桩-扶壁组合式挡土墙的设计与应用

何俊龙， 刘育新

(西安市政设计研究院有限公司, 陕西 西安 700068)

0 引言

随着城市不断发展，对地块的需求不断上升，往往需要在沟道、山坡等复杂地段修建道路，通常会涉及到挡墙结构。常用的填方段挡墙有重力式、扶壁式、桩板式、加筋土等，各类挡土墙均有各自的适用条件，具体设计中应综合考虑地基承载力、填方高度、施工难易度、经济性、耐久性等因素，选择合适的挡墙形式。

对于填方高度大于12m的路段，多采用扶壁式挡墙，其具有占地面积小、稳定性好、造价低、施工质量有保证等优点。但是当地基为素填土且承载力较低时，需要对地基进行处理，处理难度大且费用高。本文采用桩-扶壁组合式挡土墙，上部为扶壁结构，能够有效地减小结构尺寸，降低造价；下部为桩基础，可有效解决地基承载力低、侧向变形大、工后沉降大、整体稳定性差等问题。该形式挡墙综合了桩基础与扶壁式挡墙的优点，适用于填方高度大、地基承载力低的位置，是一种应用范围广的组合式支挡结构。

1 工程概况

某新建道路路基填方高度最大为12m，地勘报告显示，项目场地地层主要由素填土、第四系上更新统冲积粉质粘土、粉土、细砂、粗砂、卵石层构成，地层土参数见表1。其中素填土主要以粘性土为主，含少量碎石块和建筑垃圾，土质不均匀，呈松散状态，工程性能差，层厚8～15m。

表1 场地地层土参数表kPa参数承载力基本容许值fa0桩侧摩阻力标准值qik① 素填土12018② 粉土18035③ 卵石700160③ 细砂26035④ 粗砂40075④ 卵石500150④ 粉土20035⑤ 卵石800165⑥ 粗砂50090⑦ 粗砂900220

本项目素填土较厚、填土较高，而地基容许承载力仅为120kPa，同时表层素填土孔隙率以及含水量较高，结合本地区工程经验，若采用碎石桩对基础进行处理，处理后地基承载力最大为200kPa，不能满足挡墙的设计要求。综合上述因素，本工程采用桩-扶壁组合式挡墙。

2 挡土墙的设计

2.1 结构组成

采用一级桩基础与扶壁组合式挡墙，由桩基础、承台、墙面板、肋板、防撞护栏等组成。挡墙高度12m，标准节段长度为14m，墙顶道路布置为3m人行道和18 m行车道(见图1)。

a) 立面图

2.1.1扶壁结构

扶壁结构采用C35混凝土，墙面板厚0.6m，高10m，肋板厚1m，底宽3.1m，顶宽0.5m，纵向中心间距5.25m；墙面板背4m范围内填料采用透水性较好的天然砂砾，填料最大粒径不超过15cm，内摩擦角不低于30°，压实度不低于95%；墙面板泄水孔采用φ10cm PVC泄水管，孔距2m，呈梅花形布置，最下层距地面高0.5m，纵坡5%；挡墙底部至墙顶以下0.5m范围内，泄水管进水口处设置30cm宽级配碎石反滤层。

2.1.2基础

承台与桩基采用C30混凝土，为了节约造价，承台采用工字形，厚度2m，长14m，宽5.2m，底部连接6根直径1.2m钻孔灌注桩，前、后排桩基沿道路纵向间距5.25m，横向间距3m，桩长28m，桩底进入⑤卵石层。

2.2 土压力计算

挡土墙采用锚定板挡墙的形式，钢筋使用HRB400，土压力主要计算参数见表2。

2.2.1汽车荷载、人群荷载换算土层厚度

2.2.1.1 汽车荷载换算土层厚度

墙背填土有车辆荷载作用时，土体中产生附加竖向应力，从而产生附加侧向压力。土压力计算中，通常将车辆荷载换算成与墙后填土相同重度的一定宽度和高度的土柱h(均布荷载)来计算。换算方法有以下2种。

表2 土压力主要计算参数混凝土重度γt/(kN·m-3)结构安全等级汽车荷载等级结构重要系数γ0桩径/m填料重度γ/(kN·m-3)填料内摩擦角/(°)填料与墙背摩擦角/(°)肋板间距/m挡墙分段长度/m挡墙高度/m26一级城-A级1.11.2183017.55.251412

1) 方法1。文献[2]附录H第11条规定：

(1)

式中：h0车为换算土层厚度，m；q为车辆荷载附加荷载强度，墙高小于2m时，取20kN/m2；墙高大于10m时，取10kN/m2；墙高在2～10m之间时，用直线内插法计算；γ为墙背填土重度。

按照式(1)汽车荷载换算土层厚度h0车=0.556m。

2) 方法2。文献[4]第4.3.4条规定，汽车荷载在挡土墙墙后填土的破坏棱体上引起的侧向土压力，可按下列公式换算成等代均布土层厚度h计算：

(2)

l0=(H+a)tanθ+Htanα-b

(3)

B=B0+(H+2a)tan 30°

(4)

式中： ∑G表示在B×l0面积内车轮的总重力，kN；l0表示墙后填土破坏棱体长度，m；B表示挡墙的计算长度,m；B0表示前后轮距加轮胎着地长度，公路规范取13m，城市规范取18.25m；H为挡土墙高度,m；θ为破裂角，°；a为路肩高,m；b为路肩宽，m；α为挡土墙背与竖直面的夹角,°。

按式(2)～(4)汽车荷载换算土层厚度h0车=0.539m。

通过对上述2种方法进行试算发现：① 按方法2计算的换算土层厚度略小于方法1计算值；② 当挡墙高度大于10m时，2种方法计算的数值差异较小；当挡墙高度小于10m时，方法1中计算值相对偏大，随着高度的递减，二者之间的差值越大。偏保守设计时，可统一采用方法1进行计算。

2.2.1.2 人群荷载换算土层厚度

人群荷载在挡土墙墙后填土引起的附加土体侧压力，可按式(5)换算成等代均布土层厚度h：

(5)

文献[1]第4.2.6条规定：作用于挡土墙墙后填土上的人群荷载标准值qr为3kN/m2，城市人口密集区可取上述规定值的1.15倍；文献[2]附录H第11条规定：作用于挡土墙墙后填土上的人群荷载标准值qr为3kN/m2。本工程位于城市人口密集区，按照文献[1]取值，qr=3.45kN/m2，人群荷载换算土层厚度h0人=0.191m。

2.2.2填土土压力

扶壁结构土压力按文献[1]附录A的规定计算，验算地基承载力、外部稳定性、底板正截面抗弯承载力。当墙后填土破坏棱体符合不出现第二破裂面的条件时，可将立壁顶面后缘与后踵板板端下缘的连线作为假象墙背计算土压力；当符合出现第二破裂面的条件时，以第二破裂面为墙背计算土压力。当计算立壁正截面抗弯承载力时，可按实际墙背计算土压力，不考虑墙背与填料之间的摩擦力。

2.3 扶壁结构设计

根据文献[1]第8.3.6条规定，立壁板为固结在肋板及底板上的三向固结板构件，可简化为按竖直方向、水平方向分别计算。作用于立壁上的土压力可按以下方法进行简化：

1) 立壁板上的荷载仅计入墙后主动土压力的水平分力，可不计立壁板的自重、墙后土压力的竖向分力、墙前被动土压力等。

2) 作用于立壁板上的替代水平土压应力简化为梯形分布，如图2所示。

图2 立壁板替代水平土压应力图

3)肋板可按锚固在底板上的T形截面悬臂梁计算，立壁板为梁截面的翼缘板，肋板为腹板，可根据文献[1]第8.3.9条规定简化计算。

本工程立壁板厚0.6m，水平与竖向均设置φ20mm钢筋，间距15cm；肋板根部宽1m，高4.2m，翼缘板宽5.25m，翼缘板厚0.6m，外表面设置2排φ28mm钢筋，共16根。扶壁结构计算结果见表3。

表3 扶壁强度验算结果板号最大弯矩/(kN·m)最大剪力/kN抗弯承载力/kN抗剪承载力/kN最大裂缝/mm立壁板10681.83835470.12肋板6 8142 023.013 1152 8840.16

由表3可知，扶壁结构的承载力满足规范要求。

2.4 桩基础设计

2.4.1桩基强度

将扶壁结构的受力换算到作用于承台底部中心处的竖向力N、水平剪力Q及弯矩M，按照水平受荷群桩理论计算桩基在N、Q、M作用下的变形和受力性状，计算简图如图3所示。

图3 桩基受力计算简图

1延米长度挡土墙受力计算结果如下： ① 扶壁结构所受土压力Ea=576.5 kN ，Ex=357.4 kN ，Ey=452.5 kN ，距离承台底中心：竖向距离Zy=4.05 m、水平距离Zx=1.385 m；② 扶壁结构以及承台自重G1=410kN，距离承台底中心水平距离W1x=-0.476m；③ 墙踵上的土重G2=270kN，距离承台底中心水平距离W2x=0m；④ 墙趾板上的土重G3=9kN，距离承台底中心水平距离W3x=-2.1m。

L=14m承台底中心位置：竖向力N=15981kN，弯矩M=-144856kN·m(顺时针为正)，水平剪力Q=-5003kN(向右为正)。采用MIDAS CIVIL软件建立挡墙基础模型，考虑桩土间效应，按照m法对桩基受力进行分析，计算模型如图4所示，桩基效应计算结果见表4。

图4 基础计算模型

按照偏心受压构件进行计算，桩顶10m范围内设置52根φ32mm钢筋，抗压承载力15300kN >5143kN，抗剪承载力1858kN>834kN，最大裂缝为0.05mm<0.2mm[4]，桩身承载力满足要求。

表4 桩顶位移和内力计算结果桩顶水平位移/mm桩顶竖位移/mm桩顶旋转角/mrad桩顶弯矩/(kN·m)桩顶水平力/kN桩顶最大轴力/kN桩顶最小轴力/kN821.2-130 58345 143184 注: 水平位移向左为正,竖直位移向下为正,转角位移逆时针为正。

2.4.2抗滑移验算

由于填土处于欠固结状态，不考虑土体与基底的摩擦力，基底抗滑由桩基承担，需满足式(6)要求：

(6)

式中: ∑Q为桩基础提供的抗剪力之和，kN；Eax为基底水平推力，kN。

计算可得： ∑Q为11148kN，基底水平推力为5003kN，抗滑移稳定系数为2.2>1.3，挡墙基底抗滑移满足要求。

2.4.3抗倾覆验算

对于墙趾点取距，桩基础挡土墙的抗倾覆验算按照式(7)验算：

(7)

式中:G为扶壁结构及上层覆土的自重；T1和T2为前、后排桩的抗拔力，保守计算可近似取桩顶竖向反力；Eax与Eay分别为土压力的水平及竖向分力，X0、XT1、XT2、Zax、Zay分别为各力对于墙趾点的力臂。

计算可得：倾覆力矩为20262.8kN·m，抗倾覆力矩为59868.9kN·m，抗倾覆稳定系数K为3.0>1.5，满足规范要求。

3 结论

基于扶壁挡墙和桩基础各自的设计理论，将桩-扶壁组合式挡墙划分为上部与下部两大单元：依据扶壁墙理论对上部进行计算，将上部受力换算至基础顶部，再依据桩基理论对下部进行计算。通过对工程实例的计算与分析，可以得出：桩-扶壁组合式挡土墙能够适用于填方高度大、地基承载力低的路基段，可有效控制挡墙基础沉降及侧向变形，具有良好的应用价值。