某公路高填方路堤桩基托梁挡土墙的应用分析

■张宗燕

（武夷山市兴夷公路养护工程有限公司， 南平 353000）

高填方边坡设计一般有放坡法和支挡法两种方法， 较缓的边坡坡率可以有效增强边坡稳定性，但也明显增加边坡占地面积、对用地红线受限区域将无法实施； 高填方重力式支挡结构对基底要求高，对于地质条件复杂、软基等地基承载力不足工程条件下，重力式挡墙既不经济也不安全，特别是高挡墙更加不可取。 为解决地质条件复杂且用地受限的高填方公路工程的施工难题，边坡设计时可结合上述两种方法的优点，边坡上部采用放坡法提高工程经济性，下部采用支挡结构收缩边坡，减少用地范围， 并同时采用加筋土减小边坡不均匀沉降，提高工程安全性[1-3]。 本文依托某公路下边坡工程的治理实例，对边坡稳定性和桩基托梁挡土墙设计进行探讨。

1 工程概况

1.1 项目简介

本次道路工程位于建瓯市城东，是建瓯市东向联接省道204 的交通要道， 本次路段K2+050～K2+160路段左侧下边坡为工业园区， 标高为132.58～133.75 m；道路右侧台地为规划地块，现状为居民区，标高为156～157 m；拟建挡墙位置现状标高为132.95～134.28 m。 目前， 该台地东北向已建好挡墙长度为144 m，为满足本项目道路及规划用地需求，需回填路基至道路设计标高。 路基回填后，台地南侧会形成高填方边坡，回填最大高度约22 m，为避免占到工业园区地块，需要设置路堤挡墙支护回收坡脚。 本次设计挡墙支护长度为110 m。 项目平面图如图1 所示。

图1 项目平面图

1.2 工程地质条件

根据现场踏勘调查，边坡现状基本稳定。 综合判定拟建场地周边环境复杂程度较复杂。 场地内岩土层自上而下分述如下：①素填土（Qml）：本层在拟建场地内所有钻孔均有揭示， 揭露层厚3.10～8.40 m，工程地质性能差；②粉质粘土（Q4dl）：本层在拟建场地内除ZK3 孔外其它钻孔均有揭示，揭露层厚1.30～1.80 m，工程地质性能一般；③碎块状强风化砂岩（J1l）：该层场地内所有钻孔均有揭示，揭示厚度1.50～5.10 m，层面起伏较大，工程地质性能较好；④中风化砂岩（J1l）：该层场地内所有钻孔均有揭示，揭示厚度6.10～8.30 m，层面起伏不大，工程地质性能好。 地质剖面图如图2 所示。

图2 地质剖面图

2 边坡稳定性分析

根据现场的地形、地貌条件，取典型K2+090 填方断面作为计算剖面。 自重及本项目公路荷载是本次高填边坡滑体的主要作用力， 由于受暴雨的影响，使土体重量剧增并产生一定的水动力，土体的抗剪强度急剧下降， 土体的力学性质也完全改变；此外，填方地基上层为素填土，主要成分以粘性土为主，尚未完成自重固结，密实度及均匀性差，力学强度低， 揭露层平均厚度达7.5 m， 工程地质性能差，对边坡稳定性影响较大。

2.1 不同工况下计算参数的确定

路基填料采用碎石土，参数容重取18.8 kN/m3，C 值取18 kPa，Φ 值取25； 原台地填土为残坡积层和砂岩风化层， 参数容重取18.2 kN/m3，C 值取13 kPa，Φ 值取21。参考地质勘探报告，边坡计算参数选取如表1 所示。

表1 边坡土体计算参数

2.2 边坡稳定性计算

本次采用Geo-slope 边坡稳定性分析软件，根据表1 计算参数及公路荷载， 对K2+090 处典型断面按不同工况进行稳定分析，忽略地震荷载及地下水作用，得出非正常工况Fs=0.958<1.1，正常工况为Fs=1.033<1.2，正常工况计算简图如图3 所示。 由得出的结果可知，不同工况的安全系数均不符《公路路基设计规范》[4]的规定，边坡不稳定需采取加强方案。

图3 正常工况计算简图

3 边坡建设方案

在对边坡稳定性分析后得知，直接在原素填土上填筑边坡，不进行任何处理，将造成台地失稳及不均匀沉降。 根据工程用地 （下边坡离工业园区近）、建设方案（与前期挡墙的衔接等）和该边坡的形态特征，建议填方边坡下部采用重力式挡土墙进行支护；边坡上部按坡率1∶1.5 回填加筋土夯实，采用土钉加固、网格植草皮等坡面防护措施，并对素填土部分进行适当深度换填。 具体边坡建设方案如图4 所示。

图4 边坡建设方案

3.1 边坡上部

挡土墙墙顶以上填方采用加筋土填筑，筋材采用土工格栅，土工格栅具有一定刚度及较大抗拉强度，可以有效提高台地边坡整体稳定性。 土工格栅铺设从挡墙顶开始由下往上逐层铺设，每压实两层铺设一层，铺设层间距1 m；采用碎石土作为填料，且压实度应≥95%，坡顶3 m 范围内利用场地粘性土压实回填防止渗水。 填料粒径应＜20 cm，且不得带有尖锐棱角以防损坏土工筋带。 本工程使用的土工格栅为单向拉伸塑料土工格栅（GDL），技术指标如表2 所示。

表2 土工格栅技术指标要求

3.2 边坡下部

根据本次勘察成果可知设计挡土墙位置的岩土层分布情况，上部①素填土和②粉质粘土层承载力低，两土层总厚度达4.4～10.2 m，不能满足设计承载力要求； 下伏③强风化砂岩和④中风化砂岩，两层工程地质性能较好， 承载力可以满足设计要求，但埋深较大，不具备采用浅基础条件，且换填造价太高。 因此，可采用桩基础，以③强风化砂岩和④中风化砂岩为桩基础持力层。 并且，由于冲钻孔灌注桩抗弯、抗剪切能力较强，应优先选用。 总体而言，挡土墙高度H 不宜＞8 m，基础埋入持力层的深度不宜＜1 m，以增大被动土压力，防止挡土墙内移。挡土墙另设排水孔及反滤层，每10～20 m 设1 条变形缝， 墙背填料宜选用透水性且级配较好的碎石土、砂类土，墙底及素填土，边坡部分换填2 m 深片块石，进一步增强边坡及挡墙稳定性。

4 挡墙验算

桩基托梁挡土墙主要用于解决地基承载力较低的矛盾，目前多依靠实践经验进行桩基托梁挡土墙设计，通常将桩基托梁挡土墙设计分为桩基设计及挡土墙设计，桩基设计包括桩及托梁设计，挡土墙设计一般按照普通挡土墙进行设计。

本项目桩基托梁挡土墙具体尺寸见图5， 挡土墙每15 m 设置1 道沉降缝，缝宽2 cm，墙高6 m，挡墙墙身和托梁采用C25 钢筋混凝土，水泥混凝土抗压强度不小于25 MPa； 托梁底部并排布置2 根C30 现浇冲（钻）孔灌注桩，桩长16 m，桩径1 m，桩横向间距1.5 m，纵向间距4 m。 挡土墙墙背填料采用不易风化的岩石弃渣或碎石类土，并做到分层填筑，分层夯实。 墙背填料计算内摩擦角φ=35°，挡土墙基底摩擦系数f0=0.3；墙背填料重度r=21 kN/m3，墙身重度rk=23 kN/m3。 挡墙安全等级采用二级，结构重要系数为1.0。 边坡土体计算参数见表1。

图5 桩基托梁挡土墙尺寸图

4.1 稳定性验算

挡土墙上的恒荷载主要有墙身自重、墙后土压力和滑体推力等；基本可变荷载主要为车辆荷载及其影响力，其他可变荷载有静水压力、人群荷载等[1]。本项目通过理正岩土计算软件进行受力分析，经稳定性验算、地基承载力验算、挡墙截面强度验算等步骤，以上计算结果均满足要求。

主要计算结果为：挡墙高度为6 m，计算得每延米挡墙墙背水平土压力Ex=103.75 kN，竖向土压力Ey=89.78 kN， 墙身截面积V=21.28 m2， 墙重W=435.44 kN， 作用于墙脚趾的弯距M=725.45 kN·m，偏心距e=0.24 m，通过搜索最危险滑动面，计算得下滑力T=2096.16 kN，抗滑力F=3385.87 kN，得到最小安全系数K=1.62≥1.250， 整体稳定验算满足要求。

4.2 桩基和托梁验算

托梁连接着挡土墙和桩基， 受力作用复杂，托梁上部荷载可按均布荷载考虑。 托梁所受内力可按连续梁进行分析。 挡土墙传递给托梁的荷载包括水平荷载、竖直荷载和弯矩。 托梁的竖向矩形分布荷载为托梁自重和挡士墙墙底合力之和即N=681.1 kN/m，最大正弯矩为623.328 kN·m、最大负弯矩为－1142.762 kN·m、最大剪力为1714.149 kN。托梁的计算简图如图6、7 所示。

图6 托梁计算简图

图7 托梁弯矩剪力包络图

本次托梁根据结构弯矩计算结果得最小配筋率：上侧Amin=13500 mm2，下侧Amin=12960 mm2。抗剪截面满足：γ0Vd=-1714.149 kN＜截面强度1/γRE（0.51×10-3√fcu，kbh0）=18101.136 kN。 箍筋：计算Av/s=1620 mm2/m。

本次桩基计算中，上部坡体推力与土压力简化为水平荷载，经过挡墙传递至托梁侧面，墙身结构及墙上填土自重为竖向荷载作用于托梁顶部，托梁与桩顶为固结段， 应考虑托梁对桩顶的约束作用，桩身段按弹性长桩简化计算[1]；本次桩基验算在满足挡墙稳定性要求前提下，进行内力分析并优化配筋。 桩基的设计参数取值如表3 所示。

表3 桩基设计参数建议取值

本次桩基托梁挡土墙中，桩基埋入中风化坚实持力层2.0 m，将上部结构荷载进行传递至岩层，桩基布置及尺寸见图5，根据理正软件计算：前桩背侧最大弯矩为201.29 kN·m，距离桩顶5 m；面侧最大弯矩为－653.23 kN·m，距离桩顶0 m；最大剪力为309.66 kN，距离桩顶0 m；最大位移为－3.309 mm。 后桩背侧最大弯矩为111.121 kN·m，距离桩顶7.4 m；面侧最大弯矩为－301.56 kN·m，距离桩顶0 m；最大剪力为91.905 kN，距离桩顶0 m；最大位移为－3.32 mm。 桩底竖向合力为6550.08 kN，桩底面积A 为6.28 m2，桩底所在岩层承载力为1250 kPa，满足要求。 具体计算结果如图8 所示。 由本次桩基根据结构计算结果得单桩配筋率：纵筋面积为3927 mm2、箍筋面积为227 mm2。

图8 桩基内力计算结果

5 效果评价

为了跟踪边坡及支护结构的稳定状态和变形趋势，应对该边坡及支护结构进行系统监测，通过使用水平仪、全站仪、标桩等仪器设备，对边坡的水平位移和垂直位移进行监测[3]；本项目工程在坡顶布置3 个垂直位移监测点和5 个水平位移监测点，在2020 年5 月至2020 年7 月每间隔10 d 监测边坡位移量，具体监测结果如图9 所示。通过位移监测数据表明本工程边坡已趋于稳定，工程治理效果良好。

图9 位移监测曲线

6 结语

工程设计应考虑设计方案的适宜性、 经济性和可行性， 并结合工期等多方面因素确定最终设计方案。本次路堤高边坡工程设计前，对边坡附近的地形地貌、水文条件和地质情况进行了详细调查，首先通过边坡稳定性计算分析确定边坡是否稳定， 其次结合工程的特性、经济及施工条件等，确定设计方案，工程治理效果良好。 希望通过本次高边坡工程的成功处治方案，能为同行提供有价值的借鉴和参考。