黃古誠(chéng)　余鵬　何莉　趙鵬

摘 要：該文從樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)的特性出發(fā)，探討了該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，并對(duì)托梁、樁基的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行了分析，并提出了具體的設(shè)計(jì)思路及方法建議。

關(guān)鍵詞：樁基 擋土墻 設(shè)計(jì) 應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TU75 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1672-3791（2015）05（b）-0086-03

支擋結(jié)構(gòu)是支撐填土體、山坡土體防止土體失穩(wěn)變形的一種常用的結(jié)構(gòu)措施。經(jīng)過多年的工程實(shí)踐和理論研究，一些新型的結(jié)構(gòu)類型如樁板墻、懸（扶）壁式擋墻、加筋土擋墻等都得到了大量的應(yīng)用。但是，重力式支擋結(jié)構(gòu)由于其施工工藝簡(jiǎn)單、取材方便、標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計(jì)程度高等優(yōu)勢(shì)，在公路、鐵路、工民建工程建設(shè)中仍是應(yīng)用范圍最為廣泛的支擋結(jié)構(gòu)形式。尤其是重力式擋墻改進(jìn)形式的衡重式擋墻，其特殊的結(jié)構(gòu)形式使得其能采用較陡的面墻坡率，特別適用于地形陡峭的山區(qū)。在實(shí)際應(yīng)用中，重力式擋墻、衡重式擋墻對(duì)地基的要求較高，在地基持力層埋置深度較大的地區(qū)，提出了在擋墻下部設(shè)置樁基托梁結(jié)構(gòu)體系解決擋墻的承載力不足的問題。該文將從樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)體系的荷載受力分析出發(fā)，結(jié)合實(shí)際工程應(yīng)用情況，對(duì)該結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)和應(yīng)用提出個(gè)人的觀點(diǎn)和建議。

1 樁基托梁擋土墻的一般結(jié)構(gòu)形式

樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)體系由擋土墻、托梁和樁基構(gòu)成。擋土墻所承擔(dān)的土壓力及其他荷載、自重等通過托梁傳遞至樁基，如圖1。

樁基托梁擋土墻體系中一般情況下采用衡重式作為上部擋墻結(jié)構(gòu)，其受力情況與一般路段的所應(yīng)用的衡重式擋土墻沒有區(qū)別，都是利用自身的重力來維持穩(wěn)定，并通過衡重臺(tái)的設(shè)置增強(qiáng)擋墻的抗傾覆、減小基底偏心的能力。托梁作為連接擋墻和樁基的結(jié)構(gòu)，其作用于一般的樁基承臺(tái)類似，但由于其上連接的是以承擔(dān)橫向的土壓力為主的擋墻，所以擋墻托梁較一般的橋梁、房屋樁基承臺(tái)相比所承擔(dān)的橫向彎矩、剪力大，且一般為條形布置。樁基為體系的主要基礎(chǔ)結(jié)構(gòu)，在一般情況下，其作用與其他結(jié)構(gòu)物的樁基無二。但由于承擔(dān)的橫向彎矩、剪力較大，為了保證樁基的橫向穩(wěn)定，擋墻的樁基一般采用方樁，且尺寸較大。

2 樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算

2.1 衡重式擋土墻土壓力計(jì)算

樁基托梁擋土墻中的土壓力計(jì)算與一般的衡重式擋墻計(jì)算一樣，采用考慮第二破裂面的庫倫土壓力計(jì)算。將衡重式擋墻中的上、下墻先分別進(jìn)行土壓力的計(jì)算，不考慮其相互的作用影響，然后再將其矢量和作為全墻的土壓力，如圖2。根據(jù)所得土壓力情況，根據(jù)相關(guān)規(guī)范的要求進(jìn)行擋墻的截面尺寸設(shè)計(jì)。樁基托梁擋墻中，一般樁基只考慮解決擋墻的承載力不足問題，而擋墻自身的傾覆穩(wěn)定性、截面強(qiáng)度等均由擋墻自身截面保證。所以采用的擋墻截面尺寸必須滿足擋墻的抗傾覆及墻身截面強(qiáng)度的要求。

2.2 托梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算

由于擋墻托梁一般呈條形布置，所以可以根據(jù)將樁基作為支座，根據(jù)樁基的布置情況將其簡(jiǎn)化為連續(xù)梁或兩端懸出的簡(jiǎn)支梁進(jìn)行計(jì)算。托梁與擋墻基礎(chǔ)底面連接，故應(yīng)將擋墻自重、墻背土壓力、第一破裂面與第二破裂面之間土體的自重等外力均向托梁中心簡(jiǎn)化。最終簡(jiǎn)化為作用在托梁支撐線處的N，Mn，Ex（如圖3）：

式中：N—作用于托梁頂面支撐線的豎向合力；

Mn—作用于托梁頂面支撐線的彎矩；

Ex—用于托梁頂面支撐線的合力；

Ea1—上墻所受的土壓力；

Ea2—下墻所受的土壓力。

考慮到托梁底面下的土層強(qiáng)度不高且容易受到施工的擾動(dòng)，在進(jìn)行托梁的結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)可忽略土層地基反力對(duì)托梁的支撐作用。在此基礎(chǔ)上結(jié)合樁基的布置情況，將整個(gè)結(jié)構(gòu)體系簡(jiǎn)化為由固接支座支撐的連續(xù)梁，其中各支座的支反力即為樁基的樁頂荷載（如圖4-1、圖4-2）。

根據(jù)簡(jiǎn)化模型，可得托梁內(nèi)力計(jì)算公式如表1所示。

2.3 樁基的結(jié)構(gòu)計(jì)算

通過對(duì)托梁的受力計(jì)算，所計(jì)算得出的支反力實(shí)際就是樁頂受力。一般情況下，均認(rèn)為擋土墻所承受的所有水平推力、豎向壓力及彎矩均由托梁全部傳至樁基。若樁頂全部埋置于穩(wěn)定地層內(nèi)，則可作為“全埋樁”（如圖5-1）直接進(jìn)行樁基礎(chǔ)的受力計(jì)算；若樁頂懸空（外側(cè)一定長(zhǎng)度內(nèi)的土層不能提供有效土反力（時(shí)（如圖5-2），尚需考慮懸臂段樁背所承擔(dān)的土壓力，如此樁的結(jié)構(gòu)計(jì)算則類似樁頂有外力的“樁板墻”結(jié)構(gòu)。由于懸臂樁受力復(fù)雜，且懸臂段所承擔(dān)的土壓力對(duì)樁基結(jié)構(gòu)及控制樁頂變位極為不利，一般情況下若條件允許均應(yīng)考慮采用“全埋樁”。

在明確了樁頂荷載和結(jié)構(gòu)形式后，并將受力簡(jiǎn)化至樁基錨固段頂面，然后采用基于彈性地基梁理論的“m”法或“K”法進(jìn)行樁身的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)計(jì)算。一般情況下，擋墻樁基均考慮采用端承樁，同時(shí)此種結(jié)構(gòu)形式下樁基豎向承載力一般均能滿足要求，所以樁基托梁設(shè)計(jì)中，樁基的結(jié)構(gòu)計(jì)算主要在于對(duì)樁水平承載能力的分析。

3 樁基托梁擋土墻設(shè)計(jì)流程

當(dāng)明確了現(xiàn)場(chǎng)地形、地質(zhì)情況，確定了采用樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)時(shí)，可采用如下流程進(jìn)行相關(guān)設(shè)計(jì)：（1）收集工點(diǎn)處路基橫斷面、路肩立面設(shè)計(jì)資料，明確路面荷載等級(jí)、地層情況、各地層的主要力學(xué)指標(biāo)，判斷各地層的自身穩(wěn)定性。（2）繪制擋墻立面設(shè)計(jì)草圖，明確擋墻高度、托梁位置、托梁一聯(lián)的長(zhǎng)度，初步確定樁基的間距、樁基埋深。（3）確定擋土墻的截面尺寸，并由此確定托梁的寬度，并完成樁基托梁擋土墻擋墻、托梁、樁基的橫向布置。（4）對(duì)結(jié)構(gòu)進(jìn)行受力分析，將擋墻所有受力向托梁中心支撐線簡(jiǎn)化，并由此對(duì)托梁進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。（5）計(jì)算樁頂荷載，并根據(jù)地層力學(xué)參數(shù)完成樁基的尺寸擬定和結(jié)構(gòu)計(jì)算。（6）完善結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖、工程量計(jì)算。

4 工程應(yīng)用

某高速公路工點(diǎn)，路基頂面高于現(xiàn)狀地表11m，地表以下為13m厚粉質(zhì)粘土覆蓋層、其下為泥質(zhì)白云巖夾泥巖，各地層力學(xué)指標(biāo)如表2所示。

根據(jù)《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》的規(guī)定，高速公路路基頂面行車荷載按照10kN/m2的標(biāo)準(zhǔn)執(zhí)行。由于擋墻為路基下支擋，且橫向地表陡峭，故采用衡重式結(jié)構(gòu)作為擋墻形式。

4.1 擋墻布置方案

根據(jù)公路橫斷面及立面布置情況，設(shè)計(jì)墻高13m，托梁尺寸采用1100×1.5×4.1m，樁長(zhǎng)10～19m，樁間距6m并要求嵌入泥巖的中風(fēng)化層，樁身截面采用1.8×2.2，同時(shí)在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中考慮到樁長(zhǎng)過大，為優(yōu)化樁身受力情況并控制樁頂變位在每根托梁上設(shè)置了3道預(yù)應(yīng)力錨索，其設(shè)計(jì)預(yù)應(yīng)力650kN。

4.2 托梁及樁頂荷載計(jì)算分析

上部擋墻直接采用了本項(xiàng)目通用圖的截面形式，其墻身自身穩(wěn)定性不再進(jìn)行計(jì)算。按照該文2.2節(jié)的闡述的方案，上部擋墻荷載向托梁頂面支撐中心簡(jiǎn)化結(jié)果如表3所示。

根據(jù)立面布置形式，托梁每11m一根，實(shí)際上可以簡(jiǎn)化為2.5m+6m+2.5m兩端懸出的簡(jiǎn)支梁，同時(shí)在計(jì)算中為安全計(jì)也不考慮托梁底面粉質(zhì)粘土的彈性地基梁支撐作用。按照托梁計(jì)算模型，其支座處的豎向支反力即為樁豎向荷載。而且兩樁對(duì)稱布置，故兩樁外力一致，故樁頂外力計(jì)算結(jié)果如下：（1）彎矩：M=-4014.62kN.M（公路橫斷面方向逆時(shí)針；（2）水平力：Ex=1854.89kN；（3）豎向力：N=7897.5kN。

同時(shí)在樁基計(jì)算中考慮樁頂設(shè)置的650KN級(jí)錨索，故在樁基計(jì)算中，可以考慮按照“錨索抗滑樁”的設(shè)計(jì)計(jì)算方法進(jìn)行，即將錨索視為樁相應(yīng)位置的彈性支座參與到樁結(jié)構(gòu)的計(jì)算中。該項(xiàng)目計(jì)算證明，本項(xiàng)目采用1.8m×2.2m人工挖孔方樁其樁前土橫向容許承載力及樁頂位移、樁身強(qiáng)度等驗(yàn)算均能滿足要求。

4.3 工程效果

在設(shè)計(jì)期間，將樁基托梁擋土墻方案與橋梁方案進(jìn)行了比較，樁基托梁擋土墻方案在造價(jià)和建設(shè)工期上具有明顯優(yōu)勢(shì)，最終確定該工點(diǎn)采用了樁基托梁擋土墻方案如表4。

工程經(jīng)過2個(gè)月順利施工，目前高速公路該路段已通車3年并歷經(jīng)多次暴雨考驗(yàn)結(jié)構(gòu)正常，路面也未出現(xiàn)變形、開裂。

5 結(jié)語

樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)在山區(qū)高等級(jí)公路、鐵路的建設(shè)中有極強(qiáng)的適應(yīng)能力，該結(jié)構(gòu)一方面充分利用了重力式擋墻施工工藝簡(jiǎn)單、就地取材投資節(jié)約的優(yōu)勢(shì)，另一方面利用樁基結(jié)構(gòu)解決了重力式擋墻對(duì)地基承載力要求高的缺點(diǎn)拓寬了該結(jié)構(gòu)的適用范圍。結(jié)合實(shí)際工程的經(jīng)驗(yàn)，樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)與橋梁方案相比具有十分顯著的經(jīng)濟(jì)優(yōu)勢(shì)。該文結(jié)合工程實(shí)例，探討了樁基托梁擋土墻結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)理論，尤其對(duì)托梁、樁基的計(jì)算進(jìn)行了深入的探討，給出的設(shè)計(jì)計(jì)算方法思路清晰、計(jì)算簡(jiǎn)單、合理具體，有較強(qiáng)的實(shí)際工程應(yīng)用價(jià)值。但在實(shí)際工程設(shè)計(jì)中，尚應(yīng)注意相關(guān)規(guī)范對(duì)結(jié)構(gòu)及總體布置的構(gòu)造要求。

參考文獻(xiàn)

[1] 李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 張敏.托梁擋土墻設(shè)計(jì)理論與工程應(yīng)用研究[D].成都：西南交通大學(xué)，2007.

[3] 高志輝.樁基托梁擋土墻力學(xué)作用機(jī)理試驗(yàn)研究與數(shù)值分析[D].成都：四川大學(xué)，2005.

[4] TB 10025-2006 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].中華人民共和國(guó)鐵道部.北京：中國(guó)鐵道出版社，2006.