卸荷板式桩板墙在边坡中的应用研究*

周太平，刘春兰，白 林，高 超

（1.四川铁道职业学院，四川 成都 611732；2.乐山市通达交通勘察设计有限责任公司，四川 乐山 614000）

随着我国高速铁路的快速发展，铁路路基的边坡支挡防护结构形式日新月异。支挡结构作为路基的重要组成部分，合理选用其结构形式，一是能有效消除路基边坡滑坡、崩塌、地面沉降、地面塌陷等问题隐患，二是能够直接有效地降低工程成本。《铁路路基支挡结构设计规范》中明确了路基边坡工程的设计中应结合实际的工程的荷载大小、地形、地质和水文地质等条件，从重力式挡土墙、衡重式挡土墙、锚杆挡土墙、加筋土挡土墙、抗滑桩、卸荷板等支护结构中选用最合适的组合形式[1]。本次研究理论联系实际，多次深入一线施工项目进行调研，推导了卸荷板的最佳位置与板长等关键因素，并用数值分析软件进行了验证，得到了同行设计院相关专家的认同，并成功运用于实际的工程案例中。

1 卸荷板在边坡工程中的发展现状

传统的短卸荷板式挡土墙由上、下墙和卸荷板组成，上下墙高度比例一般为4∶6，墙身采用石砌体。《铁路路基支挡结构设计规范》第4 章中明确规定了短卸荷板式挡土墙的适用条件——适用于地基强度较大，墙高大于6m、小于等于12m 的路肩墙可采用短卸荷板式挡土墙[1]。

目前高速铁路的高填方路段、墙高大于12m 的挡土墙较多，传统的短卸板挡土墙不能满足设计要求，必须采用桩板式挡土墙、锚杆（锚索）式挡土墙等结构形式，如果考虑在桩板式挡土墙中采用卸荷板结构，则可减少桩柱受荷段弯矩，进而可优化桩柱截面尺寸，并可延长无锚索桩板式挡土墙的受荷段长度。卸荷板式桩板墙首次应用于深圳地区边坡工程，胡荣华等[2]对卸荷板参数与桩长的确定进行了研究，文章在其研究的受力模式基础上，通过受力分析，研究卸荷板的优化位置及长度，以期为卸荷板式桩板墙在铁路高填方路基中的应用作为一种新型的支挡结构技术提供参考。

2 受力模型及理论分析

根据胡荣华等人提出的受力模式，由于卸荷板的遮帘效应需要考虑卸荷板的刚度情况，分析比较复杂，而桩板式挡土墙一般较高，遮帘效果占比小影响较小，同时考虑到用于滑坡时不计遮帘效应，因此偏安全地忽略遮帘效应，简化后的模型如图1 所示。

图1 简化后卸荷板桩板墙模型

模型简化后的桩板墙，受墙后土压力、卸荷板土压力及锚固段地基土反力共同作用。对于桩顶截面，其外荷载产生的弯矩和剪力为：

3 卸荷板位置与板长的确定

3.1 卸荷板位置的计算

若桩顶单位水平力作用下桩顶位移为XQ，转角为φQ，单位弯矩作用下，桩顶位移为XM，转角为φM，在桩截面及地质参数确定时，这四个参数为定值。X0和φ0为外荷载作用下桩顶作用的位移和转角，f 为桩顶固结时悬臂柱柱顶位移。

考虑桩位变形后，柱顶的总位移为：

将式（1）、式（2）代入式（3）后，可以将H 值和B 值看作常量，公式看作变量为h1的一元三次函数，当时，柱顶位移取得最小值。从极限思维来看，若地基极好，侧向支撑能力越强，则XM、φM趋于0，则卸荷板最优位置在h1=0.58H 处；若地基变差，地基锚固侧向支撑能力趋弱，则XM、φM趋于增大，卸荷板最优位置应逐渐由h1=0.58H 处向下移动趋向桩基顶部。综上分析，卸荷板式桩板墙最优位置应在h1=0.58-1.0H，地基锚固条件好取小值，地基锚固条件差取大值。

3.2 卸荷板板长的确定

板长确定主要考虑两方面因素，首先是卸荷板应有一定的作用效应，否则无法体现其优势，建议卸荷板形成的抗倾弯矩达到桩顶弯矩20%；其次是卸荷板不宜过长，如果卸荷板长度超过破裂角或者卸荷板土压力过大使得板下形成类似固定支座后，板长继续增加将无任何意义[3]。

4 实际工程有限元数值模型分析

某边坡采用桩板墙结构进行支挡，桩基受荷段长度H=15m，桩基锚固段长度L=10m，桩间距5m，截面1.5m×2.5m，桩板墙墙后填料容重γ=21kN/m3，地面无超载，填料内摩擦角度30°，主动土压力系数Ka=0.33，主动土压力Ea=780kN/m，地基横向比例系数m=39MN/m4。不同高度设置卸荷板时，取卸荷板宽度为3m，桩顶位移变化结果如图2 所示。

图2 卸荷板不同位置时桩顶位移图

从以上分析结果可以看出，满足桩顶位移最小的位置与分析一致，卸荷板式桩板墙最优位置应在h1=0.58-1.0H。实际设计时将卸荷板设置于桩顶位置，板宽3.0m，板厚0.5m，为保证卸荷板刚度，设置卸荷板拉杆。经计算桩身最大弯矩2000kN/m，如图3 所示，不设卸荷板板时，最大桩身弯矩2630kN/m，弯矩值增大约32%，如图4 所示。

5 卸荷板桩板墙的适用性

图3 设卸荷板桩身弯矩图

图4 不设卸荷板桩身弯矩图

路基边坡工程对于路基的稳定性至关重要，桩板墙是保证路基稳定的一种可靠的支挡结构形式。当桩板墙较高而地质条件较差时，可采用卸荷板式桩板墙或锚索桩板墙[4]。锚索桩板墙施工技术相对复杂、施工质量可靠性低、锚索耐久性低；卸荷式桩板墙具有施工简便、可靠性高、耐久性好等优点，因而可在边坡工程中推广使用。

6 结束语

卸荷板式桩板墙可以减少桩身最大弯矩，实现桩板墙的受力优化，减小桩顶位移；在边坡工程中，若锚杆无锚固条件，不能设置锚索抗滑桩时，可采用卸荷板式桩板墙进行支挡；卸荷板在其板平面内具有较大的平面刚度，对于协调桩之间整体受力也可其到有利作用。因此卸荷板式桩板墙是一项较为经济、优化的支挡结构，可在边坡工程中推广应用。