双排钻孔灌注桩挡土墙在黄土高边坡中的应用效益分析

王亚宁

(陕西省铁道及地下交通工程重点实验室(中铁一院)，陕西 西安 710043)

随着我国高速铁路向黄土纵深地区发展，越来越多的黄土高边坡出现在高速铁路路堑工程中。为保证高边坡工程的安全可靠性，同时减少大面积刷方和土地利用，秉持绿色环保理念，大量支挡工程被应用于高边坡工程[1]，如重力式挡土墙、桩板式挡土墙、双排钻孔灌注桩挡土墙等。

黄土地区的路堑高边坡具有在不同于其他地区的显著特征。黄土覆盖层较深厚，基岩埋深较深，支挡工程基础往往不能嵌入基岩；黄土的直立性较好，边坡高度往往较其他土质路堑高[2]。据统计，在已建成运营的铁路、公路中，路堑高边坡较为常见，有的边坡高度大于60 m[3-4]，近年来黄土地区建成通车的高速铁路路堑边坡高度也有超过50 m的情况。

本文依托银西高速铁路在设计实践中遇到的典型案例，对比分析黄土地区常用的路堑高边坡支挡工程措施的受力和变形特性，对比分析桩板式挡土墙和双排钻孔灌注桩挡土墙的适用性、结构合理性及经济技术效益。

1 路堑高边坡支挡方案

银西高速铁路沿线黄土地层分布广泛，穿越了渭河高阶地及渭北黄土塬区、黄土台塬区、环江宽谷及黄土梁峁沟壑区等黄土区域。沿线黄土主要为黏质黄土、砂质黄土，结构疏松，多孔隙。黄土场地普遍具有湿陷性，湿陷性黄土分布总长度超过400 km。河谷区一级阶地黄土场地多具有非自重湿陷性，湿陷等级以Ⅰ～Ⅱ级为主，湿陷土层厚约3～7 m；二、三级阶地及黄土塬区黄土具有自重湿陷性，湿陷等级Ⅱ～Ⅳ级，湿陷厚度为3～40 m。线路所经区域滑坡、错落、溜塌等不良地质较为发育。

试验工点位于银西高速铁路DK408+830—DK409+240段，路基为高边坡路堑。该工点属黄土沟壑梁峁地貌，地层主要为上更新统风积砂质黄土，厚度大于35 m，黄褐色，成分以粉粒为主，黏塑性差，局部可见针状孔隙，含白色菌丝，稍密～中密，稍湿～潮湿，Ⅱ级普通土。地表2.6 m以上为稍密，承载力σ0=120 kPa，2.6 m以下为中密，承载力σ0=150 kPa。黏聚力c=20 kPa，内摩擦角φ=27°。围压为100～200，200～300,300～400 kPa时，压缩模量Es分别为4.7～17.5，5.2～24.1，6.6～25.0 MPa。工点范围内风积砂质黄土均具湿陷性，属Ⅳ级(很严重)自重湿陷场地，湿陷土层厚度大于17 m。线路在本段以挖方形式通过。

1.1 自然放坡方案

根据TB 10035—2006《铁路特殊路基设计规范》，推荐采用圆弧法[5]进行路堑边坡稳定性计算。自然放坡采用如图1所示边坡形式，总的下滑力为 8 683.073 kN，总的抗滑力为 9 579.523 kN，滑动安全系数为1.103。

图1 自然放坡稳定边坡形式(单位：m)

1.2 桩板式挡土墙支挡方案

为提高高边坡工程的安全可靠性，同时减少大面积刷方和节约用地，减小对自然的破坏，采用桩板式挡土墙进行支挡收坡。根据TB 10025—2006推荐的计算方法[6]，采用如图2所示的支挡及放坡形式，桩板式挡土墙悬臂段长8.0 m，桩截面尺寸为3.0 m×2.5 m，桩间距6.0 m。采用m法，经计算，嵌固段长为14.0 m，总桩长为22.0 m时，其整体稳定安全系数(Ks=1.471>1.30)、抗倾覆系数(Kov=1.298>1.200)及土反力(计算土压力Ps=18 417≤土压力限值Ep=18 726)等均满足TB 10025—2006的要求。桩板式挡土墙单位长度整体刚度为 28 125 MN·m2。

图2 桩板式挡土墙稳定边坡形式(单位：m)

1.3 双排钻孔灌注桩挡土墙支挡方案

鉴于深厚黄土地区无持力地层，桩板式挡土墙体积较大，桩体支挡结构发挥的效用不高，因此，采用近年来逐渐兴起的双排钻孔灌注桩挡土墙进行支挡收坡。国内关于双排桩支护体系的各种计算理论[7]都是对双排桩两侧及桩间土的土压力分配作不同的尝试，各有其特点。弹性地基梁法是JGJ 120—2012《建筑基坑支护技术规程》[8]推荐的方法，其最大的优点是能够考虑土与结构的相互作用[9]。

根据计算，采用20.0 m长的双排桩(悬臂段长8.0 m，桩径1.25 m，桩间距2.3 m，桩排距2.5 m)，桩顶采用如图3所示的支挡及放坡形式。该方案的整体稳定安全系数(Ks= 1.421>1.30)、抗倾覆系数(Kov=1.342>1.20)及土反力(Ps=5 461≤Ep=8 186)等均满足JGJ 120—2012的要求。

图3 双排钻孔灌注桩挡土墙稳定边坡形式(单位：m)

采用双排钻孔灌注桩挡土墙，其中前后排桩桩径均为1.25 m，桩顶连梁及桩的布置形式如图4所示。

图4 双排钻孔灌注桩挡土墙桩顶连梁及桩的布置形式(单位：m)

双排钻孔灌注桩挡土墙整体刚度计算公式[10]为

式中：EI为整体抗弯刚度；E1I1，E2I2分别为前、后排桩抗弯刚度；h1,h2分别为前、后排桩等效的连续墙的厚度；h3为前后排桩中心的间距；E3为前、后排桩中间土体的弹性模量,取5 MPa；d1,d2分别为前、后排桩直径，d1=d2=1.25 m；t1,t2分别为前、后排桩桩间距，t1=t2=1.05 m；t3为前排桩与后排桩边缘距离，t3=2.5 m。

采用式(1)—式(4)计算，双排钻孔灌注桩挡土墙单位长度整体抗弯刚度为 59 958 MN·m2。

2 不同挡土墙的对比分析

2.1 技术指标对比

3种方案主要技术指标见表1。由表1可知：采用桩板式挡土墙和双排钻孔灌注桩挡土墙能有效降低总边坡高度，减少征地宽度，同时边坡的整体稳定性明显提升；在相同边坡形式下，双排钻孔灌注桩挡土墙相对 桩板式挡土墙，能以更短的桩长获得相近的整体稳定

表1 3种方案主要技术指标

安全系数和抗倾覆系数，同时双排钻孔灌注桩挡土墙嵌固段地基反力相对较小，有利于路基面的稳定。

2.2 结构内力分析

2.2.1 桩板式挡土墙

桩板式挡土墙内力计算根据弹性地基梁理论，采用m法进行计算，支挡及放坡形式参见图2。计算采用的主要参数有：c=20 kPa，φ=27°，土重度γ=17 kN/m3，地基系数的比例系数m=13.88 MN/m4。计算结果见图5。可知，桩板式挡土墙桩顶处出现最大位移(21.8 mm)，路基面下部出现最大弯矩(10 855 kN·m)，剪力峰值(1 989 kN)出现在路基面附近，土压力采用弹性法计算时呈曲线分布，采用经典法计算时呈三角形分布。

图5 桩板式挡土墙结构内力

2.2.2 双排钻孔灌注桩挡土墙

双排钻孔灌注桩挡土墙内力采用平面刚架结构模型进行计算，支挡及放坡形式参见图3。计算采用的主要参数有：c=20 kPa，φ=27°，γ=17 kN/m3，m=13.88 MN/m4。

图6 双排钻孔灌注桩挡土墙内力

挡土墙内力计算结果见图6。可知，前排桩最大位移(7.37 mm)和最大弯矩(1 217 kN·m)出现在路基面上部，剪力峰值(401 kN)出现在路基面以下，土压力呈梯形分布。后排桩最大位移出现在桩底端(18.97 mm)，最大弯矩(449 kN·m)在路基面上部，剪力峰值(100 kN)出现在桩顶附近，土压力呈三角形分布。

对比图5、图6可知：①在墙后同样的边坡高度及地层参数下，桩板式挡土墙墙身承受的弯矩和剪力远大于双排钻孔灌注桩挡土墙前排桩和后排桩承受内力之和;②桩板式挡土墙最大位移出现在桩顶部，双排钻孔灌注桩挡土墙桩顶位移接近0;最大值出现在后排桩的桩底，前排桩出现在路基面附近;且路基面处的位移值显著小于桩板式挡土墙，对轨道结构影响较小。

2.3 综合效益分析

桩板式挡土墙和双排钻孔灌注桩挡土墙综合效益见表2。经对比可知：同等线路长度下双排钻孔灌注桩挡土墙所需的钢筋混凝土量显著低于桩板式挡土墙，且双排钻孔灌注桩的抗侧移刚度明显优于桩板式挡土墙。

表2 不同挡土墙方案综合效益

2.3.1 位移

在该地层条件下双排钻孔灌注桩挡土墙在桩顶及路基面附近的位移显著优于桩板式挡土墙，对变形要求较高的高速铁路具有优势。

2.3.2 施工便易性

在黄土地层中双排钻孔灌注桩挡土墙可采用旋挖钻等机械设备直接成孔[11]，钢筋笼可工厂加工直接吊放，施工周期快。桩板式挡土墙主要采用人工挖孔，边挖边支护，现场绑扎钢筋，施工周期慢。

2.3.3 钢筋混凝土量

相同的边坡形式、同等安全系数及支护长度下，双排钻孔灌注桩挡土墙所需的钢筋混凝土量明显小于桩板式挡土墙。

2.3.4 经济成本

相同支护长度下，双排钻孔灌注桩挡土墙支护体系的工程造价比桩板式挡土墙低40%以上。

3 结论

1)在深厚黄土地层条件下，可采用适当的支挡工程对路堑高边坡进行收坡，提高工程的安全可靠性，节约用地，减少大规模刷方。

2)支挡结构中若桩未能嵌入基岩等持力层时，双排钻孔灌注桩挡土墙桩的应力分布合理性、位移变形等力学特征明显优于桩板式挡土墙。双排桩为刚架结构，其抗侧移刚度远大于单排悬臂桩结构，其内力分布明显优于悬臂结构。在相同的材料消耗条件下，双排桩刚架结构的桩顶位移明显小于单排悬臂桩，其安全可靠性、经济合理性优于单排悬臂桩。

3)深厚黄土地层中，相同的支挡效果下，双排钻孔灌注桩挡土墙钢筋混凝土消耗量比桩板式挡土墙减少约40%。

4)双排钻孔灌注桩挡土墙施工便易性、施工周期、材料消耗等经济指标明显优于桩板式挡土墙。