樁基托梁擋土墻在高速公路沿河路堤支擋工程中的應(yīng)用

姚 廣

（山西省交通科技研發(fā)有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

某高速公路位于滇東北構(gòu)造侵蝕中低山區(qū)，為省際間連接主要城市的快速干線公路，采用雙向四車道高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基寬度24.5 m，分離式路基寬度12.25 m，汽車荷載公路-I級。

K146+532—K147+003路段為半填半挖路基，總長471 m，最大填土高度35 m。由于原地面線坡率較大，填方路堤穩(wěn)定性難以保證，且路堤邊坡受河水沖刷嚴(yán)重，增加路基不安全因素。由于所處地形環(huán)境的特殊性，該段路基需要增加防護(hù)措施，以保證陡坡路堤在行車荷載以及水流沖刷下的整體穩(wěn)定性。

2 工程地質(zhì)條件

2.1 地形、地貌

該路段位于高原與盆地的結(jié)合部，地勢西南高、東北低，處于淺切割構(gòu)造剝蝕低中山侵蝕地貌區(qū)，山高谷深。地區(qū)地表水流以侵蝕作用為主，山頂渾圓，壟狀起伏，相對高差300～500 m，坡度30°～60°，溝谷呈“U”型，兩側(cè)谷坡巖溶形態(tài)為砍痕狀及條帶狀溶痕及溶溝、溶谷、溶洞，局部見小型巖溶洼地、溶蝕漏斗等。

2.2 氣象、水文

該路段線路區(qū)區(qū)域?qū)儆趤啛釒А⑴瘻貛Ч泊娴母咴撅L(fēng)立體氣候區(qū)域。冬春季寒冷而干燥，夏無酷暑。干濕季明顯，每年降水多集中在6—10月，每年11月到次年5月為干季，降水量和地表、地下水源顯著減少，每年3—5月往往有春旱發(fā)生。

線路區(qū)河流屬于長江水系，具有典型的山區(qū)河流特點(diǎn)。降水是徑流的主要來源，區(qū)域內(nèi)地表水和地下水較為豐富，大小直流河水終年長流不斷。洪水多由暴雨形成，大洪水多發(fā)生在6—9月，尤以7月、8月為甚，最大流量1 560 m3/s，最小流量8.53 m3/s。

2.3 地層巖性

該路段路線范圍內(nèi)主要分布第四系沖洪積（Q4al+pl）層、坡殘積層（Q4dl+el）層、崩坡積層（Q4c+dl），其下為泥盆系中統(tǒng)（D2）、泥盆系下統(tǒng)（D1）、志留系上統(tǒng)菜地灣組（S3）、志留系中統(tǒng)大路寨組及嘶風(fēng)崖組（S2）地層。

2.4 項(xiàng)目地質(zhì)水文環(huán)境特點(diǎn)

該路段存在的不良地質(zhì)作用主要為不穩(wěn)定斜坡。受附近大斷裂及新構(gòu)造運(yùn)動控制，該段河谷切割較深，山高坡陡，巖層淺埋，風(fēng)化強(qiáng)烈，巖體較破碎-破碎。因暴雨、河流沖刷等外力影響，易引起局部邊坡滑移、路基沉降等。該路段沿線區(qū)域夏季暴雨多，山洪急，河流水位變化幅度大。

表1 項(xiàng)目區(qū)域地層巖性表

由于巖石的裸露，滲透力較弱，坡度較陡，回流時(shí)間很短，河槽不但較深并且狹長，汛期流量過程變化較多，尤其是在強(qiáng)降雨天氣或長時(shí)間連續(xù)降雨天氣，洪水量的暴漲，使得周圍環(huán)境陡漲陡落，河水沖刷破壞力及其嚴(yán)重。

沿河路堤填方部分段落壓縮了河床泄洪斷面，在雨季洪水流量較大時(shí)，水位較高，水流速度較快，可能造成路基沖刷后的崩塌，產(chǎn)生缺口，嚴(yán)重時(shí)會將路基沖毀，造成嚴(yán)重的后果。這些都是此項(xiàng)目沿河路堤防護(hù)過程中亟需解決的問題。

3 方案比選

綜合該路段的工程地質(zhì)條件因素，擬定樁板墻支撐路基、半橋半路基和重力式擋土墻支撐路基3個(gè)方案來進(jìn)行處理。樁板墻支擋結(jié)構(gòu)受汽車荷載的影響，結(jié)構(gòu)受力性能沒有衡重式擋土墻好，長期安全性能較差，錨固較深，施工安全不易控制，施工進(jìn)度也得不到保證；半山橋方案采用橋跨結(jié)構(gòu)跨越陡坡段，造價(jià)高，不經(jīng)濟(jì)；重力式擋土墻方案施工方便，較為經(jīng)濟(jì)，選用重力式擋土墻作為推薦方案。

考慮到擋土墻沿河床布設(shè)，地下水位較高，受河流沖刷嚴(yán)重，地基承載力差，不適宜澆筑擋土墻基礎(chǔ)，通常情況下，宜用大截面和在擋土墻底部換填并擴(kuò)大擋土墻基礎(chǔ)，但圬工體積較大，工程實(shí)施難度大，工程造價(jià)高。采用樁基托梁基礎(chǔ)可以減少基礎(chǔ)開挖量，將樁基置于穩(wěn)定的巖層中，能夠有效解決河流沖刷和地基松軟造成的問題，保證坡體的安全穩(wěn)定。

4 樁基擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與計(jì)算

4.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與參數(shù)選取

選用樁基托梁路堤擋土墻，該段路堤填土高度選用14 m，擋土墻選擇浸水擋土墻。根據(jù)云南省山區(qū)高速公路建設(shè)技術(shù)指南《DB53T 827.1—2017》[1]，該區(qū)域擋土墻采用C25片石混凝土澆筑，具體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)橫斷面示意圖

4.2 擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算

擋土墻的荷載主要有擋土墻結(jié)構(gòu)本身自重以及墻后土壓力的主要荷載，凍融區(qū)的凍脹以及浸水擋土墻的靜水壓力和動水壓力的附加荷載，地震、洪水泥石流沖擊的特殊荷載等。本設(shè)計(jì)中樁基擋土墻結(jié)構(gòu)按極限承載能力設(shè)計(jì)，受力采用荷載效應(yīng)的基本組合進(jìn)行計(jì)算。

擋土墻土壓力采用庫倫土壓力理論計(jì)算最不利工況下的土壓力。由于擋墻下部有承臺與樁基礎(chǔ)，擋土墻的穩(wěn)定性可以得到保證，擋土墻設(shè)計(jì)只需要進(jìn)行擋墻截面剪應(yīng)力、壓應(yīng)力和拉應(yīng)力驗(yàn)算，保證其不得超過擋土墻材料抗力設(shè)計(jì)值。設(shè)計(jì)中采用理正巖土設(shè)計(jì)軟件進(jìn)行擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算。擋土墻計(jì)算模型如圖2所示，擋墻高度以及尺寸計(jì)算結(jié)果如表2所示。

圖2 擋土墻計(jì)算模型

表2 仰斜式路堤擋土墻標(biāo)準(zhǔn)尺寸（浸水路段h=14 m）

4.3 承臺計(jì)算

根據(jù)相關(guān)工程經(jīng)驗(yàn)及項(xiàng)目實(shí)際，本設(shè)計(jì)中承臺尺寸采用10 m×5.7 m，厚度采用1.5 m。

圖3 承臺與樁基設(shè)計(jì)尺寸（單位：cm）

承臺計(jì)算按照懸臂式承臺的簡支梁類型計(jì)算，樁基礎(chǔ)全部承受來自上部結(jié)構(gòu)的豎向和水平荷載，地基巖土體對承臺的作用力可以視為零。

圖4 作用在懸臂式承臺上的外力分布圖

其中，q為上部結(jié)構(gòu)作用于懸臂式承臺橫向的均布荷載；N為上部結(jié)構(gòu)作用于懸臂式承臺豎直方向上的集中荷載；Ex為上部結(jié)構(gòu)作用于懸臂式承臺的水平側(cè)向荷載；M為上部結(jié)構(gòu)作用于懸臂式承臺的彎矩，其大小為單位彎矩乘以承臺在樁基礎(chǔ)上的跨徑。

圖5 懸臂式承臺簡支梁內(nèi)力計(jì)算圖

通過計(jì)算，懸臂式承臺簡支梁豎直面內(nèi)力計(jì)算公式如下：

式中：M0為承臺在外荷載作用下樁基礎(chǔ)的彎矩；Mz為承臺在承臺一跨上中間的彎矩；Q0為承臺樁基礎(chǔ)處的剪力；Q1為承臺上一跨中得到的最大剪力。

懸臂式承臺簡支梁水平面內(nèi)力計(jì)算公式如下：

經(jīng)計(jì)算，本設(shè)計(jì)中承臺支座位置最大負(fù)彎矩M0=3 965.43 kN，托梁下部雙向主鋼筋配置為HRB400，φ22，間距200 mm，可以滿足設(shè)計(jì)要求。

4.4 樁基驗(yàn)算

根據(jù)地勘鉆孔資料，本段河床濕軟層厚度為4.5～5.5 m，以下為強(qiáng) -中風(fēng)化基巖層，承載力2 000 kPa。本設(shè)計(jì)中采用單排樁，設(shè)計(jì)樁長為6 m，樁基尺寸為1.5 m×2 m。

樁基擋土墻結(jié)構(gòu)工作性能的發(fā)揮取決于樁基礎(chǔ)的強(qiáng)度、剛度和穩(wěn)定性。假設(shè)承臺與周圍巖土之間的作用可以忽略不計(jì)，樁基礎(chǔ)頂部主要承受來自承臺以上土體作用時(shí)產(chǎn)生的豎向壓力和各個(gè)方向的水平側(cè)向荷載，則由承臺設(shè)計(jì)計(jì)算可知懸臂式承臺下樁基礎(chǔ)豎向荷載為N，水平荷載為Ex，彎矩為M+Ex。

本路段樁基托梁擋土墻的樁基礎(chǔ)周圍的接觸介質(zhì)為土體，樁基礎(chǔ)的變形與受力均沿樁身均勻變化。因?yàn)闃痘A(chǔ)在均勻土體中，保持整體形狀不改變，樁基礎(chǔ)在外荷載作用下，豎向位移變化較小，不計(jì)入整體計(jì)算中。只考慮水平荷載下的水平位移和外部彎矩作用下的角位移，樁基礎(chǔ)沿樁身方向的方程可以表示為[2]：

式中：E為樁基礎(chǔ)的彈性模量；I為樁基礎(chǔ)的截面慣性矩：C為彈性地基系數(shù)；Bp為樁基礎(chǔ)的平面幾何尺寸；y為任意點(diǎn)距樁基礎(chǔ)頂面的距離；xy為任意點(diǎn)在豎向距離為y時(shí)的水平位移。

本路段樁基礎(chǔ)基本處于性質(zhì)變化不大的土體中，C為常數(shù)。由數(shù)學(xué)方法求解方程，將樁基礎(chǔ)底端部產(chǎn)生的位移視為零，在該處樁基礎(chǔ)會發(fā)生變形時(shí)，滿足 xh=0，φh=0，Mh≠0,Qh≠0，則樁頂處的位移 x0和轉(zhuǎn)角φ0為：

經(jīng)計(jì)算當(dāng)采用兩根樁，樁間距為5.5 m，樁基最大彎矩M=4 014 kN/m，最大剪力1 855 kN。根據(jù)需要可在樁基受拉側(cè)配置10束由3根φ28鋼筋組成鋼束即可，受壓側(cè)配置構(gòu)造鋼筋。

5 施工注意

為保證樁基擋土墻的施工質(zhì)量，需要注意以下幾點(diǎn)：

a）樁基擋土墻在施工線對地基要進(jìn)行夯實(shí)處理。

b）樁基的施工應(yīng)采取可靠的護(hù)臂措施，隔樁施工，防止竄孔。

c）托梁澆筑之后應(yīng)在頂面拋擲石塊，增大擋土墻與托梁之間的摩擦系數(shù)。

d）托梁澆筑應(yīng)保證一次性澆筑完成，預(yù)埋冷卻管。

e）擋土墻墻背填土及上部放坡均采用分層碾壓，填方材料采用全風(fēng)化砂巖，要求填料最小強(qiáng)度CBR值不小于4%，壓實(shí)系數(shù)不小于0.94。

6 結(jié)語

樁基擋土墻是一種重要的支擋構(gòu)造物，擴(kuò)大了一般圬工式擋土墻的使用范圍，解決了擋土墻結(jié)構(gòu)基礎(chǔ)承載力較低的問題。本項(xiàng)目沿河路堤的支擋工程中采用了樁基擋土墻，有效地解決了陡坡路基邊坡失穩(wěn)、河流沖刷和地基松軟的問題，可為今后類似工程提供參考。