樁基托梁擋土墻在沿河道路中的應用及優化設計探討

張朝明

(湖南省湘西公路橋梁建設有限公司，湖南吉首 416000)

1 工程概況

湖南省湘西自治州某公路項目位于湖南省湘西自治州境內，擬按雙向六車道城市主干道標準建設，全長約6 km。

所建項目依山傍水，現狀道路走廊寬約12 m，線路走廊帶左側為低山山前斜坡，右側為沅水河，河流流向由南向北，山前斜坡大部分為第四系殘坡積物覆蓋。左側山體地形標高一般為140～200 m，右側河床標高約90 m。

為減少道路占用河道，道路臨河側采用路肩擋土墻結構。其中k6+800～k7+840段沿河側路基標高平均為117.9 m，擋墻下地面標高(原道路下邊坡)一般標高109.1 m，河床基巖(中風化粉砂巖)頂標高平均99 m，擋墻初擬墻高10 m。

經參建各方多次研究，擋墻形式選用施工便捷、質量穩定、開挖影響小的仰斜式擋土墻形式。設計按《國家建筑標準設計圖集04J 008“擋土墻”》選定其擋墻尺寸，墻后填土內摩擦角φ取30°，基底摩擦系數μ取0.3。設計中針對該段擋土墻地質條件、地形條件等對擋墻基礎進行了優化設計。見圖1。

2 場地巖土工程地質條件

擬建公路沿線出露的地層主要有下古生界寒武系下統、上古生界二疊系下統及中生界白堊系下統和第四系殘坡積層與人工填土。一般路段由上至下為:填筑土、粉土(細砂)、全風化粉砂巖、強風化粉砂巖、中風化粉砂巖。其中填筑土層中含大量粉砂巖塊石，紅褐色，塊石直徑一般為10～28 cm，最大達1～2 m，塊石含量約40% ～60%。

根據對場地各主要土層進行的標準貫入試驗和重型動力觸探試驗，主要土層室內試驗成果及原位測試成統計見表1。

線路沿線地震動峰值加速度0.05g，地震動反應譜特征周期為0.35 s，地震烈度為6度，構筑物只考慮抗震構造，計算不考慮地震作用。

圖1 方案示意圖(單位:cm)

表1 主要巖土層物理力學性質指標推薦值

3 結構與基礎優化

3.1 結構與基礎優化主要考慮的因素

1)由于原地面填筑土、粉質粘土等承載力達不到擋墻基礎所要求的承載力，且層厚較大，基巖埋置較深，需對基礎進行處理。

2)若采用換填、擴大基礎等方案，由于原土在層厚約8 m范圍內承載力僅120～140 kPa，處理十分困難，軟弱下臥層所引起的工后沉降難以控制，且擋墻高度太大，十分不經濟。因此初步擬定采用樁基托梁(承臺)擋土墻。不同類型的樁基可提供的承載力、抗剪能力、對地形的適應能力、施工的便利性不同，設計中對粉噴樁、松木樁、微型鋼管樁、預應力管樁、鉆孔灌注樁等幾種形式進行了初步比較，并對其中部分樁基形式進行了深入計算比選。

3.2 土壓力計算及承載力要求

按《國家建筑標準設計圖集04J 008“擋土墻”》選定仰斜式擋墻尺寸，按擋土墻有關土力學計算，荷載結果如表2。

表2 土壓力及地基應力計算表

可知基礎承載力達不到要求，需進行基礎處理。

3.3 樁基礎方案比選

1)對各種樁基形式進行初步比選(表3)，再進行細部驗算與技術經濟比較。

表3 擋土墻樁基形式初步比選表

從以上初步定性分析可知，粉噴樁、松木樁等經濟性較好，但對于含塊石地基的沿河路基，施工困難，受地下水影響較大，不適于本項目。以下對其他三種樁基進行分析，確定其樁距、樁徑等，并在此基礎上做進一步經濟性比選。

3.4 樁基礎方案比選

3.4.1 主要依據

樁基設計主要依據《建筑樁基技術規范》(JGJ94—2008)、《公路橋涵地基與基礎設計規范》(JGJD63—2007)及所列參考文獻等進行。

3.4.2 設計條件

根據建筑規模、功能特征、樁基特點和施工條件等，擬定設計條件如下:

設計等級:乙級;長徑比:大于50，按要求進行局部壓屈驗算;抗震等級6度，計算中不考慮地震力作用;采用套管護壁法成孔，按干作業非擠土小直徑鉆孔灌注樁設計;樁端進入基巖，嵌巖深度H與樁徑D之比約15～20，大部分荷載由嵌巖段承擔，屬摩擦端承樁。環境級別:二(b)類(干濕交替環境)。

3.4.3 基本計算參數

見表4。

3.4.4 基樁豎向承載力

按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)，本項目中樁基屬于摩擦端承樁，且下部土部分位于常水位中，不宜考慮土體豎向承載力，因此基樁復合承載力特征值取單樁豎向承載力特征值。

按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)及上文中有關參數進行豎向承載力計算，見表5，詳細計算過程略。

表4 擋土墻樁基設計基本參數與初定尺寸一覽表

表5 擋墻樁基豎向承載力設計成果分析表

3.4.5 基樁水平承載力

按《建筑樁基技術規范》(JGJ 94—2008)附錄C，考慮承臺(包括地下墻體)、基樁協同工作和土的彈性抗力作用，用m法對樁基、樁身水平荷載及承載力進行驗算。以下以微型鋼管樁為例。見表6。

表6 擋墻樁基水平承載力計算表

續表6 擋墻樁基水平承載力計算表

從以上計算可以看出，水平力共計281.96 kN中，由承臺底、承臺側承擔的水平力分別為246.51 kN、34.9 kN，而樁基所承受的水平力僅占很小的比例。說明在樁、土、承臺的共同受力體系中，微型樁基承擔部分豎向荷載，而承臺(與擋土墻連為整體)承擔了大部分水平推力，受力合理。

對鉆孔灌注樁與預制管樁進行分析，水平承載力也能滿足要求。因此設計中控制樁數、樁距的是豎向荷載，表5中擬定的樁距、樁徑合理可行。

3.4.6 相關計算

在完成以上計算后，對樁基抗剪承載力、抗彎承載力等進行進一步驗算，以微型鋼管樁為例，抗剪承載力按不同規范中計算方法，分別為199.7 kN、230.2 kN;抗彎承載力參考配筋混凝土模式進行折減，承載力約9.7 kN·m，均大于對應荷載。各類樁基對應承臺形式進行分別設計，本文中未再詳述。

3.4.7 造價估算比選

在有關估算指標、市場信息價等基礎上，擬定各類樁基及承臺的綜合單價，對以上設計方案進行造價估算比選。本擋墻工程全長40 m，承臺底寬4.3 m，平均樁長10.3 m。

表7中可以看出，以預應力管樁經濟性最好。

表7 各樁基方案造價估算表

4 結束語

沿河道路中往往不能占用河道，需要建設擋土墻。而沿河地質條件往往不理想，本項目中承載力在140 kPa以下土深度近10 m，基本上只能考慮設計樁基托梁擋土墻。本文中對幾種主要樁基類型進行了比選，從各類樁基的環境適應性、施工可行性、安全性、經濟性、受力合理性等方面進行了全方位比較，結論供有關工程人員參考。