桩基托梁挡土墙在高速公路沿河路堤支挡工程中的应用

姚 广

（山西省交通科技研发有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概况

某高速公路位于滇东北构造侵蚀中低山区，为省际间连接主要城市的快速干线公路，采用双向四车道高速公路设计标准，设计速度80 km/h，路基宽度24.5 m，分离式路基宽度12.25 m，汽车荷载公路-I级。

K146+532—K147+003路段为半填半挖路基，总长471 m，最大填土高度35 m。由于原地面线坡率较大，填方路堤稳定性难以保证，且路堤边坡受河水冲刷严重，增加路基不安全因素。由于所处地形环境的特殊性，该段路基需要增加防护措施，以保证陡坡路堤在行车荷载以及水流冲刷下的整体稳定性。

2 工程地质条件

2.1 地形、地貌

该路段位于高原与盆地的结合部，地势西南高、东北低，处于浅切割构造剥蚀低中山侵蚀地貌区，山高谷深。地区地表水流以侵蚀作用为主，山顶浑圆，垄状起伏，相对高差300～500 m，坡度30°～60°，沟谷呈“U”型，两侧谷坡岩溶形态为砍痕状及条带状溶痕及溶沟、溶谷、溶洞，局部见小型岩溶洼地、溶蚀漏斗等。

2.2 气象、水文

该路段线路区区域属于亚热带、暖温带共存的高原季风立体气候区域。冬春季寒冷而干燥，夏无酷暑。干湿季明显，每年降水多集中在6—10月，每年11月到次年5月为干季，降水量和地表、地下水源显著减少，每年3—5月往往有春旱发生。

线路区河流属于长江水系，具有典型的山区河流特点。降水是径流的主要来源，区域内地表水和地下水较为丰富，大小直流河水终年长流不断。洪水多由暴雨形成，大洪水多发生在6—9月，尤以7月、8月为甚，最大流量1 560 m3/s，最小流量8.53 m3/s。

2.3 地层岩性

该路段路线范围内主要分布第四系冲洪积（Q4al+pl）层、坡残积层（Q4dl+el）层、崩坡积层（Q4c+dl），其下为泥盆系中统（D2）、泥盆系下统（D1）、志留系上统菜地湾组（S3）、志留系中统大路寨组及嘶风崖组（S2）地层。

2.4 项目地质水文环境特点

该路段存在的不良地质作用主要为不稳定斜坡。受附近大断裂及新构造运动控制，该段河谷切割较深，山高坡陡，岩层浅埋，风化强烈，岩体较破碎-破碎。因暴雨、河流冲刷等外力影响，易引起局部边坡滑移、路基沉降等。该路段沿线区域夏季暴雨多，山洪急，河流水位变化幅度大。

表1 项目区域地层岩性表

由于岩石的裸露，渗透力较弱，坡度较陡，回流时间很短，河槽不但较深并且狭长，汛期流量过程变化较多，尤其是在强降雨天气或长时间连续降雨天气，洪水量的暴涨，使得周围环境陡涨陡落，河水冲刷破坏力及其严重。

沿河路堤填方部分段落压缩了河床泄洪断面，在雨季洪水流量较大时，水位较高，水流速度较快，可能造成路基冲刷后的崩塌，产生缺口，严重时会将路基冲毁，造成严重的后果。这些都是此项目沿河路堤防护过程中亟需解决的问题。

3 方案比选

综合该路段的工程地质条件因素，拟定桩板墙支撑路基、半桥半路基和重力式挡土墙支撑路基3个方案来进行处理。桩板墙支挡结构受汽车荷载的影响，结构受力性能没有衡重式挡土墙好，长期安全性能较差，锚固较深，施工安全不易控制，施工进度也得不到保证；半山桥方案采用桥跨结构跨越陡坡段，造价高，不经济；重力式挡土墙方案施工方便，较为经济，选用重力式挡土墙作为推荐方案。

考虑到挡土墙沿河床布设，地下水位较高，受河流冲刷严重，地基承载力差，不适宜浇筑挡土墙基础，通常情况下，宜用大截面和在挡土墙底部换填并扩大挡土墙基础，但圬工体积较大，工程实施难度大，工程造价高。采用桩基托梁基础可以减少基础开挖量，将桩基置于稳定的岩层中，能够有效解决河流冲刷和地基松软造成的问题，保证坡体的安全稳定。

4 桩基挡土墙结构设计与计算

4.1 结构设计与参数选取

选用桩基托梁路堤挡土墙，该段路堤填土高度选用14 m，挡土墙选择浸水挡土墙。根据云南省山区高速公路建设技术指南《DB53T 827.1—2017》[1]，该区域挡土墙采用C25片石混凝土浇筑，具体结构图如图1所示。

图1 桩基托梁挡土墙结构横断面示意图

4.2 挡土墙设计计算

挡土墙的荷载主要有挡土墙结构本身自重以及墙后土压力的主要荷载，冻融区的冻胀以及浸水挡土墙的静水压力和动水压力的附加荷载，地震、洪水泥石流冲击的特殊荷载等。本设计中桩基挡土墙结构按极限承载能力设计，受力采用荷载效应的基本组合进行计算。

挡土墙土压力采用库伦土压力理论计算最不利工况下的土压力。由于挡墙下部有承台与桩基础，挡土墙的稳定性可以得到保证，挡土墙设计只需要进行挡墙截面剪应力、压应力和拉应力验算，保证其不得超过挡土墙材料抗力设计值。设计中采用理正岩土设计软件进行挡墙设计计算。挡土墙计算模型如图2所示，挡墙高度以及尺寸计算结果如表2所示。

图2 挡土墙计算模型

表2 仰斜式路堤挡土墙标准尺寸（浸水路段h=14 m）

4.3 承台计算

根据相关工程经验及项目实际，本设计中承台尺寸采用10 m×5.7 m，厚度采用1.5 m。

图3 承台与桩基设计尺寸（单位：cm）

承台计算按照悬臂式承台的简支梁类型计算，桩基础全部承受来自上部结构的竖向和水平荷载，地基岩土体对承台的作用力可以视为零。

图4 作用在悬臂式承台上的外力分布图

其中，q为上部结构作用于悬臂式承台横向的均布荷载；N为上部结构作用于悬臂式承台竖直方向上的集中荷载；Ex为上部结构作用于悬臂式承台的水平侧向荷载；M为上部结构作用于悬臂式承台的弯矩，其大小为单位弯矩乘以承台在桩基础上的跨径。

图5 悬臂式承台简支梁内力计算图

通过计算，悬臂式承台简支梁竖直面内力计算公式如下：

式中：M0为承台在外荷载作用下桩基础的弯矩；Mz为承台在承台一跨上中间的弯矩；Q0为承台桩基础处的剪力；Q1为承台上一跨中得到的最大剪力。

悬臂式承台简支梁水平面内力计算公式如下：

经计算，本设计中承台支座位置最大负弯矩M0=3 965.43 kN，托梁下部双向主钢筋配置为HRB400，φ22，间距200 mm，可以满足设计要求。

4.4 桩基验算

根据地勘钻孔资料，本段河床湿软层厚度为4.5～5.5 m，以下为强 -中风化基岩层，承载力2 000 kPa。本设计中采用单排桩，设计桩长为6 m，桩基尺寸为1.5 m×2 m。

桩基挡土墙结构工作性能的发挥取决于桩基础的强度、刚度和稳定性。假设承台与周围岩土之间的作用可以忽略不计，桩基础顶部主要承受来自承台以上土体作用时产生的竖向压力和各个方向的水平侧向荷载，则由承台设计计算可知悬臂式承台下桩基础竖向荷载为N，水平荷载为Ex，弯矩为M+Ex。

本路段桩基托梁挡土墙的桩基础周围的接触介质为土体，桩基础的变形与受力均沿桩身均匀变化。因为桩基础在均匀土体中，保持整体形状不改变，桩基础在外荷载作用下，竖向位移变化较小，不计入整体计算中。只考虑水平荷载下的水平位移和外部弯矩作用下的角位移，桩基础沿桩身方向的方程可以表示为[2]：

式中：E为桩基础的弹性模量；I为桩基础的截面惯性矩：C为弹性地基系数；Bp为桩基础的平面几何尺寸；y为任意点距桩基础顶面的距离；xy为任意点在竖向距离为y时的水平位移。

本路段桩基础基本处于性质变化不大的土体中，C为常数。由数学方法求解方程，将桩基础底端部产生的位移视为零，在该处桩基础会发生变形时，满足 xh=0，φh=0，Mh≠0,Qh≠0，则桩顶处的位移 x0和转角φ0为：

经计算当采用两根桩，桩间距为5.5 m，桩基最大弯矩M=4 014 kN/m，最大剪力1 855 kN。根据需要可在桩基受拉侧配置10束由3根φ28钢筋组成钢束即可，受压侧配置构造钢筋。

5 施工注意

为保证桩基挡土墙的施工质量，需要注意以下几点：

a）桩基挡土墙在施工线对地基要进行夯实处理。

b）桩基的施工应采取可靠的护臂措施，隔桩施工，防止窜孔。

c）托梁浇筑之后应在顶面抛掷石块，增大挡土墙与托梁之间的摩擦系数。

d）托梁浇筑应保证一次性浇筑完成，预埋冷却管。

e）挡土墙墙背填土及上部放坡均采用分层碾压，填方材料采用全风化砂岩，要求填料最小强度CBR值不小于4%，压实系数不小于0.94。

6 结语

桩基挡土墙是一种重要的支挡构造物，扩大了一般圬工式挡土墙的使用范围，解决了挡土墙结构基础承载力较低的问题。本项目沿河路堤的支挡工程中采用了桩基挡土墙，有效地解决了陡坡路基边坡失稳、河流冲刷和地基松软的问题，可为今后类似工程提供参考。