震區公路樁基托梁設計及應用

李德心, 程　建, 李軍歌, 薛　垚

(四川省交通運輸廳交通勘察設計研究院， 四川成都 610000)

四川省“十三五”綜合交通運輸發展規劃明確了公路完成4 800億元的目標，到2020年，基本建成現代綜合交通運輸體系，建成西部綜合交通樞紐。四川處于山地丘陵區，高填方邊坡和陡坡路堤經常在公路建設中遇到，在浸水、陡坡、地層穩定性較差的情況下，可考慮采用樁基托梁擋土墻。

1　樁基托梁設計思路

樁基托梁擋土墻是擋土墻與樁由托梁連接，將擋土墻傳來的荷載通過托梁傳遞給樁，樁通過樁周圍土的摩阻力及樁端土的支撐力，把荷載傳遞到地基中。

(1)進行邊坡穩定性分析，初擬擋墻尺寸，驗算墻身自身傾覆穩定性和擋土墻土壓力，擬定托梁尺寸，再計算托梁外力，算出傳遞到托梁上的每延米豎向力、水平推力和彎矩，然后計算托梁的內力，按照簡支梁計算支座和跨中彎矩、最大剪力，按彈性地基梁(基本假定為樁身任一點處巖土的抗力與該點的位移成正比)計算，結合托梁自重分布荷載。托梁內力不考慮梁底面土體對梁體的彈性地基梁支撐作用，模型采用支端懸出的簡支梁。

(2)擬定樁的尺寸和樁間距，不考慮梁底的支承和摩擦，將擋土墻墻底合力與托梁自重換算到托梁底面傳至樁頂，按彈性地基梁，地基彈性抗力系數采用m法(認為地基系數是隨深度而變化，比例系數以m表示)，根據撓曲微分方程和樁底約束條件，算出樁身內力和變位，校核驗算樁土反力是否超過容許值，調整樁基尺寸、埋深、間距，重新驗算直至通過，根據樁身彎矩、剪力圖，按照基本組合計算荷載效應(設計彎矩和設計剪力)，進行樁身結構配筋設計。

2　工程概況

本工點位于國道108線K2443+435～K2443+514段路基變形體位于滎經縣滎河鄉馮家村，路基填筑于陡坡中部，外側為滎河。為減少河岸沖刷，增加路堤穩定性，采用樁基托梁擋土墻。路基范圍內地層上部為人工填土，其下為崩坡積層的碎石土，松散～稍密狀，承載力較低，下伏須家河組的砂巖、粉砂質泥巖、炭質泥巖，薄～中厚層狀構造。原公路為半填半挖路基，擋墻已有沉降、開裂變形，路面已拉裂，加之受“4·20”蘆山強烈地震影響，路面已形成貫通裂縫，裂縫長約57 m，平均寬約10 cm，公路內側邊坡為陡崖，邊坡基巖裸露，節理、裂隙發育，時有崩塌、碎落發生，砸向路面，嚴重影響公路的安全運營(圖1)。

圖1　路基變形

3　方案設計與分析

針對變形路基所在邊坡，采用極限平衡法進行穩定性的定量分析。得出僅在暴雨工況條件下，該邊坡局部淺表層有滑動變形的風險。

3.1　方案設計

對內側邊坡采取掛主動網防護，防護區域為基巖裸露、節理裂隙發育區域，主要位于邊坡中上部。對原變形路基進行挖除換填，換填料采用砂卵礫石土。路面下2.0 m位置加鋪一層5 cm厚高強土工格室，施工時須分層填筑分層碾壓，其壓實度必須滿足規范要求。擬于靠滎經端設9.0 m長衡重式路肩墻，于靠泗坪端設66.0 m長樁基托梁擋土墻， 1～10號樁樁頂托梁長10 m，11～13號樁樁托梁長16.0 m，托梁式擋土墻為衡重式擋土墻，具體結構形式如圖2所示。

圖2　樁基托梁結構形式(單位:cm)

3.2　受力分析

3.2.1衡重式擋土墻土壓力計算

本項目采用的擋墻尺寸：墻頂寬0.5 m，墻面坡度1∶0.05，上墻背坡度1∶0.4，下墻背坡度1∶0.25，上墻高2.1 m，下墻高3.6 m，墻趾高0.6 m，墻趾寬0.3 m。此次計算為了便于結構的設計取消原基底坡度0.1∶1。擋土墻基底摩擦系數f=0.5，內摩擦角φ= 35°，填料容重：γ=21.0 kN/m3，墻身容重：γ=23.0 kN/m3，土壓力計算式行車荷載按照2004年JTGD 30-2004《公路路基設計規范》規定采用10 kN/m2，其他荷載分項系數均按照規范要求取用:組合系數為1.0，擋土墻結構重力分項系數 = 1.000 ，填土重力分項系數=1.000，填土側壓力分項系數 = 1.4 ，車輛荷載引起的土側壓力分項系數 = 1.4。土壓力計算采用“理正擋土墻設計程序”完成，其結果如下：

計算高度為 5.878 m處的庫侖主動土壓力。

無荷載時的破裂角：27.486°，計算上墻土壓力，按假想墻背計算得到:

第1破裂角： 28.998°

Ea=39.733 kNEx=11.625 kNEy=37.995 kN作用點高度Zy=0.700 m

因為俯斜墻背，需判斷第二破裂面是否存在，計算后發現第二破裂面存在：

第2破裂角：27.496° 第1破裂角=27.486°

Ea=27.172 kNEx=12.548 kNEy=24.101 kN作用點高度Zy=0.700 m

計算下墻土壓力，無荷載時的破裂角: 35.154°

按力多邊形法計算得到:破裂角： 35.154°

Ea=50.105 kNEx=50.014 kNEy=3.027 kN作用點高度Zy=1.591 m

墻身截面積=9.171 m2重量=210.927 kN

衡重臺上填料重=29.701kN 重心坐標(1.287,-1.116)(相對于墻面坡上角點)

由此分析，采用第二破裂面法計算出擋墻所受的水平土壓力合力為Eax= 12.548+50.014=62.562 kN/m。

3.2.2托梁外力計算

本文僅驗算更為不利16 m的梁，托梁計算時，將其考慮為跨徑16 m=(2.5+5.5+5.5+2.5) m的支端懸出的簡支梁結構，其尺寸采用1.2 m×2.5 m，樁基設置于托梁形心位置。其延米荷載情況如下。

3.2.2.1豎向荷載計算

(1)第二破裂面與墻背間填料重:Wt=29.701 kN/m

(2)衡重式擋墻自重：W1=210.927 kN/m

(3)托梁自重：W2=75 kN/m

(4) 上墻土壓力的豎向分力：Ey1=24.101 kN/m

(5) 下墻土壓力的豎向分力：Ey2=3.027 kN/m

將各力簡化到托梁地面中心位置(樁基礎軸線位置)：

豎向力：N=29.701+210.927+75+24.101+3.027=342.75 kN/m

3.2.2.2水平荷載計算

(1)上墻土壓力的水平分力：Ex1=12.548 kN

(2)下墻土壓力的水平分力：Ex2=50.014 kN

將各力簡化到托梁底面水平面位置(樁基礎軸線位置)

水平力：F=12.548+50.014=62.56 kN/m

傾覆力矩= 124.616 kN·m抗傾覆力矩= 384.170 kN·m

3.2.2.3彎矩計算

將以上所有的力向托梁底面中心簡化，求的彎矩如下(順時針為正)

Mn=342.75×1.81/2+124.616-384.170=50.63 kN·m/m

3.2.3托梁內力計算

考慮到本項目梁底面覆蓋層厚度較大(6 m)，且自身強度也比較小故在計算中不考慮梁底面土體對梁體的彈性地基梁支撐作用。模型采用(2.5+5.5+5.5+2.5) m跨徑分布的支端懸出的簡支梁，計算采用“理正結構工具箱”，其計算結果如圖3所示。

圖3　托梁受力簡圖

由此進行托梁結構配筋設計。

3.2.4樁頂外力計算

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。其外力計算如下：

(1) 彎矩：M=M×L/2=50.63×5=-253.15 kN·M

(2) 水平力：F=62.56×5=312.8 kN

(3)豎向力：N=342.75×5=1713.75 kN

3.2.5樁內力計算

根據立面布置情況，本段共有樁13根，穿越地層均為兩層，其力學指標如表1。

表1　地下土層力學指標

地基彈性抗力系數考慮采用m法計算，樁端鉸支，其內力分析采用“理正巖土”進行計算，通過計算，樁基礎采用人工挖孔方樁，間距2 m，樁采用2 m×1.5 m尺寸，參照2004年JTGD 30-2004《公路路基設計規范》中樁側地基橫向容許承載力的計算公式，滿足容許抗力大于土反力(樁內力計算表略)。

4　結束語

本文結合工程實例，配合使用理正巖土和結構工具箱軟件，簡述了樁基托梁在震區公路邊坡中的設計計算過程，多是在河岸沖刷、陡坡、穩定性差的覆蓋層較厚情況下采用，實踐表明，該類型擋土墻技術可靠，投資較省，值得在震區公路邊坡支擋中進一步推廣使用。