一种新型双排桩挡土墙

赵鹏 吴岗

【摘    要】：针对传统双排桩挡土墙顶部连梁不能满足道路横向较大高差需求的问题，以实际工程为例，设计了一种用于河岸护坡的新型双排桩挡土墙，将悬臂式挡墙和双排桩挡墙结合，能够满足墙顶高差变化的需求；通过线弹性基床系数法（m法）和有限元法的对比，验证了m法对该挡土墙有效性。

【关键词】：双排桩；挡土墙；m法；道路；边坡支护

【中图分类号】：TU476.4【文献标志码】：C【文章编号】：1008-3197（2023）02-27-03

【DOI编码】：10.3969/j.issn.1008-3197.2023.02.006

A Double-Row Pile Retaining Wall

ZHAO Peng1， WU Gang2

（1. Central & Southern China Municipal Engineering Design and Research Institute Co.Ltd.， Xi′an 71000，China；

2. Shenzhen Municipal Design & Research Institute Co. Ltd.， Shenzhen 518000，China）

【Abstract】：In view of the problem that the top coupling beam of traditional double-row pile retaining wall can not meet the demand of large horizontal height difference of road， based on actual projrct， the paper designes a new type of double-row pile retaining wall for river bank slope protection. This type of retaining wall combines the cantilever retaining wall with the double-row pile retaining wall， which can realize the demand of the change of the top height difference. The effectiveness of M method for this type of retaining wall are tested by comparing M method and finite element method.

【Key words】：double row pile; retaining wall; M method; slope support

双排桩挡土墙是边坡支护常见的挡墙形式，通过顶部连系梁形成门式结构，大大提高了挡土结构的刚度[1]。传统双排桩挡土墙顶部连梁与双桩刚接形成门形结构，顶部连梁齐平，无法满足道路横向较大高差的需求，本文借鉴现有双排桩挡土墙形式[2]，提出一种新型的双排桩挡土墙，将悬臂式挡墙和双排桩挡墙结合，不但满足道路横向较大高差的需求，同时仍具有传统的双排桩挡土墙刚度大、挖方工程量小、施工方便的优点。

1 工程与地质概况

某新建道路工程西侧局部约100 m紧临现状河道，设计路面高于现状地面，填方高度约0～3 m。设计道路边线位于河岸坡脚外，侵占部分河道，因此需要建造擋土结构，挡土高度约7.0～7.5 m。

场地属渭河南岸二级阶地及沙河高漫滩。土层自上而下分别为杂填土、含砂粉质黏土、砾砂、粉质黏土、卵石、砂质泥岩。见表1。

勘察期间，场地稳定水位在河床底部以下4.5 m处，地下水主要受大气降水及地表渗水补给，以径流及蒸发形式排泄。

2 支护方案

本工程挡土结构较高，单排桩刚度小，经试算墙顶位移容易超限，提出一种新形式的双排桩挡土墙。双排钻孔灌注桩桩径均为 800 mm、排距3.2 m、纵向间距 2 m，前排桩地下部分及后排桩为灌注桩，前排桩地上部分为尺寸480 mm×800 mm 矩形截面柱，外挂200 mm 厚挡土板。双排桩顶部为悬臂式矮挡墙，对双排桩起连结作用，通过h1的变化，满足人行道和道路高差不一致的需求。见图1。

施工顺序：前排桩施工→矩形柱和挡土板施工→墙后填土至挡土板顶→后排桩施工→顶部矮挡土墙施工→墙后填土、道路人行道面层施工。

3 有效性验证

3.1 线弹性基床系数法计算分析

桩板式挡土墙主要以桩顶水平位移为控制对象，传统双排桩挡土墙采用规范[3]推荐的线弹性基床系数法“m法”计算，即假设桩侧土为Winkler离散线性弹簧，任意深度处桩侧土反力与该点的水平位移成正比，比值为弹簧刚度系数k，不考虑桩土之间的黏着力和摩阻力，k值与弹簧距地面深度成正比，比例系数为m。m值仅与土的性质有关，一般按JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》表5.7.5取值，结合本工程地勘报告，各土层m值见表2。

取挡墙典型断面，利用理正平面钢桁架模块，建立计算模型，分为两个工况。

工况一为前排桩及桩后填土完成，地面施工活载取10 kPa；工况二为挡墙完成，使用阶段，地面运行活载取30 kPa。见图２。

弹簧刚度的取值

k=m·z （1）

kc=Es/（Ey-d） （2）

式中：k为外侧土弹簧刚度，kN/m3；kc为桩间土弹簧刚度，kN/m3；z为墙底至弹簧的距离，m；Es为计算深度处土的压缩模量，MPa；Ey为前后排桩中心距，m；d为桩的直径，m。

本挡墙按一级基坑排桩支护结构水平位移允许值控制，为0.003h（h为桩长）[3]。m法计算结果表明，工况一桩顶水平位移为14 mm，工况二墙顶水平位移为16 mm，两种工况顶部水平均满足规范要求。

3.2 有限元法分析

有限元分析采用数学近似的方法对真实物理系统进行模拟，利用简单又相互作用的元素就可以用有限数量的未知量去逼近无限未知量的真实系统。该方法能够比较有效地模拟双排桩支护结构与土体之间的相互作用，能够计算出相关单元的内力及位移，模拟效果最接近实际。

利用有限元分析软件Midas/GTS，建立二维平面应变计算模型。土体采用摩尔-库伦弹塑性本构模型[4]；挡墙采用梁单元模拟；材料选择线弹性模型，参照GB 50010—2010（2015年版）《混凝土结构设计规范》取值：弹性模量3 000 MPa，重度25 kN/m3，泊松比0.2。

距离开挖深度2～3倍距离以外的地方，基坑开挖引起的土体变形可忽略不计[5]；因此有限元模型宽度取至挡墙两侧各约2倍坑深处，深度取至砂质泥岩表面以下1 m处，模型两侧边界设置水平约束，底部边界设置竖向约束。挡土墙结构按照实际建模，各节点刚接，桩土接触面节点耦合。

地面荷载取值与m法模型一致，工况一取10 kPa均布荷载，工况二取30 kPa均布荷载。Midas/GTS中，施工过程的模拟通过对提前定义的网格组的“激活”与“钝化”功能来实现，具体步骤如下：

1）激活各土层、自重、底部约束和两侧约束，勾选位移清零，模拟边坡经过多年固结沉降后达到稳定状态，排除初始应力对后面工况计算结果的影响。

2）钝化坡顶标高以上各土层，激活前排桩、墙后填土和施工地面荷载，模拟工况一。

3）钝化施工地面荷载，激活后排桩、顶部矮挡墙、矮挡墙墙背填土和运行地面活载，模拟工况二。

有限元法计算结果表明，工况一桩顶水平位移为13.4 mm，工况二墙顶水平位移为22.3 mm，两种工况顶部水平位移均满足规范要求。

m法和有限元法计算结果对比，工况一桩顶位移接近，工况二墙顶位移前者仅后者的72%。m法模型桩间土弹簧刚度与结构本身形成整体，大大提高了结构的刚度，因此计算桩顶位移偏小，建议对m法计算结果进行适当放大。

4 结论和建议

1）提出一种适用于河岸护坡的双排桩挡土墙，该型挡墙不仅能避免大开大挖，保护现状岸坡施工方便，还能节省造价，同时满足人行道和道路高差不一致的需求。

2）通过线弹性基床系数法和有限元法的比较分析，验证了线弹性基床系数法对桩板式挡墙的有效性。

3）应当注意的是，m法虽然是目前规范推荐的相对成熟的计算方法，但是仍然存在一定局限性。比如，参数m的取值对计算结果影响较大，m值的确定依赖经验，无法通过试验确定，雙排桩前后排桩各自分担的土压力比例目前尚无定论，假定桩间土为线弹性弹簧的方法与实际不符，m法应用于双排桩的计算需要对顶部位移进行放大修正，对于重要的挡土墙建议进行有限元分析。

参考文献：

[1]张清晨.双排桩挡土墙结构受力分析[J].低温建筑技术，2017，39（11）：132-135.

[2]谢先坤，刘海青，赵楠.一种与基坑围护相结合的双排桩基挡土墙[P].上海： CN203947492U，2014-11-19.

[3]JGJ 120—2012，建筑基坑支护技术规程[S].

[4]龚晓南.高等土力学[M].杭州：浙江大学出版社，1996.

[5]熊智彪.建筑基坑支护[M].2版.北京：中国建筑工业出版社，2013.