桩承锚定板挡土墙在填方边坡中的应用研究*

刘文祥 吴婷 肖贯中

湖南工学院/土木与建筑工程学院 湖南 衡阳 421002

引言

填方边坡是工程实际中常见的边坡形式，为了提高土地资源利用率，该类边坡优先采用垂直支护形式。传统支护形式主要有重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、桩板墙等，在原场地地质条件差的情况下，传统支护结构面临土体深层滑移稳定性低、地基承载力不足、坡顶变形大等难题。

锚定板挡土墙是一种适用于填方边坡的轻型支护结构，具有结构轻、柔性大、占地少、造价低的优点，主要应用在铁路、港口、公路、坝体边坡中[1-4]，但在建筑边坡中使用较少。本文在传统锚定板挡土墙的基础上，提出一种适用于原始场地地质条件差的桩承锚定板挡土墙，并分析了其计算设计要点，介绍了其在工程中的应用，以期为工程实践提供可能建议。

1 桩承锚定板挡土墙简介

桩承锚定板挡土墙是一种由下部桩和上部锚定板挡土墙组成的新型组合支护结构（见图1），分为桩、托梁、肋柱、锚定板、挡土板5部分。其工作机理是利用锚定板挡土墙保证坡脚以上土体稳定性，利用桩作为上部结构的基础，并保证坡脚以下深层土体的稳定性，利用托梁连接锚定板挡土墙和桩，使之形成整体受力结构。桩承锚定板挡土墙具有其独特优势：

图1 桩承锚定板挡土墙结构及墙后土压力示意图

采用锚定板作为锚拉结构，克服填土中锚杆（索）不宜使用的缺点，增强支护结构的抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性，减小肋柱和桩身弯矩。

锚定板施加预应力后能够有效控制坡顶位移，减小填方边坡变形引起的坡顶道路沉降。

在坡脚土体软弱的情况下，桩既可以解决坡脚土体地基承载力不足的问题，也可以解决土体深层滑移失稳的问题。

2 桩承锚定板挡土墙的设计要点

2.1 锚定板挡土墙后土压力分布

桩承锚定板挡土墙的墙后土压力由填土和坡顶地面活载两部分产生，由于拉杆、挡土板和锚定板的相互作用，其土压力分布较复杂，大量试验表明土压力呈抛物线分布，是库仑土压力的1.2～1.4倍，为简化计算，假定锚定板挡土墙后的土压力，上部0.5H内呈三角形分布，下部0.5H内为矩形分布（如图1所示），且土压力总和等于库仑土压力乘以增大系数。锚定板挡土墙上的土压力计算公式如下：

式中：Ea表示库仑主动土压力（kN）；表示水平土压力（kPa）；为填土自重（kN/m3）；β为土压力增大系数，取1.2～1.4；ka为库仑主动土压力系数；H为锚定板挡墙墙高（m）。

坡顶地面活载对锚定板挡土墙产生的附加土压力，按照《建筑边坡工程技术规范》附录B的方法计算，结果不乘增大系数。

2.2 挡墙设计要点

2.2.1 肋柱设计。上部锚定板挡土墙可简化为平面结构计算。肋柱简化为下端固支、上端悬挑的连续受弯梁，设计荷载取相邻肋柱中心间的土压力。由于填土的不均匀性及土体变形的复杂性，肋柱各支点变形量差别较大，拉杆对肋柱的约束可按弹性支承和刚性支承分别考虑，并按两者计算所得的最不利内力进行肋柱截面设计。

2.2.2 锚定板及拉杆设计。锚定板一般采用方形钢筋混凝土板，尺寸按照拉杆拉力设计值除以锚定板单位面积容许抗拔承载力确定。其容许抗拔承载力受埋深、填土特性、墙面变形等因素影响，力学机理较复杂，我国铁科院、铁三院和铁四院根据试验分别给出了相应的计算方法[5]，公路路基设计手册中采用Meyerhof的理论解[6]，初步设计时，可采用前面四种方法计算的偏安全结果，但锚定板的实际抗拔承载力应通过现场抗拔试验确定。

拉杆应满足强度要求，宜采用延性较好的钢筋或钢绞线制作，并做好防腐处理，采用钢筋拉杆时应考虑2mm的锈蚀安全储备，其长度应超出主动破裂面不小于3.5倍锚定板边长。

2.2.3 桩设计。桩按照基桩模型和排桩模型分别计算，桩顶荷载为上部肋柱传至桩顶的轴力、剪力、弯矩。基桩模型需要满足桩的竖向承载力和水平承载力要求，排桩模型按照弹性支点法设计，需要满足桩身抗弯承载力和抗剪承载力要求。

2.2.4 稳定性设计。桩承锚定板挡土墙的滑移稳定性包含3层次的内容，一是各层锚定板的抗滑移稳定，采用折线滑面法分析；二是上部锚定板挡土墙的结构稳定，可采用西南交通大学提出的整体土墙法分析；三是以桩端支点为轴心的土体深层滑移稳定，按照圆弧滑动条分法计算。在滑移稳定满足的前提下，结构抗倾覆稳定一般能够满足要求，可不进行验算。

3 桩承锚定板挡土墙设计案例

某新建住宅小区，原始地面标高69m，场地内采用黏性土回填至设计标高75m，坡脚为已建小区道路，坡顶为新建小区内部5m宽道路，道路边线距坡顶边线2m。坡顶以下地质情况为：素填土，厚6m，γ1=18kN/m3，c1=0kPa，Φ1=30°；杂填土，厚2.4m，γ2=18kN/m3，c2=10.5kPa，Φ2=11°；粉质黏土，厚3.0m，γ3=19kN/m3，c3=17kPa，Φ3=20.9°；强风化泥质粉砂岩，厚15m，γ4=22kN/m3，c4=30kPa，Φ4=28°。边坡设计采用桩承锚定板挡土墙垂直支护，一柱一桩，桩径D=900mm，间距2m，桩长6m，以强风化泥质粉砂岩为持力层，托梁1000mm×600mm，肋柱350mm×500mm，肋柱上设置3排锚定板，竖向间距1.5m，锚定板初定1m×1m×0.2m，混凝土采用C30，钢筋选用HRB400（钢筋符号用C表示）。

土体和墙背摩擦角取15°，破裂角取56.8°，以2m为计算单元，土压力合力Ea=253.6kN。道路活荷载标准值取15kN/m2，附加土压力qe=9.0kN/m，分布于墙顶以下3.5m至6m。

锚定板拉杆长度，第一层取8m，第二层取6.5m，第三层取5m，拉杆初选4Φs15.2钢绞线。

肋柱简化为下端固定的连续梁，其拉杆支座分两种工况：工况1，按固定铰支座考虑；工况2，按弹性铰支座考虑。根据结构力学方法计算得到两种工况的肋柱内力，如图2、图3所示，工况1肋柱上弯矩和剪力极值相对较均匀，工况2由于拉杆支座柔度大，对肋柱的约束弱，导致肋柱上弯矩、剪力分布类似悬臂梁。工况2相比工况1，肋柱截面的最大内力设计值要大得多。

图2 工况1肋柱内力计算结果

图3 工况2肋柱内力计算结果

肋柱按对称配筋考虑，取最不利内力并考虑1.35的荷载分项系数，弯矩设计值398kN·m、剪力设计值247.5kN，正截面配筋6C25，斜截面配筋4C8@200。

桩分别按基桩和排桩考虑，并将肋柱底部内力施加在桩顶上，桩身最不利弯矩设计值858kN·m、剪力设计值337kN，纵筋配置22C20，螺旋箍筋选用C10@100/200，桩顶以下5倍桩径范围内加密。

挡土板按多跨连续板计算，板厚取200mm，弯矩设计值为17.7kN·m，剪力设计值为50.9kN，双层双向配筋，水平方向：C10@180，竖直方向：C10@200。

托梁上部承受挡土板及肋柱自重标准值53kN/m，侧面承受土压力标准值49.7kN/m，简化为受桩支承的连续梁，经计算按构造配筋，正截面四侧配筋4C20，箍筋配置双向4C10@200。

锚定板容许抗拔承载力安全系数取2.0，按前述四种方法计算，由表1结果可看出，铁三院方法和公路路基手册推荐方法结果较接近，铁科院方法和铁四院方法结果较接近，但对于第一层浅埋锚定板，四种方法计算结果的相对差值较大。按表中计算结果的最小值进行校核，第2、3层锚定板可以满足要求，第1层锚定板尺寸应适当增大，改用1.3m×1.3m×0.2m。

表1 不同方法分析的锚定板容许承载力（kN）

锚定板按中心支承的受弯构件计算，板面设计荷载为149.2kPa，设计弯矩为18.65kN·m，配筋采用双层双向C12@150。

锚定板滑移稳定性计算时，上部活载近似按满布考虑，等代土层厚度取0.83m，1到3层滑移安全系数分别为3.8、3.4、1.85，整体滑移安全系数为2.2，均大于1.8，满足要求。

锚定板拉杆最大拉力为110.5kN，设计值取149.2kN，考虑防锈储备1索锚索，按3φs15.2校核强度，拉杆抗拉安全系数最小为3.45，满足强度要求。

4 结束语

本文研究了一种适用于软弱地质条件下填方边坡支护的桩承锚定板挡土结构。肋柱设计时，应优先按照弹性支承考虑，内力计算更加偏于安全；施工时可以对拉杆施加预应力，并对锚定板前土体进行预压，增加支座刚度，从施工措施上降低肋柱截面弯矩；锚定板浅埋时，采用不同方法计算所得的容许抗拔承载力结果相差较大，实际承载力应按现场荷载试验确定。