樁-扶壁組合式擋土墻的設計與應用

何俊龍， 劉育新

(西安市政設計研究院有限公司, 陜西 西安 700068)

0 引言

隨著城市不斷發展，對地塊的需求不斷上升，往往需要在溝道、山坡等復雜地段修建道路，通常會涉及到擋墻結構。常用的填方段擋墻有重力式、扶壁式、樁板式、加筋土等，各類擋土墻均有各自的適用條件，具體設計中應綜合考慮地基承載力、填方高度、施工難易度、經濟性、耐久性等因素，選擇合適的擋墻形式。

對于填方高度大于12m的路段，多采用扶壁式擋墻，其具有占地面積小、穩定性好、造價低、施工質量有保證等優點。但是當地基為素填土且承載力較低時，需要對地基進行處理，處理難度大且費用高。本文采用樁-扶壁組合式擋土墻，上部為扶壁結構，能夠有效地減小結構尺寸，降低造價；下部為樁基礎，可有效解決地基承載力低、側向變形大、工后沉降大、整體穩定性差等問題。該形式擋墻綜合了樁基礎與扶壁式擋墻的優點，適用于填方高度大、地基承載力低的位置，是一種應用范圍廣的組合式支擋結構。

1 工程概況

某新建道路路基填方高度最大為12m，地勘報告顯示，項目場地地層主要由素填土、第四系上更新統沖積粉質粘土、粉土、細砂、粗砂、卵石層構成，地層土參數見表1。其中素填土主要以粘性土為主，含少量碎石塊和建筑垃圾，土質不均勻，呈松散狀態，工程性能差，層厚8～15m。

表1 場地地層土參數表kPa參數承載力基本容許值fa0樁側摩阻力標準值qik① 素填土12018② 粉土18035③ 卵石700160③ 細砂26035④ 粗砂40075④ 卵石500150④ 粉土20035⑤ 卵石800165⑥ 粗砂50090⑦ 粗砂900220

本項目素填土較厚、填土較高，而地基容許承載力僅為120kPa，同時表層素填土孔隙率以及含水量較高，結合本地區工程經驗，若采用碎石樁對基礎進行處理，處理后地基承載力最大為200kPa，不能滿足擋墻的設計要求。綜合上述因素，本工程采用樁-扶壁組合式擋墻。

2 擋土墻的設計

2.1 結構組成

采用一級樁基礎與扶壁組合式擋墻，由樁基礎、承臺、墻面板、肋板、防撞護欄等組成。擋墻高度12m，標準節段長度為14m，墻頂道路布置為3m人行道和18 m行車道(見圖1)。

a) 立面圖

2.1.1扶壁結構

扶壁結構采用C35混凝土，墻面板厚0.6m，高10m，肋板厚1m，底寬3.1m，頂寬0.5m，縱向中心間距5.25m；墻面板背4m范圍內填料采用透水性較好的天然砂礫，填料最大粒徑不超過15cm，內摩擦角不低于30°，壓實度不低于95%；墻面板泄水孔采用φ10cm PVC泄水管，孔距2m，呈梅花形布置，最下層距地面高0.5m，縱坡5%；擋墻底部至墻頂以下0.5m范圍內，泄水管進水口處設置30cm寬級配碎石反濾層。

2.1.2基礎

承臺與樁基采用C30混凝土，為了節約造價，承臺采用工字形，厚度2m，長14m，寬5.2m，底部連接6根直徑1.2m鉆孔灌注樁，前、后排樁基沿道路縱向間距5.25m，橫向間距3m，樁長28m，樁底進入⑤卵石層。

2.2 土壓力計算

擋土墻采用錨定板擋墻的形式，鋼筋使用HRB400，土壓力主要計算參數見表2。

2.2.1汽車荷載、人群荷載換算土層厚度

2.2.1.1 汽車荷載換算土層厚度

墻背填土有車輛荷載作用時，土體中產生附加豎向應力，從而產生附加側向壓力。土壓力計算中，通常將車輛荷載換算成與墻后填土相同重度的一定寬度和高度的土柱h(均布荷載)來計算。換算方法有以下2種。

表2 土壓力主要計算參數混凝土重度γt/(kN·m-3)結構安全等級汽車荷載等級結構重要系數γ0樁徑/m填料重度γ/(kN·m-3)填料內摩擦角/(°)填料與墻背摩擦角/(°)肋板間距/m擋墻分段長度/m擋墻高度/m26一級城-A級1.11.2183017.55.251412

1) 方法1。文獻[2]附錄H第11條規定：

(1)

式中：h0車為換算土層厚度，m；q為車輛荷載附加荷載強度，墻高小于2m時，取20kN/m2；墻高大于10m時，取10kN/m2；墻高在2～10m之間時，用直線內插法計算；γ為墻背填土重度。

按照式(1)汽車荷載換算土層厚度h0車=0.556m。

2) 方法2。文獻[4]第4.3.4條規定，汽車荷載在擋土墻墻后填土的破壞棱體上引起的側向土壓力，可按下列公式換算成等代均布土層厚度h計算：

(2)

l0=(H+a)tanθ+Htanα-b

(3)

B=B0+(H+2a)tan 30°

(4)

式中： ∑G表示在B×l0面積內車輪的總重力，kN；l0表示墻后填土破壞棱體長度，m；B表示擋墻的計算長度,m；B0表示前后輪距加輪胎著地長度，公路規范取13m，城市規范取18.25m；H為擋土墻高度,m；θ為破裂角，°；a為路肩高,m；b為路肩寬，m；α為擋土墻背與豎直面的夾角,°。

按式(2)～(4)汽車荷載換算土層厚度h0車=0.539m。

通過對上述2種方法進行試算發現：① 按方法2計算的換算土層厚度略小于方法1計算值；② 當擋墻高度大于10m時，2種方法計算的數值差異較小；當擋墻高度小于10m時，方法1中計算值相對偏大，隨著高度的遞減，二者之間的差值越大。偏保守設計時，可統一采用方法1進行計算。

2.2.1.2 人群荷載換算土層厚度

人群荷載在擋土墻墻后填土引起的附加土體側壓力，可按式(5)換算成等代均布土層厚度h：

(5)

文獻[1]第4.2.6條規定：作用于擋土墻墻后填土上的人群荷載標準值qr為3kN/m2，城市人口密集區可取上述規定值的1.15倍；文獻[2]附錄H第11條規定：作用于擋土墻墻后填土上的人群荷載標準值qr為3kN/m2。本工程位于城市人口密集區，按照文獻[1]取值，qr=3.45kN/m2，人群荷載換算土層厚度h0人=0.191m。

2.2.2填土土壓力

扶壁結構土壓力按文獻[1]附錄A的規定計算，驗算地基承載力、外部穩定性、底板正截面抗彎承載力。當墻后填土破壞棱體符合不出現第二破裂面的條件時，可將立壁頂面后緣與后踵板板端下緣的連線作為假象墻背計算土壓力；當符合出現第二破裂面的條件時，以第二破裂面為墻背計算土壓力。當計算立壁正截面抗彎承載力時，可按實際墻背計算土壓力，不考慮墻背與填料之間的摩擦力。

2.3 扶壁結構設計

根據文獻[1]第8.3.6條規定，立壁板為固結在肋板及底板上的三向固結板構件，可簡化為按豎直方向、水平方向分別計算。作用于立壁上的土壓力可按以下方法進行簡化：

1) 立壁板上的荷載僅計入墻后主動土壓力的水平分力，可不計立壁板的自重、墻后土壓力的豎向分力、墻前被動土壓力等。

2) 作用于立壁板上的替代水平土壓應力簡化為梯形分布，如圖2所示。

圖2 立壁板替代水平土壓應力圖

3)肋板可按錨固在底板上的T形截面懸臂梁計算，立壁板為梁截面的翼緣板，肋板為腹板，可根據文獻[1]第8.3.9條規定簡化計算。

本工程立壁板厚0.6m，水平與豎向均設置φ20mm鋼筋，間距15cm；肋板根部寬1m，高4.2m，翼緣板寬5.25m，翼緣板厚0.6m，外表面設置2排φ28mm鋼筋，共16根。扶壁結構計算結果見表3。

表3 扶壁強度驗算結果板號最大彎矩/(kN·m)最大剪力/kN抗彎承載力/kN抗剪承載力/kN最大裂縫/mm立壁板10681.83835470.12肋板6 8142 023.013 1152 8840.16

由表3可知，扶壁結構的承載力滿足規范要求。

2.4 樁基礎設計

2.4.1樁基強度

將扶壁結構的受力換算到作用于承臺底部中心處的豎向力N、水平剪力Q及彎矩M，按照水平受荷群樁理論計算樁基在N、Q、M作用下的變形和受力性狀，計算簡圖如圖3所示。

圖3 樁基受力計算簡圖

1延米長度擋土墻受力計算結果如下： ① 扶壁結構所受土壓力Ea=576.5 kN ，Ex=357.4 kN ，Ey=452.5 kN ，距離承臺底中心：豎向距離Zy=4.05 m、水平距離Zx=1.385 m；② 扶壁結構以及承臺自重G1=410kN，距離承臺底中心水平距離W1x=-0.476m；③ 墻踵上的土重G2=270kN，距離承臺底中心水平距離W2x=0m；④ 墻趾板上的土重G3=9kN，距離承臺底中心水平距離W3x=-2.1m。

L=14m承臺底中心位置：豎向力N=15981kN，彎矩M=-144856kN·m(順時針為正)，水平剪力Q=-5003kN(向右為正)。采用MIDAS CIVIL軟件建立擋墻基礎模型，考慮樁土間效應，按照m法對樁基受力進行分析，計算模型如圖4所示，樁基效應計算結果見表4。

圖4 基礎計算模型

按照偏心受壓構件進行計算，樁頂10m范圍內設置52根φ32mm鋼筋，抗壓承載力15300kN >5143kN，抗剪承載力1858kN>834kN，最大裂縫為0.05mm<0.2mm[4]，樁身承載力滿足要求。

表4 樁頂位移和內力計算結果樁頂水平位移/mm樁頂豎位移/mm樁頂旋轉角/mrad樁頂彎矩/(kN·m)樁頂水平力/kN樁頂最大軸力/kN樁頂最小軸力/kN821.2-130 58345 143184 注: 水平位移向左為正,豎直位移向下為正,轉角位移逆時針為正。

2.4.2抗滑移驗算

由于填土處于欠固結狀態，不考慮土體與基底的摩擦力，基底抗滑由樁基承擔，需滿足式(6)要求：

(6)

式中: ∑Q為樁基礎提供的抗剪力之和，kN；Eax為基底水平推力，kN。

計算可得： ∑Q為11148kN，基底水平推力為5003kN，抗滑移穩定系數為2.2>1.3，擋墻基底抗滑移滿足要求。

2.4.3抗傾覆驗算

對于墻趾點取距，樁基礎擋土墻的抗傾覆驗算按照式(7)驗算：

(7)

式中:G為扶壁結構及上層覆土的自重；T1和T2為前、后排樁的抗拔力，保守計算可近似取樁頂豎向反力；Eax與Eay分別為土壓力的水平及豎向分力，X0、XT1、XT2、Zax、Zay分別為各力對于墻趾點的力臂。

計算可得：傾覆力矩為20262.8kN·m，抗傾覆力矩為59868.9kN·m，抗傾覆穩定系數K為3.0>1.5，滿足規范要求。

3 結論

基于扶壁擋墻和樁基礎各自的設計理論，將樁-扶壁組合式擋墻劃分為上部與下部兩大單元：依據扶壁墻理論對上部進行計算，將上部受力換算至基礎頂部，再依據樁基理論對下部進行計算。通過對工程實例的計算與分析，可以得出：樁-扶壁組合式擋土墻能夠適用于填方高度大、地基承載力低的路基段，可有效控制擋墻基礎沉降及側向變形，具有良好的應用價值。