樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計

趙青海 薛海洋 胡會星

(中鐵二院工程集團(tuán)有限責(zé)任公司， 成都 610031)

近20年來,我國高速鐵路飛速發(fā)展，巖土工程支擋技術(shù)也發(fā)展迅速，支擋結(jié)構(gòu)形式已從單純依靠墻身自重平衡邊坡土壓力和滑坡下滑力的重力式擋土墻，發(fā)展為采用支撐、錨固等技術(shù)的多種新型、輕型支擋結(jié)構(gòu)[1]。但在巖土工程技術(shù)不斷更新的同時，生態(tài)環(huán)境及施工條件對巖土工程也提出了更高的要求，特別是對生態(tài)環(huán)境敏感區(qū)的半填半挖、順河、濱河及跨河段工程。受地質(zhì)、水文等因素的控制，高速鐵路若以橋梁或隧道工程通過，極易導(dǎo)致工程投資大幅增加；若以路基通過，又極易因常規(guī)支擋工程收坡困難造成路基用地范圍明顯增大、對自然環(huán)境擾動過大或因地質(zhì)、水文情況對工程安全性造成影響[2-3]，從而導(dǎo)致后期運營維護(hù)要求過高。在常規(guī)支擋結(jié)構(gòu)(技術(shù))難以滿足工程相關(guān)要求的地段，亟需一種新型結(jié)構(gòu)來解決面臨的問題，本文創(chuàng)新性地提出了一種樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)[4]，并詳細(xì)介紹了其結(jié)構(gòu)設(shè)計方法。

與常規(guī)支擋結(jié)構(gòu)[5]相比，在對路基邊坡進(jìn)行收坡及加固時，樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)受地形、地質(zhì)等條件的影響較小，能有效地解決由地面橫坡較陡、地表承載力較低等因素造成的收坡困難或支擋結(jié)構(gòu)高度過大等問題。另外，在受河水沖刷較大的濱河路基和水環(huán)境敏感區(qū)的跨河和順河路基地段，常規(guī)路基支擋結(jié)構(gòu)的工程實施風(fēng)險較大，且難以滿足環(huán)保要求，而本結(jié)構(gòu)則可有效節(jié)約工程用地，減少工程投資，降低工程對環(huán)境的影響。

1 結(jié)構(gòu)形式和適用范圍

本文所述樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)主要由上部扶壁式托盤擋土墻、中部托梁和下部樁基三部分組成。上部扶壁式托盤擋土墻結(jié)構(gòu)綜合了扶壁式擋墻[1]、卸荷板-托盤式擋墻[6]的特點，在保證上部結(jié)構(gòu)寬度和結(jié)構(gòu)自身強(qiáng)度的前提下，最大程度地節(jié)約用地面積，減小土體開挖和回填的范圍，有效降低支擋結(jié)構(gòu)高度；中部托梁結(jié)構(gòu)結(jié)合了樁基托梁的特點，在傳遞上部荷載的同時，可為上部結(jié)構(gòu)提供抗滑移的作用；下部樁基將上部荷載傳遞至持力層。樁基托梁扶壁式托盤結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。半幅式樁基托梁扶壁式托盤結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于陡坡路基、濱河路基；整幅式樁基托梁扶壁式托盤結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用于陡坡路基、濱河路基、順河路基、跨河路基。

2 結(jié)構(gòu)設(shè)計流程及理論計算

2.1 設(shè)計流程

樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如圖2所示。

圖2 樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計流程圖

2.2 理論計算

(1)初步擬定墻身截面尺寸

根據(jù)線路中線位置、路基面寬度、路基設(shè)計標(biāo)高、水文情況確定墻高，挑檐結(jié)構(gòu)厚度一般為0.2～0.5 m；墻面坡率采用1∶0.2～1∶0.5，墻背1/2H～2/3H處坡率與墻面坡率相同，墻背倒角坡率采用1∶1～1∶1.5，踵板設(shè)置2%橫坡向線路外側(cè)傾斜，整幅式托盤擋墻初步尺寸如圖3所示。

圖3 整幅式托盤擋墻初擬尺寸圖

(2)扶壁式托盤擋墻荷載分析與計算

托盤擋墻結(jié)構(gòu)受力特點與卸荷板-托盤式擋墻類似，主要受結(jié)構(gòu)自重、車輛荷載、填土荷載、下部結(jié)構(gòu)對其提供的承載力及其他結(jié)構(gòu)物荷載等的作用。

外部荷載對托盤挑檐產(chǎn)生側(cè)向壓應(yīng)力，對托盤踵板產(chǎn)生豎向壓應(yīng)力，此二者均可按彈性理論計算。填土產(chǎn)生的土壓力可按庫倫主動土壓力計算：若不出現(xiàn)第二破裂面，填土水平，用踵板下緣與挑檐上邊緣連線作為假想墻背；若踵板下緣與挑檐上邊緣連線的傾角大于臨界角，出現(xiàn)第二破裂面，則按第二破裂面理論計算公式計算。穩(wěn)定計算時應(yīng)計入第二破裂面與墻背之間的土體作用[6-9]。

(3)扶壁式托盤擋墻內(nèi)力計算

①挑檐的內(nèi)力

挑檐可考慮為固定在踵板上的懸臂梁。主要承受挑檐后部的主動土壓力，不計墻背與土體的摩擦，且忽略挑檐自重，按受彎構(gòu)件計算。不產(chǎn)生第二破裂面時，各截面的剪力、彎矩計算公式為：

(1)

(2)

產(chǎn)生第二破裂面時，計算公式為：

(3)

(4)

式中：Q1Z——距墻頂Z處挑檐的剪力；

M1Z——距墻頂Z處挑檐的彎矩；

Z——計算截面到墻頂?shù)木嚯x；

γ——填土重度；

Ka——主動土壓力系數(shù)；

ρ——墻背傾角；

h0——列車活載的土柱換算高度。

②踵板的內(nèi)力

踵板可考慮為以挑檐底端為固定端的懸臂梁。踵板上作用有第二破裂面(或假想墻背)與墻背之間土體(含其上的列車，汽車等活載)的重量，在踵板自重、主動土壓力的豎直分量和地基反力等荷載作用下，各截面的剪力、彎矩計算公式為：

(5)

(6)

式中：Q2x——距踵板端部為Bx截面的剪力；

M2x——距踵板端部為Bx截面的的彎矩；

Bx——計算截面到墻踵的距離；

h1——踵板厚度；

H1——挑檐高度；

γk——鋼筋混凝土重度；

σy1、σy2——墻趾、墻踵處的地基反力；

σ1、σ2——墻趾、墻踵處的地基反力；

B3——墻踵板長度；

B——墻底板長度。

(4)扶壁式托盤擋墻外部穩(wěn)定性驗算

按扶壁式擋土墻的檢算方法，檢算結(jié)構(gòu)的抗傾覆、抗滑移和基底承載力情況，計算公式為：

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Kc——抗滑移穩(wěn)定系數(shù)；

K0——抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)；

∑N——作用與基底的總垂直應(yīng)力；

∑Ex——水平土壓力；

∑Mx——傾覆力系對墻趾的總力矩；

∑M0——穩(wěn)定力系對墻趾的總力矩；

f——基底摩擦系數(shù)；

L——一幅扶壁式托盤長度；

σ1、σ2——分別為墻趾、墻踵處的應(yīng)力；

e——墻底偏心距；

B——墻底長度。

(5)扶壁式托盤擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計時，挑梁、踵板和扶壁的內(nèi)力計算均按懸臂梁考慮，正截面承載力、裂縫寬度等應(yīng)滿足文獻(xiàn)[10]的相關(guān)要求。

①扶壁設(shè)計

扶壁按承受相鄰兩跨墻面板中點之間的全部水平土壓力考慮，扶壁自重和作用于扶壁的豎直土壓力可忽略不計，扶壁按懸臂T形梁計算[11]，將面板視為梁的翼緣，扶壁視為梁的腹板，計算公式為：

(12)

(13)

(14)

(15)

式中：EZ——計算截面水平力；

MZ——計算截面總彎矩；

FH——肋板兩側(cè)水平拉力；

FW——肋板兩側(cè)豎向拉力；

σ0——列車、汽車活載的應(yīng)力；

σZ——計算截面土壓力應(yīng)力；

σH——肋板兩側(cè)水平應(yīng)力；

σW——肋板兩側(cè)豎直應(yīng)力；

HZ——計算截面到墻頂?shù)木嚯x；

L——1幅扶壁式托盤長度；

L1——肋板凈距。

②凸榫設(shè)計

為提高上部結(jié)構(gòu)的抗滑穩(wěn)定性，于踵板底部設(shè)置凸榫。凸榫高度應(yīng)根據(jù)凸榫所能提供的滿足全墻抗滑移要求的抗力而定，厚度除滿足文獻(xiàn)[12-13]的相關(guān)要求外，為便于施工，應(yīng)不小于30 cm。

(6)托梁設(shè)計

上部結(jié)構(gòu)設(shè)計完成后，計算作用于托梁上的各項荷載。托梁受力特點與樁基托梁相同[1]，一般可按連續(xù)梁設(shè)計或按支端懸出的簡支梁設(shè)計。初步擬定托梁及樁基布置形式，確定計算模型后，計算托梁內(nèi)部擾度、轉(zhuǎn)角、彎矩和剪力情況。托梁鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)滿足文獻(xiàn)[10-11]的相關(guān)要求。

(7)樁基設(shè)計

樁基設(shè)計荷載即為托梁傳遞至樁基的軸向力、剪力和彎矩。計算時不考慮托梁底的支撐和摩擦，可認(rèn)為上部結(jié)構(gòu)的水平推力、豎直力及彎矩通過托梁全部傳至樁頂。計算荷載確定后，根據(jù)初步擬定的樁基尺寸，將樁基簡化為平面鋼架，樁身自由段按懸臂樁計算其長度和內(nèi)力，錨固段按彈性地基梁計算，確定樁截面尺寸、長度及樁間距。樁基結(jié)構(gòu)設(shè)計，應(yīng)滿足文獻(xiàn)[12-14]的相關(guān)要求。

3 結(jié)束語

(1)樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)主要包括扶壁式托盤擋墻、托梁和樁基三部分。

(2)在局部地面橫坡較陡、地表承載力較低或是在受河水沖刷較大的濱河路基、水環(huán)境敏感區(qū)域的跨河和順河路基等地段，采用樁基托梁扶壁式擋墻，能有效節(jié)約工程用地，減少工程投資，降低工程對環(huán)境的影響。

(3)本文提出的樁基托梁扶壁式托盤支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計流程和計算方法，可為今后工程設(shè)計提供參考。