桩基托梁挡土墙在沿河道路中的应用及优化设计探讨

张朝明

(湖南省湘西公路桥梁建设有限公司，湖南吉首 416000)

1 工程概况

湖南省湘西自治州某公路项目位于湖南省湘西自治州境内，拟按双向六车道城市主干道标准建设，全长约6 km。

所建项目依山傍水，现状道路走廊宽约12 m，线路走廊带左侧为低山山前斜坡，右侧为沅水河，河流流向由南向北，山前斜坡大部分为第四系残坡积物覆盖。左侧山体地形标高一般为140～200 m，右侧河床标高约90 m。

为减少道路占用河道，道路临河侧采用路肩挡土墙结构。其中k6+800～k7+840段沿河侧路基标高平均为117.9 m，挡墙下地面标高(原道路下边坡)一般标高109.1 m，河床基岩(中风化粉砂岩)顶标高平均99 m，挡墙初拟墙高10 m。

经参建各方多次研究，挡墙形式选用施工便捷、质量稳定、开挖影响小的仰斜式挡土墙形式。设计按《国家建筑标准设计图集04J 008“挡土墙”》选定其挡墙尺寸，墙后填土内摩擦角φ取30°，基底摩擦系数μ取0.3。设计中针对该段挡土墙地质条件、地形条件等对挡墙基础进行了优化设计。见图1。

2 场地岩土工程地质条件

拟建公路沿线出露的地层主要有下古生界寒武系下统、上古生界二叠系下统及中生界白垩系下统和第四系残坡积层与人工填土。一般路段由上至下为:填筑土、粉土(细砂)、全风化粉砂岩、强风化粉砂岩、中风化粉砂岩。其中填筑土层中含大量粉砂岩块石，红褐色，块石直径一般为10～28 cm，最大达1～2 m，块石含量约40% ～60%。

根据对场地各主要土层进行的标准贯入试验和重型动力触探试验，主要土层室内试验成果及原位测试成统计见表1。

线路沿线地震动峰值加速度0.05g，地震动反应谱特征周期为0.35 s，地震烈度为6度，构筑物只考虑抗震构造，计算不考虑地震作用。

图1 方案示意图(单位:cm)

表1 主要岩土层物理力学性质指标推荐值

3 结构与基础优化

3.1 结构与基础优化主要考虑的因素

1)由于原地面填筑土、粉质粘土等承载力达不到挡墙基础所要求的承载力，且层厚较大，基岩埋置较深，需对基础进行处理。

2)若采用换填、扩大基础等方案，由于原土在层厚约8 m范围内承载力仅120～140 kPa，处理十分困难，软弱下卧层所引起的工后沉降难以控制，且挡墙高度太大，十分不经济。因此初步拟定采用桩基托梁(承台)挡土墙。不同类型的桩基可提供的承载力、抗剪能力、对地形的适应能力、施工的便利性不同，设计中对粉喷桩、松木桩、微型钢管桩、预应力管桩、钻孔灌注桩等几种形式进行了初步比较，并对其中部分桩基形式进行了深入计算比选。

3.2 土压力计算及承载力要求

按《国家建筑标准设计图集04J 008“挡土墙”》选定仰斜式挡墙尺寸，按挡土墙有关土力学计算，荷载结果如表2。

表2 土压力及地基应力计算表

可知基础承载力达不到要求，需进行基础处理。

3.3 桩基础方案比选

1)对各种桩基形式进行初步比选(表3)，再进行细部验算与技术经济比较。

表3 挡土墙桩基形式初步比选表

从以上初步定性分析可知，粉喷桩、松木桩等经济性较好，但对于含块石地基的沿河路基，施工困难，受地下水影响较大，不适于本项目。以下对其他三种桩基进行分析，确定其桩距、桩径等，并在此基础上做进一步经济性比选。

3.4 桩基础方案比选

3.4.1 主要依据

桩基设计主要依据《建筑桩基技术规范》(JGJ94—2008)、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JGJD63—2007)及所列参考文献等进行。

3.4.2 设计条件

根据建筑规模、功能特征、桩基特点和施工条件等，拟定设计条件如下:

设计等级:乙级;长径比:大于50，按要求进行局部压屈验算;抗震等级6度，计算中不考虑地震力作用;采用套管护壁法成孔，按干作业非挤土小直径钻孔灌注桩设计;桩端进入基岩，嵌岩深度H与桩径D之比约15～20，大部分荷载由嵌岩段承担，属摩擦端承桩。环境级别:二(b)类(干湿交替环境)。

3.4.3 基本计算参数

见表4。

3.4.4 基桩竖向承载力

按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)，本项目中桩基属于摩擦端承桩，且下部土部分位于常水位中，不宜考虑土体竖向承载力，因此基桩复合承载力特征值取单桩竖向承载力特征值。

按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)及上文中有关参数进行竖向承载力计算，见表5，详细计算过程略。

表4 挡土墙桩基设计基本参数与初定尺寸一览表

表5 挡墙桩基竖向承载力设计成果分析表

3.4.5 基桩水平承载力

按《建筑桩基技术规范》(JGJ 94—2008)附录C，考虑承台(包括地下墙体)、基桩协同工作和土的弹性抗力作用，用m法对桩基、桩身水平荷载及承载力进行验算。以下以微型钢管桩为例。见表6。

表6 挡墙桩基水平承载力计算表

续表6 挡墙桩基水平承载力计算表

从以上计算可以看出，水平力共计281.96 kN中，由承台底、承台侧承担的水平力分别为246.51 kN、34.9 kN，而桩基所承受的水平力仅占很小的比例。说明在桩、土、承台的共同受力体系中，微型桩基承担部分竖向荷载，而承台(与挡土墙连为整体)承担了大部分水平推力，受力合理。

对钻孔灌注桩与预制管桩进行分析，水平承载力也能满足要求。因此设计中控制桩数、桩距的是竖向荷载，表5中拟定的桩距、桩径合理可行。

3.4.6 相关计算

在完成以上计算后，对桩基抗剪承载力、抗弯承载力等进行进一步验算，以微型钢管桩为例，抗剪承载力按不同规范中计算方法，分别为199.7 kN、230.2 kN;抗弯承载力参考配筋混凝土模式进行折减，承载力约9.7 kN·m，均大于对应荷载。各类桩基对应承台形式进行分别设计，本文中未再详述。

3.4.7 造价估算比选

在有关估算指标、市场信息价等基础上，拟定各类桩基及承台的综合单价，对以上设计方案进行造价估算比选。本挡墙工程全长40 m，承台底宽4.3 m，平均桩长10.3 m。

表7中可以看出，以预应力管桩经济性最好。

表7 各桩基方案造价估算表

4 结束语

沿河道路中往往不能占用河道，需要建设挡土墙。而沿河地质条件往往不理想，本项目中承载力在140 kPa以下土深度近10 m，基本上只能考虑设计桩基托梁挡土墙。本文中对几种主要桩基类型进行了比选，从各类桩基的环境适应性、施工可行性、安全性、经济性、受力合理性等方面进行了全方位比较，结论供有关工程人员参考。