门架式桩板墙在路基边坡中的设计及应用

安宝平

（甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，兰州730000）

1 引言

随着基础设施的迅速兴建，边坡的支挡措施也越来越灵活多样。其中挡土墙是公路边坡支护广泛使用的一种支挡构造物，不但可维持边坡的稳定，也可减少路基土石工程量与工程用地。常见的边坡支护型式有重力式挡墙、扶壁式挡墙、悬臂式挡墙支护及桩板墙。本文以工程实例为例，运用MIDAS有限元软件对门架式桩板墙进行模拟分析，论证了门架桩板墙的可行性，为以后类似的工程设计提供参考。

2 工程概况及地质条件

2.1 工程简介

某市政道路K1+020.5～K1+090 段路基以挖方形式通过，路基挖方深度10～12m。该段路基右侧为18 层居民楼，路基右侧边缘距居民楼最小距离为14.5m，路基左侧为回族清真大寺，路基左侧边缘距清真大寺距离为10m；若采用常规挖方坡率开挖路基将会大幅度侵占居民楼庭院，无足够的放坡空间，且开挖过程中易引起路基破口外居民楼庭院及清真大寺沉降开裂，威胁居民的安全。

2.2 工程地质条件

根据地质调绘、钻探揭露及室内岩土土工试验，地层按其时代及成因分类，在勘察深度范围内上覆地层为第四系全新统人工堆积填筑土、冲积黄土状粉土、卵石及白垩系下统泥岩等地层。人工填筑土厚0.5～4.1m，层位变化大，工程性质极差；冲积黄土状粉土厚度2.4～4.6m，层位稳定，工程性质一般；冲积卵石层厚9.2～11.4m，层位稳定，厚度较大，中密～密实，工程性能较好；下覆白垩系下统河口群泥岩，基岩面起伏变化较大，强风化厚度1.2～2.0m 不等，层位稳定，工程性质较好，为较好的地基持力层。

3 支护方案比选

K1+020.5～K1+090 段挖方边坡支护属永久性边坡支护，设计前期分别采用重力式挡土墙、预应力锚索桩板墙及门架式桩板墙3 个方案进行必选论证。

1）重力式挡土墙：靠自重维持平衡，形式简单，施工简便，使用范围广；当挡土墙设置高度较大时，为保证墙身的抗弯能力及墙体稳定性，墙身截面尺寸及结构占地面积较大且墙高不宜超过12m。考虑到挡土墙埋深，该段落若采用重力式挡土墙，部分段落墙高超过12m，墙体截面尺寸较大；同时该段落路基左右侧距既有建筑物水平距离较近，传统的重力式挡土墙施工时需开挖临时基坑，无施工条件。

2）预应力锚索桩板墙：由钢筋混凝土抗滑桩、挡土板和预应力锚索组成的支挡结构物。边坡的土压力及水压力由抗滑桩及锚固在稳定土层中的锚索拉力来支撑平衡。相比传统的重力式挡土墙其施工占地少，基础开挖面积小，便于施工，桩顶水平位移小。本工程右侧18 层居民楼采用桩基础，预应力锚索钻孔时易打穿居民楼桩基础，施工风险较大。

3）门架式桩板墙：考虑本工程边坡支护的特殊性与重要性，为减少桩板墙桩顶水平位移，优化结构构件受力，创新性地在传统桩板墙桩顶增设钢管横撑，将传统的悬臂式桩板墙优化成门架式桩板墙，增强结构整体受力稳定性，并有效地控制桩顶水平位移。

4 门架式桩板墙结构分析

4.1 计算荷载及组合

计算荷载包括地面超载、填土重力、填土侧压力、墙顶有效永久荷载、车辆及人群荷载引起的土侧压力、地震作用等。按JTG D30—2015《公路路基设计规范》[1]附录H 的规定进行荷载基本组合、长期组合和偶然组合，各种荷载组合系数根据JTG D30—2015《公路路基设计规范》中的有关规定进行取值。

4.2 有限元模型分析

结合墙后土压力分布及考虑到施工可行，最终确定门架型桩板墙桩基采用1.8m 的C30 钢筋混凝土圆形灌注桩，桩间距4m，上部撑杆采用外径90cm 的钢管混凝土。根据门架式桩板墙结构的特点，选取门架式挡土墙标准单元格利用MIDAS 有限元软件建立空间模型进行整体计算，结构单元采用梁单元模拟。

4.3 静力分析

本门架式桩板墙右侧为高层居民楼，左侧为清真大寺，对周围环境有严格要求，除对支挡结构的承载力与整体稳定进行验算外，应对结构的变形进行计算。根据计算结果，桩身最大变形为2.5cm，撑杆最大变形上挠0.6cm，桩顶最大水平变形0.6cm。

5 门架式桩板墙的设计及应用

本段挖方路基地层上覆黄土状粉土，中部为卵石夹层，下部为白垩系下统河口群泥岩。为减少施工风险，加快施工进度，本段桩板墙桩基设计为圆桩，采用机械挖孔，桩顶设置纵向冠梁连接，路基两侧桩基对称布设，每隔一桩设置φ90cm 钢管混凝土横撑连接路基两侧桩基[2]。根据结构计算，桩基直径为1.8m，截面为圆形，桩中心间距为4.0m，桩长20m，桩身采用现浇C30 混凝土。桩顶冠梁为1.8m×1.5m 矩形截面，钢管横撑采用直径90cm，厚度8mm 高强度钢管，横撑钢管采用法兰盘与桩基连接。桩间土采用挡土板支挡，挡土板采用C30 混凝土现浇，板厚0.5m，每块挡土板高度1.5m，长度1.27～2.27m。挡土板设置于桩基中部，待桩体形成强度后，分段分节开挖桩间土体，每向下开挖150cm 现浇一节挡土板。桩板墙设置路段为城市路段，为美化路容，桩基外表面与挡土板之间空间采用C20 混凝土浇筑，浇筑混凝土时采用钢模板立模施工，确保外表面平整美观。门架式桩板墙设计图如图1 所示。

图1 门架式桩板墙设计图

结合MIDAS 建立空间模型分析计算结果，桩基为偏心受压构件，圆形偏心受压构件进行正截面承载力计算，配置出纵向受力主筋；同时对圆形偏心受压构件进行裂缝宽度验算[3，4]。由于桩基所受剪力较大，将圆形截面等效为矩形截面进行斜截面受剪承载力计算，配置出受剪螺旋筋。钢管混凝土撑杆，按单肢钢管混凝土构件在复杂应力状态下承载力计算。

6 结语

门架式桩板墙创新性地在传统桩板墙顶部钢管横撑，充分发挥桩板墙设置高度优势，又提高了结构的整体稳定性，同时减小了结构的桩顶位移[5]。该支挡结构受力合理、施工简便，大大缩小了施工过程中的临时基坑开挖范围，减少工程占地，工程效果良好，在施工场地受限的地段优势明显，可推广应用。