桩基托梁扶壁式托盘支挡结构设计

赵青海 薛海洋 胡会星

(中铁二院工程集团有限责任公司， 成都 610031)

近20年来,我国高速铁路飞速发展，岩土工程支挡技术也发展迅速，支挡结构形式已从单纯依靠墙身自重平衡边坡土压力和滑坡下滑力的重力式挡土墙，发展为采用支撑、锚固等技术的多种新型、轻型支挡结构[1]。但在岩土工程技术不断更新的同时，生态环境及施工条件对岩土工程也提出了更高的要求，特别是对生态环境敏感区的半填半挖、顺河、滨河及跨河段工程。受地质、水文等因素的控制，高速铁路若以桥梁或隧道工程通过，极易导致工程投资大幅增加；若以路基通过，又极易因常规支挡工程收坡困难造成路基用地范围明显增大、对自然环境扰动过大或因地质、水文情况对工程安全性造成影响[2-3]，从而导致后期运营维护要求过高。在常规支挡结构(技术)难以满足工程相关要求的地段，亟需一种新型结构来解决面临的问题，本文创新性地提出了一种桩基托梁扶壁式托盘支挡结构[4]，并详细介绍了其结构设计方法。

与常规支挡结构[5]相比，在对路基边坡进行收坡及加固时，桩基托梁扶壁式托盘支挡结构受地形、地质等条件的影响较小，能有效地解决由地面横坡较陡、地表承载力较低等因素造成的收坡困难或支挡结构高度过大等问题。另外，在受河水冲刷较大的滨河路基和水环境敏感区的跨河和顺河路基地段，常规路基支挡结构的工程实施风险较大，且难以满足环保要求，而本结构则可有效节约工程用地，减少工程投资，降低工程对环境的影响。

1 结构形式和适用范围

本文所述桩基托梁扶壁式托盘支挡结构主要由上部扶壁式托盘挡土墙、中部托梁和下部桩基三部分组成。上部扶壁式托盘挡土墙结构综合了扶壁式挡墙[1]、卸荷板-托盘式挡墙[6]的特点，在保证上部结构宽度和结构自身强度的前提下，最大程度地节约用地面积，减小土体开挖和回填的范围，有效降低支挡结构高度；中部托梁结构结合了桩基托梁的特点，在传递上部荷载的同时，可为上部结构提供抗滑移的作用；下部桩基将上部荷载传递至持力层。桩基托梁扶壁式托盘结构形式如图1所示。半幅式桩基托梁扶壁式托盘结构主要应用于陡坡路基、滨河路基；整幅式桩基托梁扶壁式托盘结构主要应用于陡坡路基、滨河路基、顺河路基、跨河路基。

2 结构设计流程及理论计算

2.1 设计流程

桩基托梁扶壁式托盘支挡结构设计流程如图2所示。

图2 桩基托梁扶壁式托盘支挡结构设计流程图

2.2 理论计算

(1)初步拟定墙身截面尺寸

根据线路中线位置、路基面宽度、路基设计标高、水文情况确定墙高，挑檐结构厚度一般为0.2～0.5 m；墙面坡率采用1∶0.2～1∶0.5，墙背1/2H～2/3H处坡率与墙面坡率相同，墙背倒角坡率采用1∶1～1∶1.5，踵板设置2%横坡向线路外侧倾斜，整幅式托盘挡墙初步尺寸如图3所示。

图3 整幅式托盘挡墙初拟尺寸图

(2)扶壁式托盘挡墙荷载分析与计算

托盘挡墙结构受力特点与卸荷板-托盘式挡墙类似，主要受结构自重、车辆荷载、填土荷载、下部结构对其提供的承载力及其他结构物荷载等的作用。

外部荷载对托盘挑檐产生侧向压应力，对托盘踵板产生竖向压应力，此二者均可按弹性理论计算。填土产生的土压力可按库伦主动土压力计算：若不出现第二破裂面，填土水平，用踵板下缘与挑檐上边缘连线作为假想墙背；若踵板下缘与挑檐上边缘连线的倾角大于临界角，出现第二破裂面，则按第二破裂面理论计算公式计算。稳定计算时应计入第二破裂面与墙背之间的土体作用[6-9]。

(3)扶壁式托盘挡墙内力计算

①挑檐的内力

挑檐可考虑为固定在踵板上的悬臂梁。主要承受挑檐后部的主动土压力，不计墙背与土体的摩擦，且忽略挑檐自重，按受弯构件计算。不产生第二破裂面时，各截面的剪力、弯矩计算公式为：

(1)

(2)

产生第二破裂面时，计算公式为：

(3)

(4)

式中：Q1Z——距墙顶Z处挑檐的剪力；

M1Z——距墙顶Z处挑檐的弯矩；

Z——计算截面到墙顶的距离；

γ——填土重度；

Ka——主动土压力系数；

ρ——墙背倾角；

h0——列车活载的土柱换算高度。

②踵板的内力

踵板可考虑为以挑檐底端为固定端的悬臂梁。踵板上作用有第二破裂面(或假想墙背)与墙背之间土体(含其上的列车，汽车等活载)的重量，在踵板自重、主动土压力的竖直分量和地基反力等荷载作用下，各截面的剪力、弯矩计算公式为：

(5)

(6)

式中：Q2x——距踵板端部为Bx截面的剪力；

M2x——距踵板端部为Bx截面的的弯矩；

Bx——计算截面到墙踵的距离；

h1——踵板厚度；

H1——挑檐高度；

γk——钢筋混凝土重度；

σy1、σy2——墙趾、墙踵处的地基反力；

σ1、σ2——墙趾、墙踵处的地基反力；

B3——墙踵板长度；

B——墙底板长度。

(4)扶壁式托盘挡墙外部稳定性验算

按扶壁式挡土墙的检算方法，检算结构的抗倾覆、抗滑移和基底承载力情况，计算公式为：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Kc——抗滑移稳定系数；

K0——抗倾覆稳定系数；

∑N——作用与基底的总垂直应力；

∑Ex——水平土压力；

∑Mx——倾覆力系对墙趾的总力矩；

∑M0——稳定力系对墙趾的总力矩；

f——基底摩擦系数；

L——一幅扶壁式托盘长度；

σ1、σ2——分别为墙趾、墙踵处的应力；

e——墙底偏心距；

B——墙底长度。

(5)扶壁式托盘挡墙结构设计

上部结构设计时，挑梁、踵板和扶壁的内力计算均按悬臂梁考虑，正截面承载力、裂缝宽度等应满足文献[10]的相关要求。

①扶壁设计

扶壁按承受相邻两跨墙面板中点之间的全部水平土压力考虑，扶壁自重和作用于扶壁的竖直土压力可忽略不计，扶壁按悬臂T形梁计算[11]，将面板视为梁的翼缘，扶壁视为梁的腹板，计算公式为：

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：EZ——计算截面水平力；

MZ——计算截面总弯矩；

FH——肋板两侧水平拉力；

FW——肋板两侧竖向拉力；

σ0——列车、汽车活载的应力；

σZ——计算截面土压力应力；

σH——肋板两侧水平应力；

σW——肋板两侧竖直应力；

HZ——计算截面到墙顶的距离；

L——1幅扶壁式托盘长度；

L1——肋板净距。

②凸榫设计

为提高上部结构的抗滑稳定性，于踵板底部设置凸榫。凸榫高度应根据凸榫所能提供的满足全墙抗滑移要求的抗力而定，厚度除满足文献[12-13]的相关要求外，为便于施工，应不小于30 cm。

(6)托梁设计

上部结构设计完成后，计算作用于托梁上的各项荷载。托梁受力特点与桩基托梁相同[1]，一般可按连续梁设计或按支端悬出的简支梁设计。初步拟定托梁及桩基布置形式，确定计算模型后，计算托梁内部扰度、转角、弯矩和剪力情况。托梁钢筋混凝土结构设计应满足文献[10-11]的相关要求。

(7)桩基设计

桩基设计荷载即为托梁传递至桩基的轴向力、剪力和弯矩。计算时不考虑托梁底的支撑和摩擦，可认为上部结构的水平推力、竖直力及弯矩通过托梁全部传至桩顶。计算荷载确定后，根据初步拟定的桩基尺寸，将桩基简化为平面钢架，桩身自由段按悬臂桩计算其长度和内力，锚固段按弹性地基梁计算，确定桩截面尺寸、长度及桩间距。桩基结构设计，应满足文献[12-14]的相关要求。

3 结束语

(1)桩基托梁扶壁式托盘支挡结构主要包括扶壁式托盘挡墙、托梁和桩基三部分。

(2)在局部地面横坡较陡、地表承载力较低或是在受河水冲刷较大的滨河路基、水环境敏感区域的跨河和顺河路基等地段，采用桩基托梁扶壁式挡墙，能有效节约工程用地，减少工程投资，降低工程对环境的影响。

(3)本文提出的桩基托梁扶壁式托盘支挡结构设计流程和计算方法，可为今后工程设计提供参考。