截面形状对桩板墙支护体系受力与变形的影响分析

王洪英

(广东省冶金建筑设计研究院有限公司, 广东 广州 510080)

桩板墙是一种由抗滑桩和挡土板组成的轻型支护结构，其结构安全性高、耐久性好、占地面积少，被广泛应用于铁路、公路和市政工程的边坡防护。目前，对矩形桩板墙的研究应用已较成熟，如张钦鹏等通过室内模型试验，研究了不同工况下桩板墙的受力状态、位移大小及土体压力变化；黄治云等通过大型现场试验与室内模型试验，对影响桩板墙土拱效应的因素进行对比分析，揭示了被动状态下桩板墙侧背土压力的传递规律；王广军通过现场试验及数值模拟，得到了滑坡体的最大位移与桩间距的非线性变化关系。但在实际工程中，矩形桩板墙的桩孔施工只能以人工挖孔为主，施工周期长，施工环境差，存在很大安全隐患。而圆形桩可使用大型机械进行钻孔施工，能很好地规避矩形桩板墙的施工缺陷。因此，采用圆形抗滑桩代替矩形抗滑桩应用于桩板墙结构中，是一个较新的结构优化思路。该文以广州市石化北路扩建工程中路基防护桩板墙为例，基于m法对比分析路堑边坡防护工程中圆形、矩形桩板墙的桩身位移和内力变化规律，分析桩板墙体系中用圆形抗滑桩代替矩形抗滑桩的可行性。

1 桩板墙受力与变形计算理论

按《建筑边坡工程技术规范》对桩板墙的桩身内力进行计算。临空段或边坡滑动面以上部分桩身内力和位移根据岩土侧压力或滑坡推力计算，桩身弯矩My和剪力Qy计算公式分别为：

My=EaZx

(1)

Qy=Ea

(2)

式中：Ea为土压力合力；Zx为合力作用点至锚固点的距离。

桩身位移xy计算公式为：

(3)

式中：x0为锚固点位移；φ0为锚固点转角；H1为开挖深度；T1为桩顶土压力；T2为锚固点土压力；E为钢筋砼的弹性模量；I为桩截面惯性矩。

滑动面以下或嵌入段的桩身内力采用地基反力系数法计算，根据岩土条件可选择K法或m法，这里采用m法。桩的挠曲方程为：

(4)

式中：P为作用在桩上的水平反力。

根据Winker弹性地基假定和桩顶初始边界条件，得到一组幂级数表达式：

(5)

式中：A1、…、A4，B1、…、B4，C1、…、C4，D1、…、D4为无量纲系数，可查表取值；α为桩的变形系数；M0为锚固点弯矩。

2 圆形、矩形桩板墙对比分析

2.1 工程概况

表1 岩土层分布及材料参数

地下水主要为第四系地层中的孔隙水及饱和砂层中的地下水，略具承压性，补给来源为大气降水及地表水。

该工程部分支护范围离房屋较近，由于房屋基础形式不清楚，支挡方案不宜采用锚杆形式，加上后期场地可能有其他规划，支挡形式尽量不超出红线。根据以上考虑，路基支挡采用桩板墙形式，桩基为悬臂结构(见图1)。

图1 桩板墙支护结构示意图(单位：m)

2.2 分析方案

根据路基防护高度，将桩板墙结构中的抗滑桩设计为桩长25.3 m、直径1.6 m的钻孔灌注桩，桩间距为2.0 m，挡板为现浇砼板，厚0.25 m。为便于对比分析，根据等截面法将圆形桩基换算成截面为1.3 m×1.6 m的矩形桩基，其他参数不变(见表2)。

表2 桩板墙参数

该工程路堑防护开挖总深度为8.3m，为保证施工安全，进行分层开挖，第1、2、3层开挖深度分别为2.5、5.5、8.3 m。

2.3 桩身内力与位移对比分析

2.3.1 桩身受力分析

不同开挖深度下桩身剪力和弯矩变化分别见图2、图3。

由图2可知：2种抗滑桩的桩身剪力变化趋势一致，剪力零点基本相同。在相同开挖深度下，矩形抗滑桩所受最大剪力大于圆形抗滑桩所受最大剪力，两者差值幅度随开挖深度增大逐渐减小，第1层为36.0%，第2层为7.8%，第3层为4.4%。

图2 不同开挖深度下桩身剪力

由图3可知：2种抗滑桩桩身弯矩均为正弯矩，沿深度向下呈先增大后减小的趋势，桩身最大弯矩位置基本相同。在不同开挖深度下，矩形桩的最大弯矩均大于圆形桩的最大弯距，两者差值幅度随开挖深度增加逐渐减小，第1层为33.4%，第2层为16.6%，第3层为9.9%。

图3 不同开挖深度下桩身弯矩

2.3.2 桩身变形分析

不同开挖深度下圆形桩、矩形桩的桩顶水平位移见表3。

表3 桩顶水平位移

由表3可知：在开挖深度很小(2.5 m)时，圆形抗滑桩桩顶水平位移小于矩形抗滑桩桩顶水平位移。但随着开挖深度的增加，圆形抗滑桩桩顶水平位移增幅(1 517.9%，327.1%)大于矩形抗滑桩桩顶水平位移增幅(1 241.9%，314.3%)，圆形抗滑桩桩顶水平位移逐渐大于矩形抗滑桩桩顶水平位移，最大差值为3.6 mm(12.9%)。圆形抗滑桩与矩形抗滑桩的防护效果相差不大，均具有良好的防护性能。

3 影响因素分析

3.1 桩径d的影响

考虑桩长L为25.3 m，桩径d为1.6 m，桩间距a为2 m的实际工况，分别取桩径为1.4、1.5、1.6、1.7和1.8 m进行计算。不同桩径下圆形桩桩身内力和位移见图4～6。

由图4可知：桩径增大时，桩顶水平位移逐渐减小，桩底水平位移基本保持不变。桩径为1.4～1.8m时，桩径每增大0.1 m，桩顶水平位移减少11.5 %～15.5%。桩径越大，桩身弯曲变形越小。

图4 不同桩径下圆形桩桩身水平位移

由图5、图6 可知：不同桩径下桩身剪力和弯矩分布趋势基本一致。随着桩径的增加，桩身内力有所增大，但增加幅度很小。桩径为1.4～1.8 m时，桩径每增加0.1 m，桩身最大剪力增大1.0%～2.0%，最大弯矩增大3.0%～5.0%。

图5 不同桩径下圆形桩桩身剪力

图6 不同桩径下圆形桩桩身弯矩

3.2 桩间距a的影响

假定桩长L为25.3 m，桩径d为1.6 m，其他参数保持不变，分别取桩间距a为1.8、2.0、2.2、2.4、2.6 m进行计算。不同桩间距下圆形桩桩身内力和位移见图7～9。

由图7可知：随着桩间距的增大，桩顶水平位移增大，桩底水平位移基本不变。

图7 不同桩间距下圆形桩桩身水平位移

由图8、图9可知：桩间距为1.8～2.6 m时，桩间距对桩身剪力和弯矩的影响很小，桩间距增大，桩身剪力和弯矩整体分布趋势几乎保持不变。

图8 不同桩间距下圆形桩桩身剪力

图9 不同桩间距下圆形桩桩身弯矩

4 结论

(1) 圆形抗滑桩的桩身位移和桩身受力变化趋势与矩形抗滑桩一致；但随着开挖深度的增加，圆形桩板墙的桩顶水平位移比矩形桩板墙大。

(2) 在一定开挖深度范围内，2种桩板墙的支护效果基本相同，均具有良好的支护性能，用圆形抗滑桩代替矩形抗滑桩可行，施工效率更高。

(3) 桩径、桩间距均会对圆形抗滑桩桩身位移和内力产生影响，其中桩径的影响比桩间距大。