樁基托梁扶壁式托盤支擋結構設計

趙青海 薛海洋 胡會星

(中鐵二院工程集團有限責任公司， 成都 610031)

近20年來,我國高速鐵路飛速發展，巖土工程支擋技術也發展迅速，支擋結構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，發展為采用支撐、錨固等技術的多種新型、輕型支擋結構[1]。但在巖土工程技術不斷更新的同時，生態環境及施工條件對巖土工程也提出了更高的要求，特別是對生態環境敏感區的半填半挖、順河、濱河及跨河段工程。受地質、水文等因素的控制，高速鐵路若以橋梁或隧道工程通過，極易導致工程投資大幅增加；若以路基通過，又極易因常規支擋工程收坡困難造成路基用地范圍明顯增大、對自然環境擾動過大或因地質、水文情況對工程安全性造成影響[2-3]，從而導致后期運營維護要求過高。在常規支擋結構(技術)難以滿足工程相關要求的地段，亟需一種新型結構來解決面臨的問題，本文創新性地提出了一種樁基托梁扶壁式托盤支擋結構[4]，并詳細介紹了其結構設計方法。

與常規支擋結構[5]相比，在對路基邊坡進行收坡及加固時，樁基托梁扶壁式托盤支擋結構受地形、地質等條件的影響較小，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構高度過大等問題。另外，在受河水沖刷較大的濱河路基和水環境敏感區的跨河和順河路基地段，常規路基支擋結構的工程實施風險較大，且難以滿足環保要求，而本結構則可有效節約工程用地，減少工程投資，降低工程對環境的影響。

1 結構形式和適用范圍

本文所述樁基托梁扶壁式托盤支擋結構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構綜合了扶壁式擋墻[1]、卸荷板-托盤式擋墻[6]的特點，在保證上部結構寬度和結構自身強度的前提下，最大程度地節約用地面積，減小土體開挖和回填的范圍，有效降低支擋結構高度；中部托梁結構結合了樁基托梁的特點，在傳遞上部荷載的同時，可為上部結構提供抗滑移的作用；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構形式如圖1所示。半幅式樁基托梁扶壁式托盤結構主要應用于陡坡路基、濱河路基；整幅式樁基托梁扶壁式托盤結構主要應用于陡坡路基、濱河路基、順河路基、跨河路基。

2 結構設計流程及理論計算

2.1 設計流程

樁基托梁扶壁式托盤支擋結構設計流程如圖2所示。

圖2 樁基托梁扶壁式托盤支擋結構設計流程圖

2.2 理論計算

(1)初步擬定墻身截面尺寸

根據線路中線位置、路基面寬度、路基設計標高、水文情況確定墻高，挑檐結構厚度一般為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，踵板設置2%橫坡向線路外側傾斜，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

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

外部荷載對托盤挑檐產生側向壓應力，對托盤踵板產生豎向壓應力，此二者均可按彈性理論計算。填土產生的土壓力可按庫倫主動土壓力計算：若不出現第二破裂面，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，出現第二破裂面，則按第二破裂面理論計算公式計算。穩定計算時應計入第二破裂面與墻背之間的土體作用[6-9]。

(3)扶壁式托盤擋墻內力計算

①挑檐的內力

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，按受彎構件計算。不產生第二破裂面時，各截面的剪力、彎矩計算公式為：

(1)

(2)

產生第二破裂面時，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——計算截面到墻頂的距離；

γ——填土重度；

Ka——主動土壓力系數；

ρ——墻背傾角；

h0——列車活載的土柱換算高度。

②踵板的內力

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定性驗算

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

(7)

(8)

(9)

(10)

(11)

式中：Kc——抗滑移穩定系數；

K0——抗傾覆穩定系數；

∑N——作用與基底的總垂直應力；

∑Ex——水平土壓力；

∑Mx——傾覆力系對墻趾的總力矩；

∑M0——穩定力系對墻趾的總力矩；

f——基底摩擦系數；

L——一幅扶壁式托盤長度；

σ1、σ2——分別為墻趾、墻踵處的應力；

e——墻底偏心距；

B——墻底長度。

(5)扶壁式托盤擋墻結構設計

上部結構設計時，挑梁、踵板和扶壁的內力計算均按懸臂梁考慮，正截面承載力、裂縫寬度等應滿足文獻[10]的相關要求。

①扶壁設計

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——肋板兩側水平拉力；

FW——肋板兩側豎向拉力；

σ0——列車、汽車活載的應力；

σZ——計算截面土壓力應力；

σH——肋板兩側水平應力；

σW——肋板兩側豎直應力；

HZ——計算截面到墻頂的距離；

L——1幅扶壁式托盤長度；

L1——肋板凈距。

②凸榫設計

為提高上部結構的抗滑穩定性，于踵板底部設置凸榫。凸榫高度應根據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[12-13]的相關要求外，為便于施工，應不小于30 cm。

(6)托梁設計

上部結構設計完成后，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]，一般可按連續梁設計或按支端懸出的簡支梁設計。初步擬定托梁及樁基布置形式，確定計算模型后，計算托梁內部擾度、轉角、彎矩和剪力情況。托梁鋼筋混凝土結構設計應滿足文獻[10-11]的相關要求。

(7)樁基設計

樁基設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，可認為上部結構的水平推力、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。樁基結構設計，應滿足文獻[12-14]的相關要求。

3 結束語

(1)樁基托梁扶壁式托盤支擋結構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、水環境敏感區域的跨河和順河路基等地段，采用樁基托梁扶壁式擋墻，能有效節約工程用地，減少工程投資，降低工程對環境的影響。

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