低承载力地层条件下高支挡结构桩基托梁式基础工程应用研究

张 楠

(辽宁省交通运输事业发展中心 沈阳市 110005)

0 引言

当今公路工程建设过程中,常面临用地受限或在高陡地区施工的情况,而采用高支挡构筑物时又可能面临基底土层地基承载力不足的问题。对于低承载力地层条件下的高支挡结构,采用桩基托梁式基础是一种解决地基承载力不足问题的有效办法。文章依托于八盘岭隧道左线改建在有限用地红线范围内的路基拼宽工程,详细介绍了桩基托梁式挡墙的设计过程,阐述其工程计算分析过程,分析了该结构形式的优越性和适用工况,以期对类似场地工程设计提供参考。

1 工程概况

1.1 项目背景

文章依托于本溪市国道集本线八盘岭隧道左线改建工程。八盘岭隧道左线改建工程引线道路K0+250～K0+445段为既有路堤拼宽段,原路堤填高5～20m不等。拼宽路基若采用放坡方式,将新增大量占地,而现状道路外侧为永久基本农田,无放坡条件,故须采用支挡结构进行快速收坡,新建支挡设施应位于老路路堤边坡坡腰处,以维持老路公路用地界限不变。另一方面,由于拼宽段在施工期间须保持既有道路通车运营,拼宽侧新建挡墙基坑开挖范围过大将对既有道路边坡稳定造成不利影响,故新建挡墙墙高不宜过高、尺寸不宜过大。

1.2 设计方案

结合老路边坡高度、坡率及现场地形,K0+250～K0+305段设计采用折背式路堤墙进行支挡,墙高5～14m,圬工材料为C25混凝土,相应地基承载力要求不小于300～550kPa;K0+305～K0+331段设计采用护肩支挡,高度2m,采用C25混凝土浇筑;K0+331～K0+445段设计采用衡重式路肩墙进行支挡,墙高3.5～8.5m,圬工材料为C25混凝土,相应地基承载力要求不小于200～350kPa。典型断面设计图如图1所示。

2 地质条件

K0+250～K0+445段落位于人工填筑土路段,地质条件复杂多变,施工期间开挖 K0+250～K0+305段路堤墙、K0+330～K0+445 段路肩墙 2 段挡墙基坑,发现该段路肩墙、路堤墙挡墙基底实际出露的岩土体为填土、残坡积层、全风化基岩等,挡墙基底开挖揭露的覆盖土层厚度、基岩风化程度等工程地质条件与原设计考虑的地质情况存在差异,填土、残坡积土层、全风化基岩等岩土体地基承载力无法满足原设计挡墙的承载力要求,需要对挡墙基底进行地基处理。

3 低承载力地层条件下高支挡结构桩基托梁式基础

在须采用高支挡结构而地基土层承载力又不满足设计要求时,须对挡墙基底土层做必要的地基处理。尤其当满足承载力要求的持力层埋深较大,或受施工环境限制不宜进行挖除换填时,可采用深层桩处理。桩基托梁式挡土墙即一种能很好地解决高支挡结构高承载力要求与地层条件较差而承载力不足之间矛盾的方法。

桩基托梁式挡土墙是将桩和挡土墙相结合并通过托梁相连接的一种结构形式,由桩基、托梁和挡墙三部分组合而成,如图2所示。上部挡土墙可结合实际条件采用适宜的挡墙形式,充分发挥各类挡墙的功能和优势;下部桩体一方面可增强地基承载力,同时亦可对坡体提供抗滑作用,有助于坡体的整体稳定性;托梁则主要起联结和传力的作用,联结上部挡墙与下部桩体形成整体结构,保障挡墙的抗滑移和抗倾覆性能,同时承受上部结构传递的荷载传递给下部桩基。

图2 桩基托梁式挡土墙

近年来,随着社会经济发展和工程技术进步,桩基托梁式挡墙在我国交通工程中的应用逐渐广泛,已积累一定案例[1-3]。目前,学界关于桩基托梁式挡墙的研究集中在其受力模式分析方面。黄黎冰等[4]通过挡土墙、托梁和桩整体结构线弹性结构模型试验,对墙背所受土压力的变化趋势、挡土墙的水平和垂直变位特征进行测试,分析了桩基托梁式挡土墙的实际工作状态。张智超等[5]基于原位孔内剪切试验结果对桩基托梁挡墙支护下边坡应力变形进行了数值分析。封志军等[6]建立同时考虑桩与托梁共同受力的力学模型,推导了托梁结构内力的便捷计算方法。倪洪亮等[7]计算桩基托梁各部分结构的受力情况,并与抗滑桩受力结果进行了比较分析。简而言之,目前桩基托梁结构设计时,上部挡墙按挡墙理论计算;托梁部分根据是否考虑地基土的支承作用,分为一般连续梁计算模型和弹性地基梁计算模型;下部桩体按照顶部受弯矩和水平力的抗滑桩进行计算。

4 桩基托梁式挡土墙工程设计方案

4.1 设计方案

(1)K0+250～K0+305段

整体采用桩基础穿越地基承载力不满足条件的段落,桩基础进入中风化基岩,托梁顶部设置路堤墙支挡,桩基采用一排C30钢筋混凝土灌注桩,桩径1.5m,桩间距3.75m,采用正方形布桩,桩基数量共计10根,桩长10～14m;托梁高度1.5m,宽度为超出挡墙基底两边各0.5m,采用C35混凝土浇筑。如图3所示。

(2)K0+331～K0+445段

采用桩基础穿越地基承载力不满足条件的段落,桩基础进入中风化基岩,托梁顶部设置路堤墙支挡,桩基采用一排C30钢筋混凝土灌注桩,桩径1.5m,桩间距3.75m,采用正方形布桩,桩长8～14m,桩基数量共计31根。托梁高度1.5m,宽度为超出挡墙基底两边各0.5m,采用C35混凝土浇筑。如图4所示。

图4 桩基托梁式路肩墙(单位:cm)

为更好实现挡墙和托梁间的连接,挡墙底部优化为水平,二者之间通过直径32mm的HRB400钢筋进行连接,预埋钢筋进入挡土墙和托梁各1.0m。

4.2 结构分析计算

(1)计算参数(表1)

表1 地层岩土物理力学计算参数表

(2)计算方法及结果

综合考虑到当前桩基托梁式挡土墙受力计算研究现状及工程界计算经验,文章将桩基托梁式挡墙分解为挡墙和桩基进行设计计算。上部挡墙参照《公路挡土墙设计与施工技术细则》[8]按通常挡墙计算方法计算即可。路肩处适当考虑了部分行车荷载(30kPa分布荷载,作用范围为路基横向3.5m)。

上部挡墙受力计算模型如图5所示。采用库仑土压力理论,忽略路基填土黏聚力。对于多段墙背挡墙,按超载叠加法计算出各段墙背上的主动土压力和作用点,然后通过静力平衡可得到墙底受到水平反力T、竖向反力N和弯矩M,从而也就得到了下部桩基桩顶所受荷载。

图5 挡墙计算模型示意图

桩基主要对上部挡墙、托梁的竖向力和自身重力进行支撑,并对后部坡体主动土压力、承台传递的水平力或坡体的整体下滑力进行支挡,桩基可按单排桩高承台桩基进行计算。针对文中工况,桩基考虑承台和挡墙重力,按照桩间距3.75m考虑单根桩承受的集中力。同时考虑桩基承受的挡墙土压力传递的水平荷载,以验算桩基抗弯能力,如图6所示,可将计算得挡墙墙底荷载施加于桩顶,计算结果将偏于安全。

图6 桩基计算模型示意图

经计算,对于桩基托梁路堤墙段,取最不利断面,单桩顶轴力为3558.75kN,桩身自重为197.9kN,单桩轴向受压承载力容许值为:

[Ra]=0.5u∑qikli+Apqr

式中:qik为第i层土的摩阻力标准值,li为第i层土厚度,0.5u∑qikli为桩侧总摩阻力容许值,计算得2789.7kN;Ap为桩端截面积,qr为持力层承载力容许值,Apqr为桩端总承载力容许值,计算得1415.2kN,即[Ra]为4204.9kN,大于单桩轴力与桩身自重之和3756.7kN,安全系数为1.12。水平力验算方面,按照180kN/m的水平力,考虑桩基抗弯性能,背侧最大弯矩为6140.432 kN·m,最大剪力为1338.018 kN。设计桩体配筋箍筋采用HPB300钢筋,箍筋400mm2/m,配置Φ10HPB300钢筋,间距15cm,桩头加密至10cm。主筋29800mm2,配置50Φ28钢筋,主筋面积30772 mm2,可满足要求。

5 结语

公路工程建设过程中,常面临用地受限或在高陡地区施工的情况,当采用高支挡构筑物时又可能面临基底土体地基承载力不足的问题。此时可采用桩基托梁式挡土墙进行支挡设计。桩基托梁式挡土墙采用桩基对地基进行增强加固,布置托梁连接上部挡墙并进行荷载传递,很好地解决了高支挡结构高承载力要求与地基土体承载力不足之间的矛盾。

桩基托梁式挡土墙作为一种新型工程形式,由于其自身结构优越性,已在当今工程建设中得到广泛的应用。文章依托于八盘岭隧道左线改建工程,对桩基托梁式挡土墙的设计思想和计算分析方法做了详细介绍,以期对类似场地支挡设计提供参考。