高速公路高邊坡樁基托梁擋墻設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

■陳岳蓮

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州　360004）

高速公路高邊坡樁基托梁擋墻設(shè)計(jì)及工程應(yīng)用

■陳岳蓮

（福建省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)院，福州360004）

本文以海西高速公路網(wǎng)屏南至古田聯(lián)絡(luò)線為工程背景，介紹了高速公路粘性厚土層高邊坡樁基托梁擋墻設(shè)計(jì)的基本原理及設(shè)計(jì)過(guò)程，通過(guò)工程設(shè)計(jì)方案應(yīng)用的對(duì)比和驗(yàn)算分析， 得出合理的高邊坡樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)尺寸，供設(shè)計(jì)人員參考借鑒。

樁基托梁擋墻抗傾覆樁長(zhǎng)豎向力彎矩設(shè)計(jì)

0　前言

近年來(lái)，我國(guó)高速公路建設(shè)飛速發(fā)展，高坡填方在高速公路工程建設(shè)中經(jīng)常遇到，往往通過(guò)布設(shè)擋墻收縮坡腳，保證填方邊坡穩(wěn)定。福建省處于丘陵區(qū)，其間崇山疊嶂，溪谷遍布，森林覆蓋茂密，表層殘積和坡積土較厚，在許多陡坡地段布設(shè)擋墻時(shí)，經(jīng)常遇到地基承載力不足的情況，因此在高速公路的建設(shè)中，需經(jīng)常采用樁基礎(chǔ)擋墻來(lái)解決地基承載力不足的難題。

1　工程概況

海西高速公路網(wǎng)屏南至古田聯(lián)絡(luò)線是海西高速公路的重要組成部分，連接國(guó)家高速公路網(wǎng)京臺(tái)線和寧上線，也是重要的入閩快速通道之一，其中在 K52+368.5-K52+ 490處屬丘陵地貌，山坡坡度約45～50°，植被較發(fā)育，坡面上覆坡殘積土層（Qdl），下伏基巖為侏羅紀(jì)南園組凝灰熔巖（J3n）。由于在路線方案上，平面受大樁號(hào)方向的排頭樞紐互通的位置控制，縱段上受小樁號(hào)方向橋梁標(biāo)高的控制，已無(wú)調(diào)整路線平面與降低路線縱斷標(biāo)高的可能，從圖1地質(zhì)剖面上可以看出，路基左側(cè)相鄰河道，且地面坡度陡，若采用放坡填方方案，左側(cè)坡腳需填入水中，侵占河道，方案不可行，為了收縮坡腳，則必須采用擋墻方案。

經(jīng)過(guò)詳細(xì)的地勘資料鉆探，在擋墻位置地表以下30m范圍內(nèi)的地質(zhì)如下：

（1）4-112坡積粉質(zhì)粘土（Qdl）：稍濕-濕，可塑，灰黃色，粒級(jí)成分以粘性土為主。

（2）5-13殘積粘性土（Qel）：稍濕，硬塑，灰黃色，巖芯呈土狀，遇水易軟化。

（3）7-321砂土狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖（J3n）：巖芯呈砂土狀，夾有少量碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化，手可折斷，巖芯遇水易軟化。

（4）7-322碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖（J3n）：青灰色、灰褐色，結(jié)構(gòu)清晰，組織礦物已大部分破壞，巖芯呈碎塊狀。

2　樁基托梁擋墻的概念與設(shè)計(jì)原理

2.1樁基托梁擋土墻的概念

樁基托梁擋土墻是指在公路設(shè)計(jì)中由于擋墻下地基土層覆蓋層過(guò)厚且地基承載力不足，為避免將擋墻置于不穩(wěn)定的土層上，或避免擋墻基礎(chǔ)埋置太深，因此需要采用樁基，在樁基上設(shè)置托梁（類(lèi)似承臺(tái)梁），并將擋土墻設(shè)在托梁之上，使擋墻獲得足夠的穩(wěn)定性和承載力。它是一種常見(jiàn)的路基支擋構(gòu)造物，當(dāng)基礎(chǔ)埋置深度無(wú)法滿足或擋土墻基底應(yīng)力驗(yàn)算不滿足時(shí)，可采用樁基托梁擋土墻。

2.2樁基托梁擋土墻設(shè)計(jì)原理

根據(jù) 《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTG D30-2004）與《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（JTD D63-2007），樁基擋墻的主要設(shè)計(jì)原理如下。

2.2.1基底合力的偏心距e0

基底壓應(yīng)力可按公式（1）和公式（2）計(jì)算。

公式（1）和（2）式中，Nd為作用于基底上的垂直力組合設(shè)計(jì)值 （kN/m）；Md為作用于基底形心的彎矩組合設(shè)計(jì)值（MPa）；σ1擋土墻趾部的壓應(yīng)力（kPa）；σ2為擋土墻踵部的壓應(yīng)力（kPa）；B為基底寬度（m），傾斜基底為其斜寬；A為基礎(chǔ)底面每延米的面積，矩形基礎(chǔ)為基礎(chǔ)寬度B×1（m2）。

2.2.2抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)

抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)按公式（3）計(jì)算。

公式（3）中，G為作用于基底以上的重力（kN），浸水擋土墻的浸水部分應(yīng)計(jì)入浮力；Ex為墻后主動(dòng)土壓力的水平分量（kN）；E′p為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量（kN），當(dāng)為浸水擋土墻時(shí)，E′p＝0；α0為基底傾斜角（°），基底為水平時(shí)，α0=0；N為作用于基底上合力的豎向分力（kN），浸水擋土墻應(yīng)計(jì)浸水部分的浮力。

2.2.3抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0

抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)按公式（4）計(jì)算。

公式（4）中，ZG為墻身重力、基礎(chǔ)重力、基礎(chǔ)上填土的重力及作用于墻頂?shù)钠渌奢d的豎向力合力重心到墻趾的距離 （m）；ZX為墻后主動(dòng)土壓力的豎向分量到墻趾的距離（m）；ZY為墻后主動(dòng)土壓力的水平分量到墻趾的距離（m）；ZP為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量到墻趾的距離（m）。2.2.4樁基容許承載力

按摩擦樁計(jì)算時(shí)，樁基的容許承載力按公式（5）計(jì)算。

公式（5）中，［P］為單樁軸向受壓容許承載力U為樁的周長(zhǎng)；li為樁在承臺(tái)底面或最大沖刷線以下第i層土層中的長(zhǎng)度；τi為與li為相對(duì)應(yīng)的各土層與樁側(cè)極限摩阻力（kPa）；αi為振動(dòng)下沉對(duì)各土層樁側(cè)摩阻力和樁底抵抗力的影響系數(shù)；A為樁底面積；σR為樁底處土的極限承載力（kPa）。

3　樁基托梁擋墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在樁基托梁擋墻的處理過(guò)程中，擋土墻必須具有足夠的穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，以承受土體的側(cè)壓力，樁基擋土墻的可能產(chǎn)生的破壞有滑移、傾覆、不均勻沉陷和墻身開(kāi)裂等，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)檢算擋土墻的滑動(dòng)穩(wěn)定性及傾覆穩(wěn)定性、基底應(yīng)力的偏心距、墻身的截面強(qiáng)度、樁基的承載力，樁基的長(zhǎng)度。

4　工程應(yīng)用與分析

4.1方案選擇

根據(jù)地質(zhì)資料得到的巖土力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)如表1所示。

表1　巖土層物理、力學(xué)性質(zhì)指標(biāo)

若采用普通擋墻的方案，則通過(guò)計(jì)算擋墻在不同土層時(shí)的高度及所需的地基承載力，得出的結(jié)果如表2所示。

表2　普通擋墻方案地基承載力計(jì)算結(jié)果

從上表可以看出，此處的地層都不能滿足普通擋墻的承載力要求，為了提高地基承載力，需采用樁基托梁擋墻的方案。

4.2樁基擋墻的計(jì)算分析

（1）擋墻尺寸擬定

在確定采用樁基托梁擋墻的設(shè)計(jì)方案后，擋墻尺寸需進(jìn)行試算，本文采用了理正軟件作為輔助進(jìn)行上部擋墻的試算。

從地質(zhì)剖面圖中可以看出路堤的填方為7.5m，考慮到上部的擋墻也需要有一定埋深，因此上擋墻部分打算采用10m的墻高，尺寸如圖2所示。

（2）物理參數(shù)選擇

物理參數(shù)的選擇如表3所示。

圖2上部擋墻的墻身尺寸（單位：m）

表3　物理參數(shù)表

（3）擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性

驗(yàn)算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性根據(jù)公式（4）進(jìn)行計(jì)算。

傾覆力矩=798.442kN·m

抗傾覆力矩=2155.668kN·m

傾覆驗(yàn)算滿足：K0=2.700＞1.500

傾覆穩(wěn)定性滿足要求。

（4）樁頂豎向力和托梁底的彎矩計(jì)算

從理正巖土的計(jì)算的結(jié)果提取需要的計(jì)算數(shù)據(jù)作為下部結(jié)構(gòu)計(jì)算的使用。

①上墻基底。

上擋墻基礎(chǔ)底的總豎向力P1=8281.08kN

偏心距e=-0.014m

滑移力N1=2040.15kN

②將以上從計(jì)算的結(jié)果通過(guò)力矩的計(jì)算將其轉(zhuǎn)化為托梁底部中心的受力數(shù)據(jù)。

托梁底的總豎向力 P1=11350.64kN

滑移力N1=2040.15kN

彎矩M=4210.85 kN·m

③將計(jì)算出的力學(xué)數(shù)值結(jié)合基礎(chǔ)地勘資料利用m法將受力分布到每根樁的樁頂處，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出以下結(jié)果。

樁頂處的最大豎向力P1=5468.37kN

土中最大彎矩M=4210.85 kN·m

④樁頂豎向力代入摩擦樁的計(jì)算公式（5）經(jīng)過(guò)試算，當(dāng)樁基長(zhǎng)度取18.5m，樁徑1.4m時(shí)，單樁的承載力容許值為6033.11kN＞5468.37kN，滿足要求且有一點(diǎn)的富余，保證了結(jié)構(gòu)的安全性。

（5）樁基托梁擋墻結(jié)構(gòu)尺寸

通過(guò)以上的計(jì)算，我們可以得到樁基托梁擋墻的基本尺寸，其中上墻高10m，托梁高度2m、寬度6m，樁基長(zhǎng)度18.5m，樁基的樁端落于碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化凝灰熔巖層，如圖3所示。

5　結(jié)語(yǔ)

因樁基托梁擋墻的造價(jià)較高，在確認(rèn)樁基托梁擋墻方案之前應(yīng)進(jìn)行充分的路線平面縱斷等方案的考慮。設(shè)計(jì)樁基托梁擋墻應(yīng)熟練掌握整個(gè)計(jì)算過(guò)程，清楚每個(gè)數(shù)據(jù)的來(lái)源與公式，結(jié)合理正，等設(shè)計(jì)軟件配合計(jì)算，最終得出切實(shí)可靠的計(jì)算尺寸，用于設(shè)計(jì)與施工。

［1］中華人民共和國(guó)交通部，JTG D30-2004，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范［S］.北京：人民交通出版社，2004.

［2］中華人民共和國(guó)交通部，JTD D63-2007，公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范［S］..北京：人民交通出版社，2007.

［3］凌治平.基礎(chǔ)工程［M］.北京：人民交通出版社，1997.