要应用于基坑支护、边坡支护等建筑和交通领域，是抵抗水土侧向压力和保证其稳定性的关键构件，其受力特性得到了广泛研究与应用，但在挡土墙加固工程中的应用不多。本文结合某挡土墙加固工程实例，介绍该工程挡土墙的病害特点，叙述挡土墙加固方案和简化计算模型，提出水平受荷桩的设计方法，并且采用单桩水平静载试验实测技术，分析得出水平受荷桩的变形特征规律，评价该挡土墙加固方案的合理性，力求为类似挡土墙加固工程的设计与应用提供技术参考。

1 工程概述

某老旧小区挡土墙，墙高约4.5m，长度约80m，立板板厚250mm，每隔2.5m 设置扶壁柱，立板下设置500mm高地梁，地梁下设置桩基。根据检测报告：该挡土墙立板受水、土压力作用发生倾斜，其垂直度偏差在45mm～140mm，垂直度偏差较大；立板裂缝分布广泛，宽度较大，裂缝最大宽度为0.42mm，对承载力产生不利影响；该次检测混凝土强度和钢筋设置均满足原设计要求。

本工程挡土墙所在场地地形平坦，属江淮丘陵地貌单元。根据业主提供的勘察报告，墙背侧土均为杂填土，挡土墙坡脚以下范围内地层主要由杂填土、黏土、强风化泥质砂岩和中风化泥质砂岩组成，各项岩土特性指标如表1所示。

挡土墙设计土层参数表 表1

场地浅层土中主要赋存上层滞水、基岩裂隙水。上层滞水赋存在第①层素填土中，主要由大气降水补给，水位变化较大，变化幅度在1.0m～1.5m。

2 水平受荷桩设计

2.1 简化模型的建立与计算

根据检测报告，该项目挡土墙垂直度偏大且立板裂缝分布广泛，已对承载力产生不利影响，需对挡土墙采取加固措施。经对相关资料的分析和研判，拟采取增加扶壁墙的方案，以阻止挡土墙倾斜的进一步发展，保证其稳定性，并对原板面裂缝进行注浆处理。扶壁墙的间距同水平受荷桩的间距，取值为2700mm，与花坛侧墙可以组成一串区格，其内填土后可形成花坛，既美观环境，又进一步保证了原挡土墙的稳定性。其加固方案剖面如图1所示。

图1 加固方案剖面图

由于目前尚未有相关类型的计算软件，因此构件计算中对加固方案剖面图进行适当简化。将腰梁和水平连系梁处简化成两个支座，其受反力分别为RA和RB；扶壁墙简化成连接腰梁和水平受荷桩的斜杆，为简化计算和提高安全系数，将斜杆所受的轴力完全按水平力加载到桩上，最终水平受荷桩所受水平力是由土压力经水平连系梁和斜杆传至冠梁处形成的，即R=RA+RB。其简化模型如图2所示。

图2 水平受荷桩简化计算模型

图2 中，Q1 为土压力，Q2 为水压力或地面超载，静止土压力系数取值为0.5，通过以上简化模型可得出水平受荷桩所受水平力R=375kN。

2.2 单桩水平承载力特征值设计

桩侧土水平抗力系数的比例系数和桩顶容许水平位移是单桩水平承载力特征值设计的两个关键参数。桩侧土水平抗力系数的比例系数与桩身所处地层特性密切相关，根据地勘报告，水平受荷桩桩身范围内为杂填土、黏土和强风化砂岩组成，其中杂填土较厚。不同土层该比例系数不同，土层特性越好该比例系数越大。依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2018）表5.7.5 可得出本工程不同土性的桩侧土水平抗力系数的比例系数m 值，采取加权平均法可最终得出m=50 MN/m4。

依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2018）第5.7.2 条，一般情况下桩顶容许水平位移取值为10mm，对于水平位移敏感的建筑物去水平位移为6mm。经调查，原挡土墙坡顶处的建筑物距离较近，且采用天然基础，认为建筑物对水平位移敏感，所以本工程桩顶容许水平位移取值为6mm。

结合灌注桩桩身配筋率≥0.65%、桩顶约束情况为铰接或自由、桩入土深度为7m 等参数，依据《建筑桩基技术规范》（JGJ 94-2018）式5.7.2-2 可得出单桩水平承载力设计值Rh=385kN。综上，单桩水平承载力特征值取值为380 kN，该值大于桩所受水平力，满足要求。

3 单桩水平静载试验实测分析

3.1 试验步骤与目标

本工程静载试验利用相邻多根桩组合形成反力装置，最大加载量为580 kN，每级加载量为极限荷载的十分之一，第一级按照2 倍分级荷载加载。试验采用慢速维持荷载法，每级荷载施加后，按第5min、15min、30min、45min、60min 测读桩顶沉降量，以后每隔30min测读一次。

慢载时，每1h 内桩顶位移量不超过0.1mm，并连续出现两次（即从分级荷载施加后30min 开始，由1.5h 内连续三次每30min的沉降观测值计算），可判定位移相对稳定标准，再施加下一级荷载。当桩身折断、水平位移超过30 mm ～40mm 或者水平位移达到设计要求的水平位移允许值，方可终止加载。慢载卸载时，每级荷载维持1h，按第15min、30min、60min 测读桩顶沉降量后，即可卸下一级荷载。卸载至零后，应测读桩顶残余沉降量，维持时间为3h，测读时间为第15min、30min，以后每隔30min测读一次。

单桩水平承载力的确定方法应遵循下列原则：

图3 4#桩H-Y0曲线

图4 4#桩Y0-lgt曲线

图5 22#桩H-Y0曲线

图6 22#桩Y0-lgt曲线

①当桩身不允许开裂或灌注桩的桩身配筋率小于0.65%时，可取水平临界荷载的0.75 倍作为单桩水平承载力特征值；

②对于钢筋混凝土预制桩、钢桩和桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩，可取设计桩顶标高处水平位移所对应荷载的0.75倍作为单桩水平承载力特征值。

3.2 试验结果分析与判定

本工程水平受荷桩不足50 根，可取试验桩数为2 根，即4#桩和22#桩。通过对2 根桩的水平静载试验数据分析，可分别得出单桩水平静载试验的H-Y0曲线和Y0-lgt曲线。

从4#桩和22#桩的单桩水平静载试验H-Y0及Y0-lgt 曲线上可以得出，最大试验荷载均为580kN，其中4#桩在最大试验荷载条件下的水平位移值为8.54mm，22#桩在最大试验荷载条件下的水平位移值为7.79mm，可见在最大荷载条件下的位移值较小。从卸载曲线可以得出，4#桩的最终残余变形为3.60mm，最大回弹量为4.94mm，回弹率为57.8%；22#桩的最终残余变形为2.59mm，最大回弹量为5.20mm，回弹率为66.8%，可见残余变形较小，回弹率较高，桩受水平荷载作用工作性能良好。

从4#桩和22#桩的单桩水平静载试验H-Y0及Y0-lgt 曲线上还可以得出，曲线均平滑，无水平临界荷载点和水平极限荷载值点。其中，4#桩和22#桩在6mm 位移对应的荷载值分别为512kN和537kN，桩身配筋率均为1.2%，依据《建筑基桩检测技术规范》(JGJ106-2014)第6.4.7 条中单桩水平承载力的确定原则，其水平承载力特征值可取6mm位移对应的荷载值的0.75 倍为单桩水平承载力特征值，即4#桩的单桩水平承载力特征值为384kN，22#桩的单桩水平承载力特征值为402kN，均大于设计值380 kN，满足设计要求。

4 结论

①水平受荷桩具有抵抗水土侧向压力和保证边坡稳定性的良好性能，可利用当今成熟可靠的桩基施工技术，再结合水平受荷桩的设计要求和工程经验，可为挡土墙等复杂构筑物的加固安全性提供保障。

②利用水平受荷桩对既有挡土墙进行加固，往往实际的结构模型比较复杂。在设计中，需要对其受力模型进行适当简化分析，以保证加固方案的合理性和安全性，文中案例的简化方法可提供参考作用。

③在单桩水平承载力设计中，关键参数的取值尤为重要。应结合周边环境、地质特性、工程经验和所加固构件的重要程度等因素，以保证参数取值的合理性，为静载试验和质量控制提出目标。

④单桩水平静载试验实测分析中，其曲线平滑，无水平临界荷载点和水平极限荷载值点，表明水平受荷桩具有良好的工作性能，且均可满足设计提出的特征值要求。因此，采用水平受荷桩对既有挡土墙的加固方案是合理可行的，可为类似工程的设计和应用提供借鉴。