桩板式挡土墙设计中的桩形选择问题分析

刘国军，王超俊

(广西交通科学研究院有限公司，广西 南宁 530007)

0 引言

随着城市化进程的不断推进，城市发展将向地形、地质等建设条件更加复杂的区域挺进。在这些地方，一方面要面临更大的地形起伏和更为严酷的地质条件，另一方面是现有城市周边的待开发区域，经过多年不断发展，其建筑物分布也更为密集，都在一定程度上增加了防护工程设置的数量，增加相应的费用，使得防护问题也变得更加突出。

桩板式挡土墙是道路工程中常见的防护形式，采用钢筋混凝土桩体作为主要承载构件，桩间设置挡土板，利用挡土板支撑墙后填土，并通过挡土板将荷载传递至桩身的支挡结构。桩体就是桩板式挡土墙主要受力构件和结构设计重点。本文结合工程案例，对桩板式挡土墙设计中桩形选择问题进行分析。

1 工程概况

1.1 项目基本情况

本项目为市政道路，道路设计为城市主干道，路宽44 m。项目周边地貌类型为构造-剥蚀类型的低丘陵地形。地形上表现为山脊不明显，为波状起伏，局部也有分水岭，山坡凸起，坡度平缓。

在K0+300～K0+510段道路右侧，存在高度5～7 m高挖方边坡，边坡上方有居民小区。

1.2 项目地质概况

项目沿线地质情况：表层0～6 m人工填土，6～10 m全风化粉砂岩，以下为强风化粉砂岩，钻孔进入强风化层4 m，未钻穿。

1层第四系全新统填筑层填土(Q4ml)：红褐色、黄褐色，稍湿，以黏性土为主，土质不均，干强度低，韧性差，密实性差，基本呈松散～稍密状态，为欠固结土。标准贯入试验击数为7～16击，平均值为11.0击，属高压缩性土。

2层全风化粉砂岩(K1)：红褐色、黄褐色，风化剧烈，岩体结构基本被破坏，局部可见原岩结构，岩芯呈土夹碎块状，结构遇水易崩解、软化，标准贯入试验击数为10～23击，平均值为15.21击。

3层强风化粉砂岩(K1)：红褐色、黄褐色，粉粒结构，碎裂构造，节理裂隙很发育，岩芯多呈砂状、少量碎块状。标准贯入试验击数为15～23击，平均值为19击。

1.3 防护方案设计

根据现场地形、地貌及地质情况分析，项目道路位于现状填土边坡中部，道路右侧路幅需要挖方，如采用直接放坡的方法，则需要拆迁数栋房屋，社会阻力较大，设计中确定采用挡土墙以减少边坡距离，避免建筑物拆迁。由于拟设计挡土墙位置为填土边坡，填土呈松散状态，开挖后施工重力式挡土墙存在极大的边坡垮塌风险，因此，分析确定采用桩板式挡土墙，施工完桩板式挡土墙再进行路基开挖。

设计中拟定两种桩板式挡土墙：方案一(圆形桩)，桩体直径1.8 m，桩间距4 m；方案二(方形桩)，桩断面为1.2×2.0 m，桩间距4 m。

2 桩型选择分析

为了使设计方案更加经济合理，对圆形桩、方形桩设计方案进行对比分析。

2.1 桩体受力分析

2.1.1 计算原理

结构分析计算采用理正软件抗滑桩模块进行计算，该模块桩身内力的计算采用弹性计算方法，根据桩在嵌固段土反力计算系数的不同分为下列几种：“m”法、“c”法、“k”法，具体计算如式(1)所示。

[[KZ]+[KT]+[KTO]]{δ}={P}

(1)

式中：[KZ]——抗滑桩的弹性刚度矩阵；

[KT]——滑坡面以下土体的弹性刚度矩阵；

[KTO]——滑坡面以下土体的初始弹性刚度矩阵；

{δ}——抗滑桩的位移矩阵；

{P}——抗滑桩的荷载矩阵。

从公式中可以看出，在桩长及其他外部条件一致的情况下，影响桩体抗力的因素为抗滑桩的弹性刚度矩阵，而桩体刚度矩阵中受弯变形主要受桩体弹性模量、截面惯性距影响，因此同样截面面积，方形截面桩承载力更大。

2.1.2 结构计算

根据建筑物分布情况，以及设置桩板式挡土墙后边坡具体开挖情况，进行剩余下滑力计算，通过理正软件计算，得出桩后剩余下滑力为250 kn/m。桩板式挡土墙验算标准为悬臂段底部变形量≤10 mm，为此，通过对拟定的两种桩板式挡土墙进行软件计算校核，计算显示，方案一(圆形桩)：桩体直径1.8 m，桩间距4 m。桩长需要16 m，方案二(方形桩)：桩断面为1.2×2.0 m，桩间距4 m，桩长需要14 m。通过对比分析证实，相当的截面面积和桩间距，圆形截面桩需要更长的桩长才能满足设计要求，说明圆形截面桩承载能力较方形桩差，结构计算表明相差约15%左右。

2.2 桩体施工分析

目前桩体施工主要包括人工挖孔、螺旋钻成孔、冲击成孔等方法，根据桩形不同，各种施工方法适用情况也不一样。圆形截面桩可采用上述各种方法，施工可选择范围更广。方形截面桩常用的方法是人工挖孔，冲击成孔及螺旋钻成孔较难实现，施工可选择空间较小。

由于近些年人工挖孔桩出现多起安全事故，使得建设主管部门不得不限制人工挖孔桩的使用范围，广西建设部门也颁布了《关于严格限制使用人工挖孔灌注桩的通知》(桂建管〔2014〕87号)，其中“(六)高压缩性人工填土厚度超过5 m”禁止使用人工挖孔桩。就本项目而言，地质情况表明，上面6 m范围为松散的人工填土，因此，本项目从施工安全性、便易性角度讲，最优选择是采用圆形截面桩。

2.3 桩体景观效果分析

景观效果对市政道路设计来讲也是重要的设计要求，设计不当会造成城市景观的破坏。桩板式挡土墙由于外露钢筋混凝土结构面积较大，表面绿化恢复措施较为匮乏，造成了该类挡土墙整体景观效果较差，所以，不管是圆形截面桩还是方形截面桩景观效果都不是十分理想。由于存在众多建设条件限制比较严重的地段，在这种情况不得不设置该类挡土墙，从景观角度对比分析，只能选择对景观影响最小的桩形方案。

桩体是影响桩板式挡土墙景观效果的关键位置，桩体体积越大、高度越高，景观效果就越差，挡墙外露高度一般调整空间较小，因此，桩体视觉体积越小，景观效果就会稍好。从视觉感官出发，同样体积圆形截面表面积较方形截面小，所以，在截面面积相当情况下，选择圆形截面桩从视觉上效果更好些。

2.4 桩体选择综合分析

上面对桩板式挡土墙桩形选择问题进行了受力、施工、景观等方面分析，初步明确了两种桩板式挡土墙存在的优缺点，下面结合项目具体情况，从经济、技术多方面进行综合分析，具体如表1所示。

通过上述对比分析可以看出，方形桩除了施工方案受限较大、景观效果稍差外，受力优势较为明显，可节省项目投资。

对本项目而言，不考虑施工因素，采用方形桩挡土墙相比圆形桩挡土墙，投资减少30万元，减少比例为7.5%。放在本项目具体情况中分析，本项目桩板式挡土墙造价约占项目投资的1.0%，所占比例较小。而且本项目挡土墙范围存在最厚6 m的人工填土，即不满足“新近的人工填土超过5 m不得使用挖孔桩”的条文，采用方桩机械成孔技术不是十分成熟，施工较为困难。同时，考虑到本项目为城市道路，景观效果要求较高，花费稍高的投资，来换取项目景观效果的提升从长远讲也是合理的，因此，通过综合对比分析，本项目选择圆形截面桩板式挡土墙。

3 结语

(1)从桩板式挡土墙受力机理及破坏模式分析，方形桩在受力方面相对圆形桩具有一定优势，采用方形桩能在同样条件下，有效减小断面尺寸，降低工程投资。因此，项目投资控制较严的项目可采用方形截面桩方案。

(2)从建设行业来看，城市道路防护工程虽然相比以前有所增加，相比公路、铁路行业而言，所占比例仍然较低，因此，在城市道路中推荐采用景观效果稍好，施工便易的圆形桩挡土墙，在公路、铁路等城市建设区外的项目推荐采用方形截面桩挡土墙。

(3)无论方形或圆形桩，整体上景观效果都是较差的，在市政项目应用桩板式挡土墙一般都是条件受限，被迫采用。如何改善桩板式挡土墙景观效果，降低、消除其对周边景观的不利影响，具有重要意义，也是工程设计行业发展的方向。目前，已经有采用斜插式挡土板的设计案例，是很好的设计尝试，随着人们对环境要求不断提高，设计中更应该加强环境、景观因素考虑。