低承載力地層條件下高支擋結構樁基托梁式基礎工程應用研究

張 楠

(遼寧省交通運輸事業發展中心 沈陽市 110005)

0 引言

當今公路工程建設過程中,常面臨用地受限或在高陡地區施工的情況,而采用高支擋構筑物時又可能面臨基底土層地基承載力不足的問題。對于低承載力地層條件下的高支擋結構,采用樁基托梁式基礎是一種解決地基承載力不足問題的有效辦法。文章依托于八盤嶺隧道左線改建在有限用地紅線范圍內的路基拼寬工程,詳細介紹了樁基托梁式擋墻的設計過程,闡述其工程計算分析過程,分析了該結構形式的優越性和適用工況,以期對類似場地工程設計提供參考。

1 工程概況

1.1 項目背景

文章依托于本溪市國道集本線八盤嶺隧道左線改建工程。八盤嶺隧道左線改建工程引線道路K0+250～K0+445段為既有路堤拼寬段,原路堤填高5～20m不等。拼寬路基若采用放坡方式,將新增大量占地,而現狀道路外側為永久基本農田,無放坡條件,故須采用支擋結構進行快速收坡,新建支擋設施應位于老路路堤邊坡坡腰處,以維持老路公路用地界限不變。另一方面,由于拼寬段在施工期間須保持既有道路通車運營,拼寬側新建擋墻基坑開挖范圍過大將對既有道路邊坡穩定造成不利影響,故新建擋墻墻高不宜過高、尺寸不宜過大。

1.2 設計方案

結合老路邊坡高度、坡率及現場地形,K0+250～K0+305段設計采用折背式路堤墻進行支擋,墻高5～14m,圬工材料為C25混凝土,相應地基承載力要求不小于300～550kPa;K0+305～K0+331段設計采用護肩支擋,高度2m,采用C25混凝土澆筑;K0+331～K0+445段設計采用衡重式路肩墻進行支擋,墻高3.5～8.5m,圬工材料為C25混凝土,相應地基承載力要求不小于200～350kPa。典型斷面設計圖如圖1所示。

2 地質條件

K0+250～K0+445段落位于人工填筑土路段,地質條件復雜多變,施工期間開挖 K0+250～K0+305段路堤墻、K0+330～K0+445 段路肩墻 2 段擋墻基坑,發現該段路肩墻、路堤墻擋墻基底實際出露的巖土體為填土、殘坡積層、全風化基巖等,擋墻基底開挖揭露的覆蓋土層厚度、基巖風化程度等工程地質條件與原設計考慮的地質情況存在差異,填土、殘坡積土層、全風化基巖等巖土體地基承載力無法滿足原設計擋墻的承載力要求,需要對擋墻基底進行地基處理。

3 低承載力地層條件下高支擋結構樁基托梁式基礎

在須采用高支擋結構而地基土層承載力又不滿足設計要求時,須對擋墻基底土層做必要的地基處理。尤其當滿足承載力要求的持力層埋深較大,或受施工環境限制不宜進行挖除換填時,可采用深層樁處理。樁基托梁式擋土墻即一種能很好地解決高支擋結構高承載力要求與地層條件較差而承載力不足之間矛盾的方法。

樁基托梁式擋土墻是將樁和擋土墻相結合并通過托梁相連接的一種結構形式,由樁基、托梁和擋墻三部分組合而成,如圖2所示。上部擋土墻可結合實際條件采用適宜的擋墻形式,充分發揮各類擋墻的功能和優勢;下部樁體一方面可增強地基承載力,同時亦可對坡體提供抗滑作用,有助于坡體的整體穩定性;托梁則主要起聯結和傳力的作用,聯結上部擋墻與下部樁體形成整體結構,保障擋墻的抗滑移和抗傾覆性能,同時承受上部結構傳遞的荷載傳遞給下部樁基。

圖2 樁基托梁式擋土墻

近年來,隨著社會經濟發展和工程技術進步,樁基托梁式擋墻在我國交通工程中的應用逐漸廣泛,已積累一定案例[1-3]。目前,學界關于樁基托梁式擋墻的研究集中在其受力模式分析方面。黃黎冰等[4]通過擋土墻、托梁和樁整體結構線彈性結構模型試驗,對墻背所受土壓力的變化趨勢、擋土墻的水平和垂直變位特征進行測試,分析了樁基托梁式擋土墻的實際工作狀態。張智超等[5]基于原位孔內剪切試驗結果對樁基托梁擋墻支護下邊坡應力變形進行了數值分析。封志軍等[6]建立同時考慮樁與托梁共同受力的力學模型,推導了托梁結構內力的便捷計算方法。倪洪亮等[7]計算樁基托梁各部分結構的受力情況,并與抗滑樁受力結果進行了比較分析。簡而言之,目前樁基托梁結構設計時,上部擋墻按擋墻理論計算;托梁部分根據是否考慮地基土的支承作用,分為一般連續梁計算模型和彈性地基梁計算模型;下部樁體按照頂部受彎矩和水平力的抗滑樁進行計算。

4 樁基托梁式擋土墻工程設計方案

4.1 設計方案

(1)K0+250～K0+305段

整體采用樁基礎穿越地基承載力不滿足條件的段落,樁基礎進入中風化基巖,托梁頂部設置路堤墻支擋,樁基采用一排C30鋼筋混凝土灌注樁,樁徑1.5m,樁間距3.75m,采用正方形布樁,樁基數量共計10根,樁長10～14m;托梁高度1.5m,寬度為超出擋墻基底兩邊各0.5m,采用C35混凝土澆筑。如圖3所示。

(2)K0+331～K0+445段

采用樁基礎穿越地基承載力不滿足條件的段落,樁基礎進入中風化基巖,托梁頂部設置路堤墻支擋,樁基采用一排C30鋼筋混凝土灌注樁,樁徑1.5m,樁間距3.75m,采用正方形布樁,樁長8～14m,樁基數量共計31根。托梁高度1.5m,寬度為超出擋墻基底兩邊各0.5m,采用C35混凝土澆筑。如圖4所示。

圖4 樁基托梁式路肩墻(單位:cm)

為更好實現擋墻和托梁間的連接,擋墻底部優化為水平,二者之間通過直徑32mm的HRB400鋼筋進行連接,預埋鋼筋進入擋土墻和托梁各1.0m。

4.2 結構分析計算

(1)計算參數(表1)

表1 地層巖土物理力學計算參數表

(2)計算方法及結果

綜合考慮到當前樁基托梁式擋土墻受力計算研究現狀及工程界計算經驗,文章將樁基托梁式擋墻分解為擋墻和樁基進行設計計算。上部擋墻參照《公路擋土墻設計與施工技術細則》[8]按通常擋墻計算方法計算即可。路肩處適當考慮了部分行車荷載(30kPa分布荷載,作用范圍為路基橫向3.5m)。

上部擋墻受力計算模型如圖5所示。采用庫侖土壓力理論,忽略路基填土黏聚力。對于多段墻背擋墻,按超載疊加法計算出各段墻背上的主動土壓力和作用點,然后通過靜力平衡可得到墻底受到水平反力T、豎向反力N和彎矩M,從而也就得到了下部樁基樁頂所受荷載。

圖5 擋墻計算模型示意圖

樁基主要對上部擋墻、托梁的豎向力和自身重力進行支撐,并對后部坡體主動土壓力、承臺傳遞的水平力或坡體的整體下滑力進行支擋,樁基可按單排樁高承臺樁基進行計算。針對文中工況,樁基考慮承臺和擋墻重力,按照樁間距3.75m考慮單根樁承受的集中力。同時考慮樁基承受的擋墻土壓力傳遞的水平荷載,以驗算樁基抗彎能力,如圖6所示,可將計算得擋墻墻底荷載施加于樁頂,計算結果將偏于安全。

圖6 樁基計算模型示意圖

經計算,對于樁基托梁路堤墻段,取最不利斷面,單樁頂軸力為3558.75kN,樁身自重為197.9kN,單樁軸向受壓承載力容許值為:

[Ra]=0.5u∑qikli+Apqr

式中:qik為第i層土的摩阻力標準值,li為第i層土厚度,0.5u∑qikli為樁側總摩阻力容許值,計算得2789.7kN;Ap為樁端截面積,qr為持力層承載力容許值,Apqr為樁端總承載力容許值,計算得1415.2kN,即[Ra]為4204.9kN,大于單樁軸力與樁身自重之和3756.7kN,安全系數為1.12。水平力驗算方面,按照180kN/m的水平力,考慮樁基抗彎性能,背側最大彎矩為6140.432 kN·m,最大剪力為1338.018 kN。設計樁體配筋箍筋采用HPB300鋼筋,箍筋400mm2/m,配置Φ10HPB300鋼筋,間距15cm,樁頭加密至10cm。主筋29800mm2,配置50Φ28鋼筋,主筋面積30772 mm2,可滿足要求。

5 結語

公路工程建設過程中,常面臨用地受限或在高陡地區施工的情況,當采用高支擋構筑物時又可能面臨基底土體地基承載力不足的問題。此時可采用樁基托梁式擋土墻進行支擋設計。樁基托梁式擋土墻采用樁基對地基進行增強加固,布置托梁連接上部擋墻并進行荷載傳遞,很好地解決了高支擋結構高承載力要求與地基土體承載力不足之間的矛盾。

樁基托梁式擋土墻作為一種新型工程形式,由于其自身結構優越性,已在當今工程建設中得到廣泛的應用。文章依托于八盤嶺隧道左線改建工程,對樁基托梁式擋土墻的設計思想和計算分析方法做了詳細介紹,以期對類似場地支擋設計提供參考。