樁基托梁擋土墻在高速公路沿河路堤支擋工程中的應用

姚 廣

（山西省交通科技研發有限公司，山西 太原 030032）

1 工程概況

某高速公路位于滇東北構造侵蝕中低山區，為省際間連接主要城市的快速干線公路，采用雙向四車道高速公路設計標準，設計速度80 km/h，路基寬度24.5 m，分離式路基寬度12.25 m，汽車荷載公路-I級。

K146+532—K147+003路段為半填半挖路基，總長471 m，最大填土高度35 m。由于原地面線坡率較大，填方路堤穩定性難以保證，且路堤邊坡受河水沖刷嚴重，增加路基不安全因素。由于所處地形環境的特殊性，該段路基需要增加防護措施，以保證陡坡路堤在行車荷載以及水流沖刷下的整體穩定性。

2 工程地質條件

2.1 地形、地貌

該路段位于高原與盆地的結合部，地勢西南高、東北低，處于淺切割構造剝蝕低中山侵蝕地貌區，山高谷深。地區地表水流以侵蝕作用為主，山頂渾圓，壟狀起伏，相對高差300～500 m，坡度30°～60°，溝谷呈“U”型，兩側谷坡巖溶形態為砍痕狀及條帶狀溶痕及溶溝、溶谷、溶洞，局部見小型巖溶洼地、溶蝕漏斗等。

2.2 氣象、水文

該路段線路區區域屬于亞熱帶、暖溫帶共存的高原季風立體氣候區域。冬春季寒冷而干燥，夏無酷暑。干濕季明顯，每年降水多集中在6—10月，每年11月到次年5月為干季，降水量和地表、地下水源顯著減少，每年3—5月往往有春旱發生。

線路區河流屬于長江水系，具有典型的山區河流特點。降水是徑流的主要來源，區域內地表水和地下水較為豐富，大小直流河水終年長流不斷。洪水多由暴雨形成，大洪水多發生在6—9月，尤以7月、8月為甚，最大流量1 560 m3/s，最小流量8.53 m3/s。

2.3 地層巖性

該路段路線范圍內主要分布第四系沖洪積（Q4al+pl）層、坡殘積層（Q4dl+el）層、崩坡積層（Q4c+dl），其下為泥盆系中統（D2）、泥盆系下統（D1）、志留系上統菜地灣組（S3）、志留系中統大路寨組及嘶風崖組（S2）地層。

2.4 項目地質水文環境特點

該路段存在的不良地質作用主要為不穩定斜坡。受附近大斷裂及新構造運動控制，該段河谷切割較深，山高坡陡，巖層淺埋，風化強烈，巖體較破碎-破碎。因暴雨、河流沖刷等外力影響，易引起局部邊坡滑移、路基沉降等。該路段沿線區域夏季暴雨多，山洪急，河流水位變化幅度大。

表1 項目區域地層巖性表

由于巖石的裸露，滲透力較弱，坡度較陡，回流時間很短，河槽不但較深并且狹長，汛期流量過程變化較多，尤其是在強降雨天氣或長時間連續降雨天氣，洪水量的暴漲，使得周圍環境陡漲陡落，河水沖刷破壞力及其嚴重。

沿河路堤填方部分段落壓縮了河床泄洪斷面，在雨季洪水流量較大時，水位較高，水流速度較快，可能造成路基沖刷后的崩塌，產生缺口，嚴重時會將路基沖毀，造成嚴重的后果。這些都是此項目沿河路堤防護過程中亟需解決的問題。

3 方案比選

綜合該路段的工程地質條件因素，擬定樁板墻支撐路基、半橋半路基和重力式擋土墻支撐路基3個方案來進行處理。樁板墻支擋結構受汽車荷載的影響，結構受力性能沒有衡重式擋土墻好，長期安全性能較差，錨固較深，施工安全不易控制，施工進度也得不到保證；半山橋方案采用橋跨結構跨越陡坡段，造價高，不經濟；重力式擋土墻方案施工方便，較為經濟，選用重力式擋土墻作為推薦方案。

考慮到擋土墻沿河床布設，地下水位較高，受河流沖刷嚴重，地基承載力差，不適宜澆筑擋土墻基礎，通常情況下，宜用大截面和在擋土墻底部換填并擴大擋土墻基礎，但圬工體積較大，工程實施難度大，工程造價高。采用樁基托梁基礎可以減少基礎開挖量，將樁基置于穩定的巖層中，能夠有效解決河流沖刷和地基松軟造成的問題，保證坡體的安全穩定。

4 樁基擋土墻結構設計與計算

4.1 結構設計與參數選取

選用樁基托梁路堤擋土墻，該段路堤填土高度選用14 m，擋土墻選擇浸水擋土墻。根據云南省山區高速公路建設技術指南《DB53T 827.1—2017》[1]，該區域擋土墻采用C25片石混凝土澆筑，具體結構圖如圖1所示。

圖1 樁基托梁擋土墻結構橫斷面示意圖

4.2 擋土墻設計計算

擋土墻的荷載主要有擋土墻結構本身自重以及墻后土壓力的主要荷載，凍融區的凍脹以及浸水擋土墻的靜水壓力和動水壓力的附加荷載，地震、洪水泥石流沖擊的特殊荷載等。本設計中樁基擋土墻結構按極限承載能力設計，受力采用荷載效應的基本組合進行計算。

擋土墻土壓力采用庫倫土壓力理論計算最不利工況下的土壓力。由于擋墻下部有承臺與樁基礎，擋土墻的穩定性可以得到保證，擋土墻設計只需要進行擋墻截面剪應力、壓應力和拉應力驗算，保證其不得超過擋土墻材料抗力設計值。設計中采用理正巖土設計軟件進行擋墻設計計算。擋土墻計算模型如圖2所示，擋墻高度以及尺寸計算結果如表2所示。

圖2 擋土墻計算模型

表2 仰斜式路堤擋土墻標準尺寸（浸水路段h=14 m）

4.3 承臺計算

根據相關工程經驗及項目實際，本設計中承臺尺寸采用10 m×5.7 m，厚度采用1.5 m。

圖3 承臺與樁基設計尺寸（單位：cm）

承臺計算按照懸臂式承臺的簡支梁類型計算，樁基礎全部承受來自上部結構的豎向和水平荷載，地基巖土體對承臺的作用力可以視為零。

圖4 作用在懸臂式承臺上的外力分布圖

其中，q為上部結構作用于懸臂式承臺橫向的均布荷載；N為上部結構作用于懸臂式承臺豎直方向上的集中荷載；Ex為上部結構作用于懸臂式承臺的水平側向荷載；M為上部結構作用于懸臂式承臺的彎矩，其大小為單位彎矩乘以承臺在樁基礎上的跨徑。

圖5 懸臂式承臺簡支梁內力計算圖

通過計算，懸臂式承臺簡支梁豎直面內力計算公式如下：

式中：M0為承臺在外荷載作用下樁基礎的彎矩；Mz為承臺在承臺一跨上中間的彎矩；Q0為承臺樁基礎處的剪力；Q1為承臺上一跨中得到的最大剪力。

懸臂式承臺簡支梁水平面內力計算公式如下：

經計算，本設計中承臺支座位置最大負彎矩M0=3 965.43 kN，托梁下部雙向主鋼筋配置為HRB400，φ22，間距200 mm，可以滿足設計要求。

4.4 樁基驗算

根據地勘鉆孔資料，本段河床濕軟層厚度為4.5～5.5 m，以下為強 -中風化基巖層，承載力2 000 kPa。本設計中采用單排樁，設計樁長為6 m，樁基尺寸為1.5 m×2 m。

樁基擋土墻結構工作性能的發揮取決于樁基礎的強度、剛度和穩定性。假設承臺與周圍巖土之間的作用可以忽略不計，樁基礎頂部主要承受來自承臺以上土體作用時產生的豎向壓力和各個方向的水平側向荷載，則由承臺設計計算可知懸臂式承臺下樁基礎豎向荷載為N，水平荷載為Ex，彎矩為M+Ex。

本路段樁基托梁擋土墻的樁基礎周圍的接觸介質為土體，樁基礎的變形與受力均沿樁身均勻變化。因為樁基礎在均勻土體中，保持整體形狀不改變，樁基礎在外荷載作用下，豎向位移變化較小，不計入整體計算中。只考慮水平荷載下的水平位移和外部彎矩作用下的角位移，樁基礎沿樁身方向的方程可以表示為[2]：

式中：E為樁基礎的彈性模量；I為樁基礎的截面慣性矩：C為彈性地基系數；Bp為樁基礎的平面幾何尺寸；y為任意點距樁基礎頂面的距離；xy為任意點在豎向距離為y時的水平位移。

本路段樁基礎基本處于性質變化不大的土體中，C為常數。由數學方法求解方程，將樁基礎底端部產生的位移視為零，在該處樁基礎會發生變形時，滿足 xh=0，φh=0，Mh≠0,Qh≠0，則樁頂處的位移 x0和轉角φ0為：

經計算當采用兩根樁，樁間距為5.5 m，樁基最大彎矩M=4 014 kN/m，最大剪力1 855 kN。根據需要可在樁基受拉側配置10束由3根φ28鋼筋組成鋼束即可，受壓側配置構造鋼筋。

5 施工注意

為保證樁基擋土墻的施工質量，需要注意以下幾點：

a）樁基擋土墻在施工線對地基要進行夯實處理。

b）樁基的施工應采取可靠的護臂措施，隔樁施工，防止竄孔。

c）托梁澆筑之后應在頂面拋擲石塊，增大擋土墻與托梁之間的摩擦系數。

d）托梁澆筑應保證一次性澆筑完成，預埋冷卻管。

e）擋土墻墻背填土及上部放坡均采用分層碾壓，填方材料采用全風化砂巖，要求填料最小強度CBR值不小于4%，壓實系數不小于0.94。

6 結語

樁基擋土墻是一種重要的支擋構造物，擴大了一般圬工式擋土墻的使用范圍，解決了擋土墻結構基礎承載力較低的問題。本項目沿河路堤的支擋工程中采用了樁基擋土墻，有效地解決了陡坡路基邊坡失穩、河流沖刷和地基松軟的問題，可為今后類似工程提供參考。