公路桩基挡土墙优化设计分析

张绍权

（唐山市交通运输局公路管理站，河北 唐山 063000）

0 引言

公路工程修建时，会受到地质条件的影响，地势平坦的路段便于施工，而土层特性不佳、地质条件复杂的路段，会增大施工难度，并且还容易引起安全事故。当公路沿线存在复杂路段时，可以采用挡土结构，通过挡土墙的设置，提高路基边坡的整体稳定性，以此来达到降低成本的目的。为使挡土墙的作用得以全面发挥，要对其结构进行优化设计。借此就公路桩基挡土墙优化设计展开分析探讨。

1 工程概况

某公路工程项目中的第九标段内，存在比较复杂的路段，该路段的长度约为231m，桩号为K112+243—K112+474。现场勘查结果表明，该路段的路基边坡覆盖层相对较厚，局部位置处分布含碎石块的残坡积，厚度约为13.3m，呈灰黄色，通过检测后发现残坡积的力学性质比较差。该路段的路基填方边坡原本设计的坡率为第一级1∶0.5、第二级1∶0.75。为确保路基施工的安全性，采用桩基挡土墙。初步设计时，考虑将桩基深入地基13～19m左右，桩基为矩形截面。挡土墙选用的是衡重式路肩墙，高度设置为8.0～13m，与下部承台相连接，承台的厚度设计为1.3～1.5m。为最大限度发挥出桩基挡土墙的作用，使路基施工能够安全、有序开展，决定对桩基挡土墙优化设计。

2 公路桩基挡土墙优化设计

2.1 桩基挡土墙的特点

桩基挡土墙由桩基础、承台和挡土墙等部分组成，其可以将墙后土体产生的侧向压力，经墙身承台，传给桩基础，而桩基础会将这部分力直接传至深层的土层中，在地质条件较为复杂的路段桩基挡土墙具有良好的适用性。桩基挡土墙的上部结构为挡土墙，中间部分为承台，下部结构为桩基础，按布设的位置分为路堤和路肩两种形式的挡土墙。桩基挡土墙之所以在公路工程项目中得到越来越广泛的应用，与其自身所具备的诸多优点有着密不可分的关联，具体体现在如下几个方面：桩基挡土墙的应用能够使圬工的使用量大幅度减少，工程在所在位置处的桩基承载力得到进一步提升，一般挡土墙的使用范围随之扩大；在地质条件复杂、地基承载力

2.2 设计要求

为使桩基挡土墙在保障路基施工安全性方面的作用得以充分发挥，在设计时，要满足以下要求：

（1）桩基挡土墙本身必须具备足够的承载力，这是保证路基边坡结构稳定的重要前提和基础。对桩基挡土墙设计时，要检查其在极限状态下的变形状况，确保挡土墙在壁后土体的压力作用下能够保持良好的稳定性，不会出现严重的变形。

（2）在对桩基挡土墙设计时，应结合工程实践，依据现场的水文地质提条件，选择适宜的平面布局形式和立面尺寸，最大限度发挥出挡土墙的作用，为施工安全提供保障。

（3）桩基挡土墙设计要与周围的自然环境相协调，设计的挡土墙结构既要有良好的结构稳定性，其外观还要融入周围的环境中，避免过于突兀，破坏环境的整体性[1]。

2.3 荷载分布

在公路工程中，对桩基挡土墙设计时，要充分考虑墙体的高度、截面尺寸，按照现场实际情况，对桩基的间距、桩基和承台尺寸合理确定，使设计出来的桩基挡土墙更加安全。计算桩基挡土墙荷载的过程中，墙体后侧向土压力的计算方法与一般挡土墙基本相同，可采用库伦土压力计算，当条件简单时，可对计算过程加以简化。

（1）按荷载效应组合设计承台与桩基础承载力的极限状态。设计时，要考虑长期荷载作用的影响，据此验算承台的裂缝宽度并按标准组合验算承台的挠度。依据现行规范标准的规定要求，在基本组合中，荷载分项系数取值情况如下：永久荷载的分项系数可以取1.35，可变荷载的分项系数可以取1.40。而在准永久组合中，可变荷载的准永久系数可以取0.6。

（2）依据荷载效应，采用基本组合的方式，设计桩基承载力极限状态时，要对长期效应的影响加以充分考虑。同时，可按照基本组合与准永久组合，开展桩基挠度试验。基本组合的荷载分量系数取值情况如下：永久荷载的分量系数可以取1.35，可变荷载的分量系数可以取1.40。

（3）桩基础与承台的结构设计流程如下：先对截面尺寸合理确定，按所需设计的截面位置，确定承台最大弯矩与最大剪力的位置；依据组合形式，对荷载效应加以计算，为弯矩和剪力设计提供参考，根据弯矩选取主钢筋的直径和数量并按剪力确定箍筋的直径、间距，最后用极限状态对计算结果加以验算，看是否满足规范要求。

2.4 优化设计方案

2.4.1 计算假定

在桩基挡土墙结构优化设计的过程中，由于挡土墙支挡前和支挡后，围岩的应力状态会发生改变，所以可将使用挡土墙的围岩应力状态设定为初始应力，使用挡土墙时，要对土体开挖和回填，这一过程会对土体的应力状态造成扰动，可将之设定为二次应力状态。

本工程中，选用有限元软件，对桩基挡土墙结构设计分析时，需要先构建相应的模型，建模过程中，要对影响计算结果的主要因素加以充分考虑，并忽略次要因素，由此除能够使计算结果的准确性得到保障之外，还能进一步加快计算速度，缩短设计周期。基于此，要确保所选的有限元软件具有良好的适用性。为实现这一目标，要对建模时使用的参数予以假定，为计算结果准确性提供保障。计算模型假定的内容如下：边坡土体为连续介质，并且介质本身具有均质的特性，各向同性；使用有限元软件构建模型时，将岩土与挡土墙自重和行车荷载作为主要考虑因素；为确保计算结果准确，选用适宜边坡支挡工程的模型。建立有限元模型时，要解决建模时的应变及网格问题，由于创建的模型是二维模型，所以可将应变转换为平面应变问题。有限元分析时，结构承受的主要荷载为重力荷载，车辆荷载按现行规范取10kN/㎡。约束条件为边界水平约束、边界底部竖直方向的约束。根据有限元软件，通过数值模拟的方法，分析挡土墙自重与行车荷载的影响，为优化设计提供参考。

2.4.2 选取参数

（1）桩基挡土墙的适用范围比较广，在地质条件复杂、地势较为陡峭以及承载力严重不足的场地内尤为适用，使桩基深入到稳定的地层中，能够进一步增强地基的承载力，由此不但能够使圬工的用量大幅度减少，而且还能使路基边坡的结构稳定性得到保障。为最大限度发挥出桩基挡土墙的作用，要对其参数进行合理选择。本工程中的桩基挡土墙由三个部分组成：桩基础、挡土墙和承台（连接桩基与挡土墙），其初步设计情况如下：桩基采用矩形截面，深入地基13～19m；挡土墙选用的是衡重式路肩墙，高度为8.0～13m；承台的厚度为1.3～1.5m，桩基础的钢筋深入承台中50cm，以确保连接牢固可靠[2]。

（2）计算挡土墙结构过程中，要对相关的参数加以明确，从而使计算所得的结果与实际情况相符。本工程中，挡土墙采用的是衡重式结构，具体设计时，可依据现行规范的规定要求，计算其结构力学。为简化计算过程，可将挡土墙近似划分为上下两个部分，通过矢量求和的方法得出最终的计算结果，由此便会得到挡土墙所受到的全部土压力。计算衡重式挡土墙压力时，先计算出上部结构承受的土压力，随后设挡土墙的安全系数为1.2，在充分考虑车辆荷载及挡土墙高度的情况下，将荷载转换为高度，根据规范给出的公式，经计算得出衡重式挡土墙的第一和第二破裂角分别为26.24°和28.13°。随后将这两个破裂角，带入相关公式，通过计算便可得出衡重式挡土墙上部结构承受土压力的大小，结果为220.683kN/m，土压力的水平与竖向分力分别为103.108 和195.114kN/m；经计算，衡重式挡土墙下部结构的土压力为256.527kN/m[3]。

2.4.3 承台设计

通常情况下，在对桩基挡土墙的承台设计时，可按照承台下侧桩基布设位置开展计算分析。下侧桩基的布设位置有单排和双排两种。基于此前提，设计承台结构时，可按连续梁计算承台结构，以此来达到简化设计过程的目的。

（1）确定承台顶部荷载。本工程中，作用在承台顶部的竖向力为18 765.3kN，该竖向力由以下几个部分组成：挡土墙自重、上部结构和下部结构竖向土压力、承台及墙后土体自重；作用在承台顶部上侧的水平推力为346.264kN/m，该水平推力由挡土墙上部结构和下部结构水平土压力组成。由竖向力可以求出承台顶部的中心弯矩，即18 765.3kN×0.095=1 782.7kN‧m[4]。

（2）确定挡土墙承台内力。计算承台内力的过程中，可将桩基挡土墙在承台底部布设形式作为主要依据，按现行规范标准的规定要求，经计算得出永久荷载效应控制组合的设计值为2 111.81kN‧m，将该设计值代入相关公式，可求出挡土墙承台支座的弯矩为1 077.9kN‧m[5]。

（3）滑动稳定性验算。衡重式挡土墙基底的摩擦系数为0.50，为增加抗滑动稳定性，采用倾斜基底，具体的计算过程如下：基底的倾斜角度为11.31°，挡土墙的滑移力为104.869kN，抗滑力为405.747kN，滑移验算结果为Kc=3.869＞1.300[6]。由验算结果可知，本次设计的桩基挡土墙不会出现水平滑动现象。

（4）倾覆稳定性验算。相对于衡重式挡土墙的墙趾而言，挡土墙墙身重力的力臂Zw 为2.308m，验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性，倾覆与抗倾覆力矩分别为：943.130 和2066.104kN/m，挡土墙的倾覆稳定性Ko=2.191＞1.500[7]。由验算结果可知，该桩基挡土墙具有良好的抗倾覆能力。

2.4.4 桩基设计

在桩基挡土墙中，桩基是较为重要的组成部分之一，对其结构设计时，可将计算深度确定为14m，该值能够满足复杂路段挡土结构的设计要求[9]。为保证挡土墙的结构稳定性，桩基要嵌入到基岩中，基于这一前提，将桩基嵌入基岩的长度设定为7.5m 左右，未嵌入稳定基岩的部分，按悬臂桩设计[10]。

（1）在桩基挡土墙结构中，桩基需要承受来自挡土墙和承台传递的双重作用力，设计时，要充分考虑侧向压力与竖向力，依据现行规范的要求，计算桩基承受的外力，包括顶部弯矩、剪力、竖向力。经计算，桩基顶部承受的剪力为900.29kN；承受的弯矩为6 435.6kN‧m；承受的竖向力为3 671.62kN[8]。

（2）桩基设计时，要保证自身的承载力足够，可按相关规范的要求，设计桩基承载力，与规范给出的范围进行对比，结果表明，本次设计的桩基承载力为7 958kN，比规范要求的3 671.62kN 大出一倍，可见承载力满足要求[11]。

通过优化设计，最终得出桩基挡土墙结构尺寸，具体如下：墙身高为12m、承台的厚度为1.5m、桩基础的长度为14m（入岩7.5m）[12]。该挡土墙结构具有良好的稳定性，能够满足公路施工需要。

3 结语

公路工程对桩基挡土墙设计时，要充分考虑墙体的高度、截面尺寸，并按照现场实际情况，对桩基的间距、桩基和承台尺寸合理确定，使设计出来的桩基挡土墙更加安全[13]。在桩基挡土墙结构中，桩基需要承受来自挡土墙和承台传递的双重作用力，设计时，要充分考虑侧向压力与竖向力，依据现行规范的要求，计算桩基承受的外力，包括顶部弯矩、剪力、竖向力。

公路工程建设中，遇到复杂路段时，可以通过设置挡土结构，确保路基边坡的稳定性，降低安全事故的发生概率，该措施工程造价低，易于实现，具有良好的推广应用价值[14]。为最大限度发挥出桩基挡土墙的作用，要对其结构优化设计，使挡土墙满足路基边坡防护需要。