关于轻型支挡结构设计要点和应用的探讨

摘要：轻型支挡结构近年来在工程上得到了广泛地推广和应用，得益于它具有结构轻盈、占地少、耐沉降、造价低、工期短等优点，本文从轻型支挡结构的类型、设计要点、工程应用等几个方面进行了分析和探讨，认为在相应的工程条件下，轻型支挡结构是一种能很好地解决工程痛点的最佳方案，应大力推广和应用。

关键词：微型桩、加筋土、泡沫轻质土、锚杆（索）

支档结构是一种能有效抵抗自出岩土体和人工填筑体产生有害变长和破坏的受力结构，在各类工程建设中应用极广[1]。

近年来，基于更经济，更安全，更环保的设计原则，对各支挡结构优化设计，使得轻型支挡结构走上舞台，为工程设计发挥了重要作用。

一、轻型支挡结构的类型

轻型支挡结构主要是相较于传统的重力式挡墙、抗滑桩等工程而言的，

具有具有结构轻盈、圬工量少、占地少、耐沉降、造价低的特点。

目前主要应用的轻型支挡结构工程主要有轻型微型桩挡墙、轻型锚杆（锚索）挡墙、加筋土挡土墙、泡沫轻质土路基或锚杆式泡沫轻质土路基等形式。

1、轻型微型桩挡墙

该体系主要利用微型桩提供地基承载力、结构抗滑、抗倾覆和抗剪的安全度，挡墙主要起到对微型桩排的连接作用，故挡墙可以设置较小的截面，从而大大减小传统挡墙施做时的地基开挖规模和较大的截面积。

必要时可结合在挡墙胸坡上设置锚索形成轻型锚索式微型桩挡墙，从而起到更大的抗力。从选用材料和结构布置来看，微型桩挡墙结构的抗力可以替换相当一部抗滑

桩工程，从而大幅优化工程施做难度和降低工程造价。

2、轻型锚杆（锚索）挡墙

在公路开挖或填筑加宽路基段，可有效利用锚杆和锚索提供锚固力，利用轻型挡墙提供锚固反力或路基加宽所需要的宽度，从而有效减小路堑边坡的开挖或路堤填筑与支挡工程规模。该类工程措施可直立设置，特别适合于高山峡谷区路基的加宽应用。

3、加筋土挡土墙

加筋土挡墙是一种适用于填方路堤的轻型支挡结构，占地较少、外形美观、施工简便、造价低廉，在我国交通、市政等部门的填方工程中应用广泛，取得了良好的工程效果。加筋土挡土墙主要由面墙、拉筋、填料三部分构成。其主要利用填料与拉筋之间的摩擦力平衡面板所受到的土压力（即加筋墙内部稳定性），

并利用这一复合结构体抵抗拉筋后部填料所产生的土压力（即加筋墙外部稳定性）。加筋墙主要应用于填方路段，且多为路肩式。但在浸水地段，以及不良地质体段不宜采用加筋墙工程。加筋墙主要分面板竖向布置和以一定坡度的斜向布置两种形式。对于竖向布置，过于主要应用墙高一般不超过10m的地段，且考虑到工程特性，在地震烈度Ⅷ度及其Ⅷ度以上地段；对于以一定坡度的斜向布置的加筋墙，可依据工程需合理设置墙高与墙身坡度，且可多级设置，故近年来该类加筋墙的高度不断在工程实践中刷新。如攀枝花机场的加筋墙以1:0.5坡率设置，在预留8m宽平台的基础上，加筋墙的高度达到了50m。

4、泡沫轻质土

泡沫轻质土具有良好的自稳性，加之其重量轻、耐久性好、抗冻能力强，可广泛应用于斜坡段路基加宽，软基处治。如果能与锚杆结合，可进一步应用陡倾坡体段和水库段与江河段的路基加宽。由于泡沫轻质土施工快捷简便，路基加宽时封道时间较短和占道施做空间要求低，加之工程造价较混凝土具有明显的优势，笔者多次将其应用高寒、高海拔和高山峡谷区的路基建设与加宽，取得了良好的工程效果。因此，泡沫轻质土及其与锚杆等组合的工艺，在高山峡谷区路基修建具有良好的应用前景。

二、轻型支挡结构的设计要点

轻型支挡结构具有结构轻盈、、圬工量少、占地少、耐沉降、造价低的特点，目前应用相当广泛，要保证结构的安全性，因此在设计阶段需把握各自的设计要点。支挡结构设计理念主要包括逻，辑理念和科学发展理念两类。逻辑辑理念和科学发展理念两类。逻辑技术流程，即以自然地理、工程地质、工程力学等学科的基本原理、基本概念为基础和出发点[2]，并始终贯穿于设计的全过程，依据标准、规范[3]、指南等法规文件，参准、规范间、指南等法规文件，参终贯穿于设计的全过程，依据标准、规范间、指南等法规文件，参考国内外相关设计研究成果和经验进行设计。

1、轻型微型桩挡墙设计要点

轻型微型桩挡墙主要由两部分组成，即微型桩和轻型挡墙。常规的重力式挡墙、悬臂或扶臂式挡墙在工程应用中，由于需要采用较大规模的基底开挖或墙身工程施作，常常不利于地质灾害体的稳定，甚至在开挖过程中由于施工扰动而造成病害规模扩大。其次，在某地层承载力较低或场地狭窄地段，常常限制了常规挡墙的应用。

将微型桩与砼圬工相结合，利用微型桩形成的桩基承载力用以提供挡墙所需的基底强度，利用微型桩的结构抗剪力提供挡墙结构的抗剪和抗滑性能要求，利用微型桩的结构抗弯性能提供挡墙的抗倾覆要求。这种组合式的结构，由于微型桩的作用，可大大减小挡墙地基开挖要求，大大减小挡墙的截面圬工规模。微型桩与挡墙组合形成的轻型支挡结构，大大减小了工程规模、施工速度快，特别适用于坡体富水、场地狭窄、工程干扰要求严格，以及工程抢险等项目。

1）、抗滑方面

微型桩群利用稳定地层提供的锚固力和微型桩身的结构抗剪力，对整个坡体的下滑力或土压力进行平衡，即起到抗滑作用。因此，可以依据坡体所要平衡的力合理设置微型桩的前后排数和纵横向间距，以及微型桩的规格。作为微型桩挡墙上部的圬工挡墙，由于微型桩对整个受力体系起到良好的抗滑、抗剪和抗倾覆作用，因此，挡墙规模相对较小，这与传统的重力式挡墙有着本质区别。即挡墙只要能对微型桩起到包裹、防腐与传递力的作用即可。也就是说，轻型挡墙在整个轻型微型桩挡墙受力体系中处于从属地位。

2）、抗倾覆方面

多排桩形成的受力体系中，利用中性轴后部微型桩提供的桩体抗拔力和中性轴前部的微型桩提供的抗压力，共同平衡挡墙结构所受到的倾覆力。因此，为提高了微型桩挡墙的抗倾覆能力，一般需尽量加大前后桩体的间距，从而获得更大的抗倾覆弯矩。当然，微型桩的抗拔力和承载能力也是关键参数之一。

3）、结构抗剪方面

利用伸入挡墙身一定长度的微型桩结构自身的抗剪力，平衡挡墙结构受到的剪应力，其中挡墙圬工的抗剪处于从属地位。因此，可以利用结构抗剪需要合理设置微型桩规格与布置形式。

4）、体系承载力提供方面

由微型桩组成的桩基础，可以有效的对上部轻型挡墙起到良好的支撑作用。因此，可以结合地质条件、挡墙重量等方面合理设置微型桩排规格。

5）、微型桩选材方面

轻型微型桩挡墙的微型桩可采用钢筋笼、工字钢，钢管等多种材料制作。但最为常用的是使用方面的钢管制作。需要注意的是除非采用二次高压注浆，否则钢管结构上严禁进行打孔的。这是因为微型桩钢管一般孔径较大，需设置注浆PVC管或小直径注浆钢管进行注浆，故不需要采用微型桩钢管结构注浆，因此不需要打孔。在钢管上打孔不但施工费时费力，而且也损坏了钢管结构。此外，为防止钢管下孔紧贴孔底而造成注浆困难，故需在管底焊接长约10cm的托架，确保钢管内外注浆时的压力注浆。钢筋笼、钢管制作微型桩时钢筋接长应尽量采用套筒连接，当然，钢管连接也可采用套入大一号的钢管焊接连接，但应尽量避免采用对口焊接。对于型钢连接可采用搭接焊实现。

综上所述，轻型微型桩挡墙或锚索式微型桩挡墙，由于施工速度快，地形地貌适应能力强，支挡力度大，工程经济性好，故逐渐成为我国支挡工程结构中的一种新成员，必将在工程建设中发挥更大的作用。

2、轻型锚杆（锚索）挡墙设计要点

锚杆、锚索挡墙作为轻型支挡结构，由钢筋砼面墙和锚杆、锚索共同组成。其中钢筋砼面墙依据结构形式的不同可分为钢筋砼面板式和肋板式两大类，面墙可以是倾斜的，也可以是直立的。其中肋板式挡墙可应用路堑挖方边坡和填方路堤边坡，面板式挡墙主要应用于挖方路堑边坡。锚杆、锚索挡墙的受力模式为依据锚杆、锚索的提供的稳定锚固力和面墙提供的反力，共同维持边坡的稳定。也就说，锚杆、锚索的锚固段应进入稳定地层，即为了安全期间，不建议锚固段置于填方体中，确实需要置于填方体的，应有严格的锚固工程施作与注浆工艺作为设置依据。

1）、锚杆、锚索挡墙的构造

①面墙构造：面墙的肋柱和面板构造，主要依据锚杆、锚索所要提供的平衡坡体土压力或下滑力的锚固力，以及坡面的地基承载力共同确定，若为预制拼装式面墙，则应考虑到现场吊装设备的起吊能力和运输过程中的起吊因素。且依据规范的结构设计要求，肋柱和面板的厚度不应小于30cm。锚杆、锚索的间距多采用2~3m，每个肋柱或单位宽度上面板上可根据锚固力需要设置多孔锚杆或锚索，期间应尽量确保在锚固工程的作用下，肋柱或单位宽度面板中的正负弯矩基本相当。肋柱式面墙中挂板可采用钢筋砼矩形板、槽形板等多种形式，与肋柱搭接长度不能小于10cm，且厚度不宜小于20cm。

②锚杆、锚索构造：锚杆、锚索多采用潜孔钻机成孔，其中锚杆孔径多采用90~110mm，锚索孔径多采用130~150mm。为方便注浆和提高注浆压力，锚杆、锚索一般倾斜设置，角度多为20~30°。锚杆、锚索规格依据锚固力需求确定，且一般情况下，不建议采用小直径钢筋或钢筋束制作锚杆，而宜采用单根Φ32钢筋制作。有效提高筋体的抗拔或抗剪能力和方便现场锚杆下孔。在地层较为松散、煤系或为高液限等不利地层时，有时也可采用钢锚管代替钢筋制作。注浆材料应采用标号M30以上的水泥净浆或水泥砂浆，待其强度达到70%以上时方可安装肋柱或挂板。锚杆与面墙之间可采用螺栓+垫板连接，或采用钢筋弯折搭接于面墙主筋的形式连接。

2）、锚杆、锚索挡墙设计

①墙背作用力：墙背作用力主要包括土压力和下滑力两部分，并取两者之间的最大值为控制性设计。墙背土压力为主动土压力，多级挡墙的墙背土压力采用延长墙背法计算。下滑力依据后部坡体的性质针对性计算，在此不再详细说明。
需要说明的是，锚杆、锚索应确保多级边坡的整体与局部均能满足相关稳定性需求。

②面墙结构内力：每根肋柱承受的反力为相邻肋柱之间的土压力或下滑力，面板的承受的反力为相邻锚杆、锚索的之间土压力或下滑力。其内力计算时应结合坡面岩土体的性质采用弹性地基梁模型进行计算，当然，有时也可粗略的采用连续梁或简支梁模型进行计算。

③地基承载力：面墙底部的地基承载力主要承受面墙的重力、锚杆、锚索的竖向分力。但一般情况下，由于锚杆、锚索的锚固力作用，面墙对地基的承载力要求很低，往往可以忽略其影响。因此，工程设置时往往除排水和结构设计要求，或地基为软弱地层等需适当处置基底外，不另行要求设置面墙基础。当然，面墙基底应确保是稳定的，应有必要的襟边设置。

④锚杆、锚索的锚固力：锚固力依据相关锚杆、锚索的设计进行，属于非常成熟的工艺，在此只强调几个关键点。1）锚杆和锚索的锚固段，宜从破裂面或滑面以下2m起算，且锚固段长度不宜大于10m。2）锚索的自由段不宜小于5m，方便施加预应力，且间距不宜小于2m，防止群锚效应的产生。3）锚杆、锚索严格采用孔底返浆式注浆，即注浆PVC管应绑定于筋体之上而共同置于孔中，在注浆过程中严禁上拔注浆管，注浆结束后PVC留于孔中。这是锚杆、锚索确保锚固力的一定关键环节。必要时，应依据拉拔试验确定是否需要采用二次注浆。

3、加筋土挡土墙设计要点

加筋土挡墙是一种适用于填方路堤的轻型支挡结构，占地较少、外形美观、施工简便、造价低廉，在我国交通、市政等部门的填方工程中应用广泛，取得了良好的工程效果。

1）、加筋土挡土墙构造

①面墙构造：加筋墙的面墙主要起防止填土挤出，使面墙、拉筋与填料形成一个整体。在加筋墙采用近垂直的竖向布置时多为刚性面板，面板形状有矩形、十字型、六边形等多种形式。安装时时面板楔口衔接，用钢筋插入面板小孔将整个面板从上至下串联成一个整体。墙面板上设置泄水孔，必要时在墙后设置反滤层。在加筋墙采用一定坡度的斜向布置时多采用柔性面墙，如土工袋、土工格栅反包等多种形式。在袋中装入绿化植物种子，或在坡面上利用反包土工格栅与格室直接进行绿化。

②拉筋构造：拉筋必须具有足够的抗拉强度和良好的柔性与韧性，随着我国

材料工艺的不断成熟，目前应用的拉筋由原来的钢筋、钢条逐渐转为以土工材料为主。如形形色色、不同规格的土工格栅、土工格室给予了加筋墙很大的选择余地。

③填料及基础与帽石：加筋墙填料优先选用级配良好的碎石类、砾石类土填

筑，其次采用砂土、粉土等符合规范的细料土材料，不宜采用粘土、风化严重软质块石等，严禁采用有机土、膨胀土、盐渍土和块石类土等材料。竖向加筋挡墙须设置基础，基础可采用条形槽式，且宜在墙顶设置帽石，并间隔一定距离后须预留伸缩缝。加筋墙采用一定坡度的斜向布置时厚度可对地基进行适当压实后即可填筑，而不需要设置专用基础、帽石或伸缩缝等。

2）、加筋土挡土墙设计

①加筋长度的确定：竖向加筋挡墙：对于墙面板所承受的土压力在面板附近为主动区，远离面板侧为稳定区，两区之间的界面一般按0.3H倍（H为墙高）折线确定。因此，拉筋应用足够的长度位于稳定区，而位于主动区的拉筋为摩擦力无效段。斜向布置加筋挡墙：拉筋一般按圆弧搜索法确定，位于满足规定安全系数之圆弧内的为摩擦力无效段，位于圆弧外的稳定区为有效长度段。拉筋的长度由以下三者综合确定：1）拉筋无效段确定：高度hi≤H/2时，拉筋无效段长0.3H；高度hi＞H/2时，拉筋无效段长0.6（K-hi）。2）拉筋有效段确定：依据相应的计算拉力与填料和拉筋之间的有效摩擦力确定。3）结合要求：墙高大于3m时，拉筋最小长度应大于0.8倍墙高，且不小于5.0m； 墙高小于3m时，拉筋最小长度应不小于4.0m，且采用等长拉筋。 

②墙背作用力：墙背作用力主要包括依据竖向加筋挡墙或斜向加筋墙两种形式分别采用土压力和下滑力计算与校核。对于土压力，一般取静止土压力，而应力图为折线分布。对于下滑力，按一定安全系数下的圆弧搜索法确定。

③加筋墙全墙拉筋抗拔安全系数不小于2.0，全墙按一般重力式挡墙进行稳定性检算。

三、轻型支挡结构——轻型锚杆挡墙在路堑和路堤中的工程应用

1、工程概况

某公路边坡由Q3马兰黄土构成，下部坡度约65度，上部陡坎坡度约78度，坡后25m左右为成片高层居民楼，边坡高约19.2m。正常使用多年后，由于暴雨冲刷等作用，黄土边坡发生坍塌，崩塌，对后部的高层居民楼的安全形成了较大的安全隐患。

2、轻型锚杆挡墙工程措施

1）原设计

采用在坡脚设置间距1.5m，桩长为20m，悬臂长8m，桩径为0.8m的抗滑桩进行支挡，桩顶设置0.9*0.6m连系梁，桩身上设置三排腰梁后布置3孔长17m锚索形成锚索桩进行固脚，其中锚索由4根钢绞线构成，设计拉力140KN/孔。桩后边坡采用1:0.5坡率进行刷坡后，设置长9m的锚杆框架进行加固。

2）工程措施分析

①工程地质方面：坡体主要由Q3马兰黄土构成，自稳性较好，但由于坡体受到暴雨侵蚀而造成坍塌和崩塌。故坡脚采用治理坡体或高边坡稳定性的抗滑桩进行坡体的滑塌与崩塌，工程性价比偏低。

②工程现场方面：边坡前部为公路，如若采用抗滑桩为主的工程进行工程序加固，则由于工程规模较大和施工速度较慢，可能会造成公路的长期保通管制，存在较大的社会成本。

③工程效果方面：拟设置的抗滑桩间距桩径为0.8m，间距为1.5m，不满足桩间距应为3~5桩径的要求。此外，由4根钢绞线构成的锚索设计拉力为140KN/孔，其设置参数偏低的原因可能是考虑到Q3马兰黄土的锚固力偏弱所致，但造成锚索结构安全储备过高，不利于工程的经济性。

④工程经济方面：由4根钢绞线构成的锚索设计拉力为140KN/孔，其设置参数偏低的原因可能是考虑到Q3马兰黄土的锚固力偏弱所致，但造成锚索结构安全储备过高，不利于工程的经济性。

3）优化方案

结合坡体的地质条件、工程条件等因素，对原公路和小区共用边坡采用1:0.3~1:0.5的坡率，并采用厚约20cm的钢筋砼面板进行护坡后，设置长为12m的锚杆形成轻型面板式锚杆挡墙对边坡进行加固。不但有效确保了边坡的整体稳定，也有利于黄土边坡的防冲刷防护，工程施工对坡体的扰动很小，且施工方便快捷，工程造价大为节约万元，工期大为缩短，是一个相对较优的方案。

四、结语

总之，和传统路基支挡结构相比，轻型支挡结构具有施工速度快，地形地貌适应能力强，支挡力度大，工程经济性好等诸多优点，因此在工程建设中占有重要的地位，值得广泛推广和应用，但是，工程无定势，应做到因地制宜，随机应变。 

参考文献

[1] 张小荣.公路支挡结构类型及设计、施工技术要点探讨.

[2] 沈珠江理论土力学[M].北京:中国水利水电出版社,2000.

[3] JTGD30 2004,公路路 基设计规范[SI].