震区公路桩基托梁设计及应用

李德心, 程　建, 李军歌, 薛　垚

(四川省交通运输厅交通勘察设计研究院， 四川成都 610000)

四川省“十三五”综合交通运输发展规划明确了公路完成4 800亿元的目标，到2020年，基本建成现代综合交通运输体系，建成西部综合交通枢纽。四川处于山地丘陵区，高填方边坡和陡坡路堤经常在公路建设中遇到，在浸水、陡坡、地层稳定性较差的情况下，可考虑采用桩基托梁挡土墙。

1　桩基托梁设计思路

桩基托梁挡土墙是挡土墙与桩由托梁连接，将挡土墙传来的荷载通过托梁传递给桩，桩通过桩周围土的摩阻力及桩端土的支撑力，把荷载传递到地基中。

(1)进行边坡稳定性分析，初拟挡墙尺寸，验算墙身自身倾覆稳定性和挡土墙土压力，拟定托梁尺寸，再计算托梁外力，算出传递到托梁上的每延米竖向力、水平推力和弯矩，然后计算托梁的内力，按照简支梁计算支座和跨中弯矩、最大剪力，按弹性地基梁(基本假定为桩身任一点处岩土的抗力与该点的位移成正比)计算，结合托梁自重分布荷载。托梁内力不考虑梁底面土体对梁体的弹性地基梁支撑作用，模型采用支端悬出的简支梁。

(2)拟定桩的尺寸和桩间距，不考虑梁底的支承和摩擦，将挡土墙墙底合力与托梁自重换算到托梁底面传至桩顶，按弹性地基梁，地基弹性抗力系数采用m法(认为地基系数是随深度而变化，比例系数以m表示)，根据挠曲微分方程和桩底约束条件，算出桩身内力和变位，校核验算桩土反力是否超过容许值，调整桩基尺寸、埋深、间距，重新验算直至通过，根据桩身弯矩、剪力图，按照基本组合计算荷载效应(设计弯矩和设计剪力)，进行桩身结构配筋设计。

2　工程概况

本工点位于国道108线K2443+435～K2443+514段路基变形体位于荥经县荥河乡冯家村，路基填筑于陡坡中部，外侧为荥河。为减少河岸冲刷，增加路堤稳定性，采用桩基托梁挡土墙。路基范围内地层上部为人工填土，其下为崩坡积层的碎石土，松散～稍密状，承载力较低，下伏须家河组的砂岩、粉砂质泥岩、炭质泥岩，薄～中厚层状构造。原公路为半填半挖路基，挡墙已有沉降、开裂变形，路面已拉裂，加之受“4·20”芦山强烈地震影响，路面已形成贯通裂缝，裂缝长约57 m，平均宽约10 cm，公路内侧边坡为陡崖，边坡基岩裸露，节理、裂隙发育，时有崩塌、碎落发生，砸向路面，严重影响公路的安全运营(图1)。

图1　路基变形

3　方案设计与分析

针对变形路基所在边坡，采用极限平衡法进行稳定性的定量分析。得出仅在暴雨工况条件下，该边坡局部浅表层有滑动变形的风险。

3.1　方案设计

对内侧边坡采取挂主动网防护，防护区域为基岩裸露、节理裂隙发育区域，主要位于边坡中上部。对原变形路基进行挖除换填，换填料采用砂卵砾石土。路面下2.0 m位置加铺一层5 cm厚高强土工格室，施工时须分层填筑分层碾压，其压实度必须满足规范要求。拟于靠荥经端设9.0 m长衡重式路肩墙，于靠泗坪端设66.0 m长桩基托梁挡土墙， 1～10号桩桩顶托梁长10 m，11～13号桩桩托梁长16.0 m，托梁式挡土墙为衡重式挡土墙，具体结构形式如图2所示。

图2　桩基托梁结构形式(单位:cm)

3.2　受力分析

3.2.1衡重式挡土墙土压力计算

本项目采用的挡墙尺寸：墙顶宽0.5 m，墙面坡度1∶0.05，上墙背坡度1∶0.4，下墙背坡度1∶0.25，上墙高2.1 m，下墙高3.6 m，墙趾高0.6 m，墙趾宽0.3 m。此次计算为了便于结构的设计取消原基底坡度0.1∶1。挡土墙基底摩擦系数f=0.5，内摩擦角φ= 35°，填料容重：γ=21.0 kN/m3，墙身容重：γ=23.0 kN/m3，土压力计算式行车荷载按照2004年JTGD 30-2004《公路路基设计规范》规定采用10 kN/m2，其他荷载分项系数均按照规范要求取用:组合系数为1.0，挡土墙结构重力分项系数 = 1.000 ，填土重力分项系数=1.000，填土侧压力分项系数 = 1.4 ，车辆荷载引起的土侧压力分项系数 = 1.4。土压力计算采用“理正挡土墙设计程序”完成，其结果如下：

计算高度为 5.878 m处的库仑主动土压力。

无荷载时的破裂角：27.486°，计算上墙土压力，按假想墙背计算得到:

第1破裂角： 28.998°

Ea=39.733 kNEx=11.625 kNEy=37.995 kN作用点高度Zy=0.700 m

因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面存在：

第2破裂角：27.496° 第1破裂角=27.486°

Ea=27.172 kNEx=12.548 kNEy=24.101 kN作用点高度Zy=0.700 m

计算下墙土压力，无荷载时的破裂角: 35.154°

按力多边形法计算得到:破裂角： 35.154°

Ea=50.105 kNEx=50.014 kNEy=3.027 kN作用点高度Zy=1.591 m

墙身截面积=9.171 m2重量=210.927 kN

衡重台上填料重=29.701kN 重心坐标(1.287,-1.116)(相对于墙面坡上角点)

由此分析，采用第二破裂面法计算出挡墙所受的水平土压力合力为Eax= 12.548+50.014=62.562 kN/m。

3.2.2托梁外力计算

本文仅验算更为不利16 m的梁，托梁计算时，将其考虑为跨径16 m=(2.5+5.5+5.5+2.5) m的支端悬出的简支梁结构，其尺寸采用1.2 m×2.5 m，桩基设置于托梁形心位置。其延米荷载情况如下。

3.2.2.1竖向荷载计算

(1)第二破裂面与墙背间填料重:Wt=29.701 kN/m

(2)衡重式挡墙自重：W1=210.927 kN/m

(3)托梁自重：W2=75 kN/m

(4) 上墙土压力的竖向分力：Ey1=24.101 kN/m

(5) 下墙土压力的竖向分力：Ey2=3.027 kN/m

将各力简化到托梁地面中心位置(桩基础轴线位置)：

竖向力：N=29.701+210.927+75+24.101+3.027=342.75 kN/m

3.2.2.2水平荷载计算

(1)上墙土压力的水平分力：Ex1=12.548 kN

(2)下墙土压力的水平分力：Ex2=50.014 kN

将各力简化到托梁底面水平面位置(桩基础轴线位置)

水平力：F=12.548+50.014=62.56 kN/m

倾覆力矩= 124.616 kN·m抗倾覆力矩= 384.170 kN·m

3.2.2.3弯矩计算

将以上所有的力向托梁底面中心简化，求的弯矩如下(顺时针为正)

Mn=342.75×1.81/2+124.616-384.170=50.63 kN·m/m

3.2.3托梁内力计算

考虑到本项目梁底面覆盖层厚度较大(6 m)，且自身强度也比较小故在计算中不考虑梁底面土体对梁体的弹性地基梁支撑作用。模型采用(2.5+5.5+5.5+2.5) m跨径分布的支端悬出的简支梁，计算采用“理正结构工具箱”，其计算结果如图3所示。

图3　托梁受力简图

由此进行托梁结构配筋设计。

3.2.4桩顶外力计算

按照托梁计算模型，其支座处的竖向支反力即为桩竖向荷载。其外力计算如下：

(1) 弯矩：M=M×L/2=50.63×5=-253.15 kN·M

(2) 水平力：F=62.56×5=312.8 kN

(3)竖向力：N=342.75×5=1713.75 kN

3.2.5桩内力计算

根据立面布置情况，本段共有桩13根，穿越地层均为两层，其力学指标如表1。

表1　地下土层力学指标

地基弹性抗力系数考虑采用m法计算，桩端铰支，其内力分析采用“理正岩土”进行计算，通过计算，桩基础采用人工挖孔方桩，间距2 m，桩采用2 m×1.5 m尺寸，参照2004年JTGD 30-2004《公路路基设计规范》中桩侧地基横向容许承载力的计算公式，满足容许抗力大于土反力(桩内力计算表略)。

4　结束语

本文结合工程实例，配合使用理正岩土和结构工具箱软件，简述了桩基托梁在震区公路边坡中的设计计算过程，多是在河岸冲刷、陡坡、稳定性差的覆盖层较厚情况下采用，实践表明，该类型挡土墙技术可靠，投资较省，值得在震区公路边坡支挡中进一步推广使用。