樁-扶壁組合式擋土墻在高填方路基中的應用

劉育新 何俊龍 鄭亮

(西安市政設計研究院有限公司 700068)

引言

隨著城市不斷發展, 城市擴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, 對于填方段擋墻, 常用的有重力式、扶壁式、樁板式、加筋土等形式, 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, 該形式擋墻具有占地面積小、穩定性好、造價低、施工質量有保證等優點, 當場地地基為素填土且處理后承載力較低時, 為了解決擋墻基底承載力低、工后沉降大、側向變形大、整體穩定性差等關鍵問題, 不得不需要對地基進行處理, 地基處理難度大且費用較高, 針對此問題, 本文結合實際工程采用一種樁-扶壁組合式擋土墻, 下部采用樁基礎可有效解決地基承載力低、工后沉降大、整體穩定性差等問題, 避免了地基處理, 同時可有效控制擋墻的側向變形, 上部采用扶壁結構, 能夠有效地減小結構尺寸, 降低造價。該形式擋墻綜合了樁基礎與扶壁各自的優點, 能夠解決擋墻填方高度大、地基承載力低等問題, 是一種應用范圍廣的組合式支擋結構。

1 工程概況

本項目位于某地區新建道路, 路基填方高度最大為12m, 根據地勘報告顯示, 項目場地地層自上而下依次由素填土(Qml)、第四系上更新統沖積粉質粘土、粉土、細砂、粗砂、卵石層構成, 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, 以松散狀態為主, 工程性能差, 層厚8m ～15m。各層場地土參數見表1。

表1 場地土參數Tab.1 Site soil parameter

結合本項目填方高度以及地質特點, 地基表層為8m ～15m 厚素填土, 基本容許承載力僅為120kPa, 同時由于場地土表層素填土孔隙率以及含水量較高, 并結合本地區工程經驗, 若采用碎石樁對基礎進行處理, 處理后最大地基承載力為200kPa, 不能滿足擋墻的設計要求。綜合上述因素, 本工程最終采用樁-扶壁組合式擋墻, 能夠有效提高擋墻基礎承載力低, 并兼顧解決擋墻的抗滑移及整體穩定性的問題, 具有強度高、變形小、耐久性好、占地小等優點。

2 樁-扶壁組合式擋土墻設計

2.1 總體設計

擋土墻采用一級樁基礎與扶壁組合式擋墻,擋土墻高度H=12m, 標準節段長度L=14m。擋土墻由上部扶壁和下部基礎組成。墻頂道路布置為3m 人行道+18m 行車道, 如圖1 所示(注: 平面圖中陰影部分為墻面板與肋板平面投影)。

1.上部扶壁

上部扶壁由墻面板、肋板組成, 采用C35 混凝土, 墻面板厚度0.6m, 高10m, 肋板厚度1m,底寬3.1m, 頂寬0.5m, 縱向中心間距5.25m,墻面板背后4m 范圍內填料應采用透水性較好的天然砂礫, 要求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%, 墻面板泄水孔采用直徑10cmPVC 泄水管, 孔距2m, 呈梅花形布置, 最下層距地面高0.5m, 縱坡5%,在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。

圖1 標準節段擋墻布置(單位: m)Fig.1 Layout of standard segment retaining wall (unit: m)

2.下部基礎

下部基礎由承臺和樁基組成, 均采用C30 混凝土, 承臺高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 上部扶壁結構

上部扶壁由墻面板、肋板和底板組成, 墻面板等效為固結在肋板和承臺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。

1.扶壁結構受力簡化

參考《公路擋土墻設計與施工技術細則》(下文稱為文獻[1])第8.3.6 條規定, 作用于墻面板上的荷載僅計入墻后主動土壓力的水平分力, 可不計墻面板的自重、墻后土壓力的豎向分力、墻前被動土壓力等。作用于墻面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 墻面板替代水平土壓應力Fig.2 Wall panels replace horizontal soil pressure stress

圖中H/4 ～3H/4 高度區段的替代水平土壓應力σPJ=(σs+σD)/2, 其中σs、σD分別為墻面板頂面、底面的水平土壓應力。

肋板可按錨固在承臺上的T 形截面懸臂梁簡化計算, 墻面板為梁截面的翼緣板, 肋板為腹板。

2.土壓力計算

主要材料及計算參數見表2。

表2 主要材料及計算參數Tab.2 Main materials and calculation parameters

(1)汽車荷載、人群荷載換算土層

汽車荷載、人群荷載產生的側向壓力可按照換算土層來計算, 可參考文獻[2]附錄H 第11條規定或文獻[4]第4.3.4 條規定進行計算。本工程擋墻高度H=12m 時,q車=10kN/m2, 汽車荷載換算土層厚度h0車=0.556m; 人群荷載換算土層厚度h0人=0.184m。

(2)填土土壓力

扶壁結構土壓力按照文獻[1]附錄A 的規定計算, 驗算地基承載力、外部穩定、底板正截面抗彎承載力時, 當墻后填土破壞棱體符合不出現第二破裂面的條件時, 可將墻面板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; 當計算墻面板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。

3.扶壁結構計算結果

本工程墻面板厚0.6m, 水平與豎向均設置直徑20mm 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 排直徑28mm 鋼筋, 共16 根。扶壁結構計算結果見表3。

表3 扶壁結構強度驗算結果Tab.3 Results of structural strength checking of buttresses

由表3 計算可知, 扶壁結構的承載力滿足規范要求。

2.3 下部樁基礎

1.上部荷載轉換

將上部扶壁結構的荷載轉換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Fig.3 Simplified diagram of pile foundation force calculation

承臺底中心位置處豎向力N=20013kN, 彎矩M= -6283kN·m(順時針為正), 水平剪力Q= -5003kN(向右為正)。

2.有限元模型

本文采用Midas Civil 有限元軟件對擋墻樁基礎進行建模分析, 樁基與承臺均采用桿單元模擬, 樁的單元長度取1m, 樁底固結,樁與土之間的水平向作用采用等代土彈簧來模擬, 忽略樁土間的豎向作用, 即將樁基等效為彈性地基梁進行受力計算。計算模型如圖4 所示。

圖4 下部基礎有限元模型Fig.4 The finite element model of the lower foundation

3.樁基效應

(1)等代土彈簧剛度

等代土彈簧剛度是根據土體地基抗力系數的比例系數m來模擬, 雙排樁排距在2d～5d范圍內時, 樁之間的橫向距離較小, 計算時需要考慮樁間土的作用, 《公路橋涵地基與基礎設計規范》(下文簡稱為文獻[7])與《建筑基坑支護技術規程》(下文簡稱為文獻[8])分別規定了如何考慮樁間土的作用, 具體如下:

1)文獻[7]附錄L 中規定深度z處的地基水平向抗力系數C=mz(m的取值根據土的物性而定), 深度z位置處的等代土彈簧剛度, 其中地基抗力系數的比例系數m按照附錄L 中表L.0.2-1 選取, 樁的計算寬度b按照附錄L 中L.0.1 條規定計算, 計算公式L.0.1-3、4 中規定參數k(平行于水平力方向的樁間相互影響系數)來考慮多排樁間土的相互影響。

2)文獻[8]第4.1.5 條規定了內側土(前排樁)的水平反力系數k=m(z-h),z表示計算點距離底面的高度,h表示計算工況下的基坑開挖深度, 深度z位置處的等代土彈簧剛度, 其中地基抗力系數的比例系數m可按照文件[7]附錄L中表L.0.2-1 選取, 樁的計算寬度b按照文獻[8]第4.1.5 條規定計算, 依據4.12.3 條考慮樁間土的水平剛度系數, 即將前、后排樁之間采用等效彈簧連接以模擬樁間土的作用。

(2)計算結果

樁基效應計算結果見表4。由表4 可知, 文獻[8]計算的結果比文獻[7]更不利, 保守考慮,建議采用文獻[8]的計算方法進行計算。

表4 樁頂位移和內力計算結果Tab.4 Calculation results of pile top displacement and internal force

4.地基水平承載力驗算

樁周土體水平反力分布如圖5 所示。

圖5 樁周土體水平反力分布(單位: kN)Fig.5 Distribution of horizontal reaction force of soil around pile (unit: kN)

由計算可知, 樁頂以下H/3 ～H(樁長)范圍內樁周土體最大反力為167.4kN, 水平壓應力為84.3kPa。依據《鐵路路基支擋結構設計規范》(TB10025—2019)第13.2.9-2 條對樁周土體的橫向壓應力進行驗算, 結果顯示地基橫向容許承載力[σ]=601.6＞84.3kPa, 樁周地基土水平承載力滿足要求。

5.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, 按式(1)驗算:

6.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(2)驗算:

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=59868.9/20262.8 =3.0＞1.5, 滿足規范要求。

3 結語

扶壁與樁基礎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支擋工程, 可有效控制擋墻基礎沉降及側向變形。在實際應用中, 樁基礎與土體之間的傳力模式復雜, 設計人員操作起來相對困難, 為此本文基于扶壁擋墻和群樁基礎的設計理論, 將樁-扶壁組合式擋墻劃分為上部和下部兩部分, 上部采用扶壁擋墻的設計理論, 下部采用群樁的設計理論, 其中下部分析中采用等代土彈簧對樁-土作用進行模擬, 將樁基受力等效為彈性地基梁, 該方法更便于設計人員實際操作, 為類似工程提供參考。