淺議樁基托梁擋土墻結構的設計與應用

黃古誠　余鵬　何莉　趙鵬

摘 要：該文從樁基托梁擋土墻結構的特性出發(fā)，探討了該結構的設計理論，并對托梁、樁基的設計計算方法進行了分析，并提出了具體的設計思路及方法建議。

關鍵詞：樁基 擋土墻 設計 應用

中圖分類號：TU75 文獻標識碼：A 文章編號：1672-3791（2015）05（b）-0086-03

支擋結構是支撐填土體、山坡土體防止土體失穩(wěn)變形的一種常用的結構措施。經過多年的工程實踐和理論研究，一些新型的結構類型如樁板墻、懸（扶）壁式擋墻、加筋土擋墻等都得到了大量的應用。但是，重力式支擋結構由于其施工工藝簡單、取材方便、標準化設計程度高等優(yōu)勢，在公路、鐵路、工民建工程建設中仍是應用范圍最為廣泛的支擋結構形式。尤其是重力式擋墻改進形式的衡重式擋墻，其特殊的結構形式使得其能采用較陡的面墻坡率，特別適用于地形陡峭的山區(qū)。在實際應用中，重力式擋墻、衡重式擋墻對地基的要求較高，在地基持力層埋置深度較大的地區(qū)，提出了在擋墻下部設置樁基托梁結構體系解決擋墻的承載力不足的問題。該文將從樁基托梁擋土墻結構體系的荷載受力分析出發(fā)，結合實際工程應用情況，對該結構的設計和應用提出個人的觀點和建議。

1 樁基托梁擋土墻的一般結構形式

樁基托梁擋土墻結構體系由擋土墻、托梁和樁基構成。擋土墻所承擔的土壓力及其他荷載、自重等通過托梁傳遞至樁基，如圖1。

樁基托梁擋土墻體系中一般情況下采用衡重式作為上部擋墻結構，其受力情況與一般路段的所應用的衡重式擋土墻沒有區(qū)別，都是利用自身的重力來維持穩(wěn)定，并通過衡重臺的設置增強擋墻的抗傾覆、減小基底偏心的能力。托梁作為連接擋墻和樁基的結構，其作用于一般的樁基承臺類似，但由于其上連接的是以承擔橫向的土壓力為主的擋墻，所以擋墻托梁較一般的橋梁、房屋樁基承臺相比所承擔的橫向彎矩、剪力大，且一般為條形布置。樁基為體系的主要基礎結構，在一般情況下，其作用與其他結構物的樁基無二。但由于承擔的橫向彎矩、剪力較大，為了保證樁基的橫向穩(wěn)定，擋墻的樁基一般采用方樁，且尺寸較大。

2 樁基托梁擋土墻結構設計計算

2.1 衡重式擋土墻土壓力計算

樁基托梁擋土墻中的土壓力計算與一般的衡重式擋墻計算一樣，采用考慮第二破裂面的庫倫土壓力計算。將衡重式擋墻中的上、下墻先分別進行土壓力的計算，不考慮其相互的作用影響，然后再將其矢量和作為全墻的土壓力，如圖2。根據(jù)所得土壓力情況，根據(jù)相關規(guī)范的要求進行擋墻的截面尺寸設計。樁基托梁擋墻中，一般樁基只考慮解決擋墻的承載力不足問題，而擋墻自身的傾覆穩(wěn)定性、截面強度等均由擋墻自身截面保證。所以采用的擋墻截面尺寸必須滿足擋墻的抗傾覆及墻身截面強度的要求。

2.2 托梁的結構計算

由于擋墻托梁一般呈條形布置，所以可以根據(jù)將樁基作為支座，根據(jù)樁基的布置情況將其簡化為連續(xù)梁或兩端懸出的簡支梁進行計算。托梁與擋墻基礎底面連接，故應將擋墻自重、墻背土壓力、第一破裂面與第二破裂面之間土體的自重等外力均向托梁中心簡化。最終簡化為作用在托梁支撐線處的N，Mn，Ex（如圖3）：

式中：N—作用于托梁頂面支撐線的豎向合力；

Mn—作用于托梁頂面支撐線的彎矩；

Ex—用于托梁頂面支撐線的合力；

Ea1—上墻所受的土壓力；

Ea2—下墻所受的土壓力。

考慮到托梁底面下的土層強度不高且容易受到施工的擾動，在進行托梁的結構計算時可忽略土層地基反力對托梁的支撐作用。在此基礎上結合樁基的布置情況，將整個結構體系簡化為由固接支座支撐的連續(xù)梁，其中各支座的支反力即為樁基的樁頂荷載（如圖4-1、圖4-2）。

根據(jù)簡化模型，可得托梁內力計算公式如表1所示。

2.3 樁基的結構計算

通過對托梁的受力計算，所計算得出的支反力實際就是樁頂受力。一般情況下，均認為擋土墻所承受的所有水平推力、豎向壓力及彎矩均由托梁全部傳至樁基。若樁頂全部埋置于穩(wěn)定地層內，則可作為“全埋樁”（如圖5-1）直接進行樁基礎的受力計算；若樁頂懸空（外側一定長度內的土層不能提供有效土反力（時（如圖5-2），尚需考慮懸臂段樁背所承擔的土壓力，如此樁的結構計算則類似樁頂有外力的“樁板墻”結構。由于懸臂樁受力復雜，且懸臂段所承擔的土壓力對樁基結構及控制樁頂變位極為不利，一般情況下若條件允許均應考慮采用“全埋樁”。

在明確了樁頂荷載和結構形式后，并將受力簡化至樁基錨固段頂面，然后采用基于彈性地基梁理論的“m”法或“K”法進行樁身的穩(wěn)定性和結構計算。一般情況下，擋墻樁基均考慮采用端承樁，同時此種結構形式下樁基豎向承載力一般均能滿足要求，所以樁基托梁設計中，樁基的結構計算主要在于對樁水平承載能力的分析。

3 樁基托梁擋土墻設計流程

當明確了現(xiàn)場地形、地質情況，確定了采用樁基托梁擋土墻結構時，可采用如下流程進行相關設計：（1）收集工點處路基橫斷面、路肩立面設計資料，明確路面荷載等級、地層情況、各地層的主要力學指標，判斷各地層的自身穩(wěn)定性。（2）繪制擋墻立面設計草圖，明確擋墻高度、托梁位置、托梁一聯(lián)的長度，初步確定樁基的間距、樁基埋深。（3）確定擋土墻的截面尺寸，并由此確定托梁的寬度，并完成樁基托梁擋土墻擋墻、托梁、樁基的橫向布置。（4）對結構進行受力分析，將擋墻所有受力向托梁中心支撐線簡化，并由此對托梁進行結構計算。（5）計算樁頂荷載，并根據(jù)地層力學參數(shù)完成樁基的尺寸擬定和結構計算。（6）完善結構設計圖、工程量計算。

4 工程應用

某高速公路工點，路基頂面高于現(xiàn)狀地表11m，地表以下為13m厚粉質粘土覆蓋層、其下為泥質白云巖夾泥巖，各地層力學指標如表2所示。

根據(jù)《公路路基設計規(guī)范》的規(guī)定，高速公路路基頂面行車荷載按照10kN/m2的標準執(zhí)行。由于擋墻為路基下支擋，且橫向地表陡峭，故采用衡重式結構作為擋墻形式。

4.1 擋墻布置方案

根據(jù)公路橫斷面及立面布置情況，設計墻高13m，托梁尺寸采用1100×1.5×4.1m，樁長10～19m，樁間距6m并要求嵌入泥巖的中風化層，樁身截面采用1.8×2.2，同時在結構設計中考慮到樁長過大，為優(yōu)化樁身受力情況并控制樁頂變位在每根托梁上設置了3道預應力錨索，其設計預應力650kN。

4.2 托梁及樁頂荷載計算分析

上部擋墻直接采用了本項目通用圖的截面形式，其墻身自身穩(wěn)定性不再進行計算。按照該文2.2節(jié)的闡述的方案，上部擋墻荷載向托梁頂面支撐中心簡化結果如表3所示。

根據(jù)立面布置形式，托梁每11m一根，實際上可以簡化為2.5m+6m+2.5m兩端懸出的簡支梁，同時在計算中為安全計也不考慮托梁底面粉質粘土的彈性地基梁支撐作用。按照托梁計算模型，其支座處的豎向支反力即為樁豎向荷載。而且兩樁對稱布置，故兩樁外力一致，故樁頂外力計算結果如下：（1）彎矩：M=-4014.62kN.M（公路橫斷面方向逆時針；（2）水平力：Ex=1854.89kN；（3）豎向力：N=7897.5kN。

同時在樁基計算中考慮樁頂設置的650KN級錨索，故在樁基計算中，可以考慮按照“錨索抗滑樁”的設計計算方法進行，即將錨索視為樁相應位置的彈性支座參與到樁結構的計算中。該項目計算證明，本項目采用1.8m×2.2m人工挖孔方樁其樁前土橫向容許承載力及樁頂位移、樁身強度等驗算均能滿足要求。

4.3 工程效果

在設計期間，將樁基托梁擋土墻方案與橋梁方案進行了比較，樁基托梁擋土墻方案在造價和建設工期上具有明顯優(yōu)勢，最終確定該工點采用了樁基托梁擋土墻方案如表4。

工程經過2個月順利施工，目前高速公路該路段已通車3年并歷經多次暴雨考驗結構正常，路面也未出現(xiàn)變形、開裂。

5 結語

樁基托梁擋土墻結構在山區(qū)高等級公路、鐵路的建設中有極強的適應能力，該結構一方面充分利用了重力式擋墻施工工藝簡單、就地取材投資節(jié)約的優(yōu)勢，另一方面利用樁基結構解決了重力式擋墻對地基承載力要求高的缺點拓寬了該結構的適用范圍。結合實際工程的經驗，樁基托梁擋土墻結構與橋梁方案相比具有十分顯著的經濟優(yōu)勢。該文結合工程實例，探討了樁基托梁擋土墻結構的設計理論，尤其對托梁、樁基的計算進行了深入的探討，給出的設計計算方法思路清晰、計算簡單、合理具體，有較強的實際工程應用價值。但在實際工程設計中，尚應注意相關規(guī)范對結構及總體布置的構造要求。

參考文獻

[1] 李海光.新型支擋結構設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 張敏.托梁擋土墻設計理論與工程應用研究[D].成都：西南交通大學，2007.

[3] 高志輝.樁基托梁擋土墻力學作用機理試驗研究與數(shù)值分析[D].成都：四川大學，2005.

[4] TB 10025-2006 鐵路路基支擋結構設計規(guī)范[S].中華人民共和國鐵道部.北京：中國鐵道出版社，2006.