桩-扶壁组合式挡土墙在高填方路基中的应用

刘育新 何俊龙 郑亮

(西安市政设计研究院有限公司 700068)

引言

随着城市不断发展, 城市扩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, 对于填方段挡墙, 常用的有重力式、扶壁式、桩板式、加筋土等形式, 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, 该形式挡墙具有占地面积小、稳定性好、造价低、施工质量有保证等优点, 当场地地基为素填土且处理后承载力较低时, 为了解决挡墙基底承载力低、工后沉降大、侧向变形大、整体稳定性差等关键问题, 不得不需要对地基进行处理, 地基处理难度大且费用较高, 针对此问题, 本文结合实际工程采用一种桩-扶壁组合式挡土墙, 下部采用桩基础可有效解决地基承载力低、工后沉降大、整体稳定性差等问题, 避免了地基处理, 同时可有效控制挡墙的侧向变形, 上部采用扶壁结构, 能够有效地减小结构尺寸, 降低造价。该形式挡墙综合了桩基础与扶壁各自的优点, 能够解决挡墙填方高度大、地基承载力低等问题, 是一种应用范围广的组合式支挡结构。

1 工程概况

本项目位于某地区新建道路, 路基填方高度最大为12m, 根据地勘报告显示, 项目场地地层自上而下依次由素填土(Qml)、第四系上更新统冲积粉质粘土、粉土、细砂、粗砂、卵石层构成, 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, 以松散状态为主, 工程性能差, 层厚8m ～15m。各层场地土参数见表1。

表1 场地土参数Tab.1 Site soil parameter

结合本项目填方高度以及地质特点, 地基表层为8m ～15m 厚素填土, 基本容许承载力仅为120kPa, 同时由于场地土表层素填土孔隙率以及含水量较高, 并结合本地区工程经验, 若采用碎石桩对基础进行处理, 处理后最大地基承载力为200kPa, 不能满足挡墙的设计要求。综合上述因素, 本工程最终采用桩-扶壁组合式挡墙, 能够有效提高挡墙基础承载力低, 并兼顾解决挡墙的抗滑移及整体稳定性的问题, 具有强度高、变形小、耐久性好、占地小等优点。

2 桩-扶壁组合式挡土墙设计

2.1 总体设计

挡土墙采用一级桩基础与扶壁组合式挡墙,挡土墙高度H=12m, 标准节段长度L=14m。挡土墙由上部扶壁和下部基础组成。墙顶道路布置为3m 人行道+18m 行车道, 如图1 所示(注: 平面图中阴影部分为墙面板与肋板平面投影)。

1.上部扶壁

上部扶壁由墙面板、肋板组成, 采用C35 混凝土, 墙面板厚度0.6m, 高10m, 肋板厚度1m,底宽3.1m, 顶宽0.5m, 纵向中心间距5.25m,墙面板背后4m 范围内填料应采用透水性较好的天然砂砾, 要求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%, 墙面板泄水孔采用直径10cmPVC 泄水管, 孔距2m, 呈梅花形布置, 最下层距地面高0.5m, 纵坡5%,在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。

图1 标准节段挡墙布置(单位: m)Fig.1 Layout of standard segment retaining wall (unit: m)

2.下部基础

下部基础由承台和桩基组成, 均采用C30 混凝土, 承台高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 上部扶壁结构

上部扶壁由墙面板、肋板和底板组成, 墙面板等效为固结在肋板和承台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。

1.扶壁结构受力简化

参考《公路挡土墙设计与施工技术细则》(下文称为文献[1])第8.3.6 条规定, 作用于墙面板上的荷载仅计入墙后主动土压力的水平分力, 可不计墙面板的自重、墙后土压力的竖向分力、墙前被动土压力等。作用于墙面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 墙面板替代水平土压应力Fig.2 Wall panels replace horizontal soil pressure stress

图中H/4 ～3H/4 高度区段的替代水平土压应力σPJ=(σs+σD)/2, 其中σs、σD分别为墙面板顶面、底面的水平土压应力。

肋板可按锚固在承台上的T 形截面悬臂梁简化计算, 墙面板为梁截面的翼缘板, 肋板为腹板。

2.土压力计算

主要材料及计算参数见表2。

表2 主要材料及计算参数Tab.2 Main materials and calculation parameters

(1)汽车荷载、人群荷载换算土层

汽车荷载、人群荷载产生的侧向压力可按照换算土层来计算, 可参考文献[2]附录H 第11条规定或文献[4]第4.3.4 条规定进行计算。本工程挡墙高度H=12m 时,q车=10kN/m2, 汽车荷载换算土层厚度h0车=0.556m; 人群荷载换算土层厚度h0人=0.184m。

(2)填土土压力

扶壁结构土压力按照文献[1]附录A 的规定计算, 验算地基承载力、外部稳定、底板正截面抗弯承载力时, 当墙后填土破坏棱体符合不出现第二破裂面的条件时, 可将墙面板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; 当计算墙面板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。

3.扶壁结构计算结果

本工程墙面板厚0.6m, 水平与竖向均设置直径20mm 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 排直径28mm 钢筋, 共16 根。扶壁结构计算结果见表3。

表3 扶壁结构强度验算结果Tab.3 Results of structural strength checking of buttresses

由表3 计算可知, 扶壁结构的承载力满足规范要求。

2.3 下部桩基础

1.上部荷载转换

将上部扶壁结构的荷载转换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Fig.3 Simplified diagram of pile foundation force calculation

承台底中心位置处竖向力N=20013kN, 弯矩M= -6283kN·m(顺时针为正), 水平剪力Q= -5003kN(向右为正)。

2.有限元模型

本文采用Midas Civil 有限元软件对挡墙桩基础进行建模分析, 桩基与承台均采用杆单元模拟, 桩的单元长度取1m, 桩底固结,桩与土之间的水平向作用采用等代土弹簧来模拟, 忽略桩土间的竖向作用, 即将桩基等效为弹性地基梁进行受力计算。计算模型如图4 所示。

图4 下部基础有限元模型Fig.4 The finite element model of the lower foundation

3.桩基效应

(1)等代土弹簧刚度

等代土弹簧刚度是根据土体地基抗力系数的比例系数m来模拟, 双排桩排距在2d～5d范围内时, 桩之间的横向距离较小, 计算时需要考虑桩间土的作用, 《公路桥涵地基与基础设计规范》(下文简称为文献[7])与《建筑基坑支护技术规程》(下文简称为文献[8])分别规定了如何考虑桩间土的作用, 具体如下:

1)文献[7]附录L 中规定深度z处的地基水平向抗力系数C=mz(m的取值根据土的物性而定), 深度z位置处的等代土弹簧刚度, 其中地基抗力系数的比例系数m按照附录L 中表L.0.2-1 选取, 桩的计算宽度b按照附录L 中L.0.1 条规定计算, 计算公式L.0.1-3、4 中规定参数k(平行于水平力方向的桩间相互影响系数)来考虑多排桩间土的相互影响。

2)文献[8]第4.1.5 条规定了内侧土(前排桩)的水平反力系数k=m(z-h),z表示计算点距离底面的高度,h表示计算工况下的基坑开挖深度, 深度z位置处的等代土弹簧刚度, 其中地基抗力系数的比例系数m可按照文件[7]附录L中表L.0.2-1 选取, 桩的计算宽度b按照文献[8]第4.1.5 条规定计算, 依据4.12.3 条考虑桩间土的水平刚度系数, 即将前、后排桩之间采用等效弹簧连接以模拟桩间土的作用。

(2)计算结果

桩基效应计算结果见表4。由表4 可知, 文献[8]计算的结果比文献[7]更不利, 保守考虑,建议采用文献[8]的计算方法进行计算。

表4 桩顶位移和内力计算结果Tab.4 Calculation results of pile top displacement and internal force

4.地基水平承载力验算

桩周土体水平反力分布如图5 所示。

图5 桩周土体水平反力分布(单位: kN)Fig.5 Distribution of horizontal reaction force of soil around pile (unit: kN)

由计算可知, 桩顶以下H/3 ～H(桩长)范围内桩周土体最大反力为167.4kN, 水平压应力为84.3kPa。依据《铁路路基支挡结构设计规范》(TB10025—2019)第13.2.9-2 条对桩周土体的横向压应力进行验算, 结果显示地基横向容许承载力[σ]=601.6＞84.3kPa, 桩周地基土水平承载力满足要求。

5.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, 按式(1)验算:

6.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(2)验算:

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=59868.9/20262.8 =3.0＞1.5, 满足规范要求。

3 结语

扶壁与桩基础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支挡工程, 可有效控制挡墙基础沉降及侧向变形。在实际应用中, 桩基础与土体之间的传力模式复杂, 设计人员操作起来相对困难, 为此本文基于扶壁挡墙和群桩基础的设计理论, 将桩-扶壁组合式挡墙划分为上部和下部两部分, 上部采用扶壁挡墙的设计理论, 下部采用群桩的设计理论, 其中下部分析中采用等代土弹簧对桩-土作用进行模拟, 将桩基受力等效为弹性地基梁, 该方法更便于设计人员实际操作, 为类似工程提供参考。