樁-扶壁組合式擋土墻在高填方路基中的應(yīng)用

劉育新 何俊龍 鄭亮

(西安市政設(shè)計(jì)研究院有限公司 700068)

引言

隨著城市不斷發(fā)展, 城市擴(kuò)展對(duì)地塊的需求不斷上升, 往往需要在溝道、山坡等復(fù)雜地段修建道路, 通常會(huì)涉及到擋墻結(jié)構(gòu), 對(duì)于填方段擋墻, 常用的有重力式、扶壁式、樁板式、加筋土等形式, 各類擋土墻均有各自的適用條件, 具體設(shè)計(jì)中應(yīng)綜合考慮地基承載力、填方高度、施工難易度、經(jīng)濟(jì)性、耐久性等因素, 選擇合適的擋墻形式。

對(duì)于填方高度大于12m 的路段, 多采用扶壁式擋墻, 該形式擋墻具有占地面積小、穩(wěn)定性好、造價(jià)低、施工質(zhì)量有保證等優(yōu)點(diǎn), 當(dāng)場(chǎng)地地基為素填土且處理后承載力較低時(shí), 為了解決擋墻基底承載力低、工后沉降大、側(cè)向變形大、整體穩(wěn)定性差等關(guān)鍵問題, 不得不需要對(duì)地基進(jìn)行處理, 地基處理難度大且費(fèi)用較高, 針對(duì)此問題, 本文結(jié)合實(shí)際工程采用一種樁-扶壁組合式擋土墻, 下部采用樁基礎(chǔ)可有效解決地基承載力低、工后沉降大、整體穩(wěn)定性差等問題, 避免了地基處理, 同時(shí)可有效控制擋墻的側(cè)向變形, 上部采用扶壁結(jié)構(gòu), 能夠有效地減小結(jié)構(gòu)尺寸, 降低造價(jià)。該形式擋墻綜合了樁基礎(chǔ)與扶壁各自的優(yōu)點(diǎn), 能夠解決擋墻填方高度大、地基承載力低等問題, 是一種應(yīng)用范圍廣的組合式支擋結(jié)構(gòu)。

1 工程概況

本項(xiàng)目位于某地區(qū)新建道路, 路基填方高度最大為12m, 根據(jù)地勘報(bào)告顯示, 項(xiàng)目場(chǎng)地地層自上而下依次由素填土(Qml)、第四系上更新統(tǒng)沖積粉質(zhì)粘土、粉土、細(xì)砂、粗砂、卵石層構(gòu)成, 其中素填土主要以粘性土為主, 含少量碎石塊和建筑垃圾, 土質(zhì)不均勻, 以松散狀態(tài)為主, 工程性能差, 層厚8m ～15m。各層場(chǎng)地土參數(shù)見表1。

表1 場(chǎng)地土參數(shù)Tab.1 Site soil parameter

結(jié)合本項(xiàng)目填方高度以及地質(zhì)特點(diǎn), 地基表層為8m ～15m 厚素填土, 基本容許承載力僅為120kPa, 同時(shí)由于場(chǎng)地土表層素填土孔隙率以及含水量較高, 并結(jié)合本地區(qū)工程經(jīng)驗(yàn), 若采用碎石樁對(duì)基礎(chǔ)進(jìn)行處理, 處理后最大地基承載力為200kPa, 不能滿足擋墻的設(shè)計(jì)要求。綜合上述因素, 本工程最終采用樁-扶壁組合式擋墻, 能夠有效提高擋墻基礎(chǔ)承載力低, 并兼顧解決擋墻的抗滑移及整體穩(wěn)定性的問題, 具有強(qiáng)度高、變形小、耐久性好、占地小等優(yōu)點(diǎn)。

2 樁-扶壁組合式擋土墻設(shè)計(jì)

2.1 總體設(shè)計(jì)

擋土墻采用一級(jí)樁基礎(chǔ)與扶壁組合式擋墻,擋土墻高度H=12m, 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段長(zhǎng)度L=14m。擋土墻由上部扶壁和下部基礎(chǔ)組成。墻頂?shù)缆凡贾脼?m 人行道+18m 行車道, 如圖1 所示(注: 平面圖中陰影部分為墻面板與肋板平面投影)。

1.上部扶壁

上部扶壁由墻面板、肋板組成, 采用C35 混凝土, 墻面板厚度0.6m, 高10m, 肋板厚度1m,底寬3.1m, 頂寬0.5m, 縱向中心間距5.25m,墻面板背后4m 范圍內(nèi)填料應(yīng)采用透水性較好的天然砂礫, 要求填料最大粒徑不超過15cm, 內(nèi)摩擦角不低于30°, 壓實(shí)度不低于95%, 墻面板泄水孔采用直徑10cmPVC 泄水管, 孔距2m, 呈梅花形布置, 最下層距地面高0.5m, 縱坡5%,在擋墻底部至墻頂以下0.5m 范圍內(nèi), 泄水管進(jìn)水口處設(shè)置30cm 寬級(jí)配碎石反濾層。

圖1 標(biāo)準(zhǔn)節(jié)段擋墻布置(單位: m)Fig.1 Layout of standard segment retaining wall (unit: m)

2.下部基礎(chǔ)

下部基礎(chǔ)由承臺(tái)和樁基組成, 均采用C30 混凝土, 承臺(tái)高2m, 長(zhǎng)14m, 寬5.2m, 底部連接6 根直徑1.2m 鉆孔灌注樁, 前、后排樁基沿道路縱向間距5.25m, 橫向間距3m, 樁長(zhǎng)28m, 樁底進(jìn)入⑤卵石層。

2.2 上部扶壁結(jié)構(gòu)

上部扶壁由墻面板、肋板和底板組成, 墻面板等效為固結(jié)在肋板和承臺(tái)上的三向固結(jié)板構(gòu)件, 可簡(jiǎn)化為按豎直方向、水平方向分別計(jì)算。

1.扶壁結(jié)構(gòu)受力簡(jiǎn)化

參考《公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》(下文稱為文獻(xiàn)[1])第8.3.6 條規(guī)定, 作用于墻面板上的荷載僅計(jì)入墻后主動(dòng)土壓力的水平分力, 可不計(jì)墻面板的自重、墻后土壓力的豎向分力、墻前被動(dòng)土壓力等。作用于墻面板上的替代水平土壓應(yīng)力簡(jiǎn)化為梯形分布, 如圖2 所示。

圖2 墻面板替代水平土壓應(yīng)力Fig.2 Wall panels replace horizontal soil pressure stress

圖中H/4 ～3H/4 高度區(qū)段的替代水平土壓應(yīng)力σPJ=(σs+σD)/2, 其中σs、σD分別為墻面板頂面、底面的水平土壓應(yīng)力。

肋板可按錨固在承臺(tái)上的T 形截面懸臂梁簡(jiǎn)化計(jì)算, 墻面板為梁截面的翼緣板, 肋板為腹板。

2.土壓力計(jì)算

主要材料及計(jì)算參數(shù)見表2。

表2 主要材料及計(jì)算參數(shù)Tab.2 Main materials and calculation parameters

(1)汽車荷載、人群荷載換算土層

汽車荷載、人群荷載產(chǎn)生的側(cè)向壓力可按照換算土層來計(jì)算, 可參考文獻(xiàn)[2]附錄H 第11條規(guī)定或文獻(xiàn)[4]第4.3.4 條規(guī)定進(jìn)行計(jì)算。本工程擋墻高度H=12m 時(shí),q車=10kN/m2, 汽車荷載換算土層厚度h0車=0.556m; 人群荷載換算土層厚度h0人=0.184m。

(2)填土土壓力

扶壁結(jié)構(gòu)土壓力按照文獻(xiàn)[1]附錄A 的規(guī)定計(jì)算, 驗(yàn)算地基承載力、外部穩(wěn)定、底板正截面抗彎承載力時(shí), 當(dāng)墻后填土破壞棱體符合不出現(xiàn)第二破裂面的條件時(shí), 可將墻面板頂面后緣與后踵板板端下緣的連線作為假象墻背, 計(jì)算土壓力, 當(dāng)符合出現(xiàn)第二破裂面的條件時(shí), 以第二破裂面為墻背計(jì)算土壓力; 當(dāng)計(jì)算墻面板正截面抗彎承載力時(shí), 可按實(shí)際墻背計(jì)算土壓力, 不考慮墻背與填料之間的摩擦力。

3.扶壁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果

本工程墻面板厚0.6m, 水平與豎向均設(shè)置直徑20mm 鋼筋, 間距15cm; 肋板根部寬1m,高4.2m, 翼緣板寬5.25m, 翼緣板厚0.6m, 外表面設(shè)置2 排直徑28mm 鋼筋, 共16 根。扶壁結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果見表3。

表3 扶壁結(jié)構(gòu)強(qiáng)度驗(yàn)算結(jié)果Tab.3 Results of structural strength checking of buttresses

由表3 計(jì)算可知, 扶壁結(jié)構(gòu)的承載力滿足規(guī)范要求。

2.3 下部樁基礎(chǔ)

1.上部荷載轉(zhuǎn)換

將上部扶壁結(jié)構(gòu)的荷載轉(zhuǎn)換到作用于承臺(tái)底部中心處的豎向力N、水平剪力Q及彎矩M, 按照水平受荷群樁理論計(jì)算樁基在N、Q、M作用下的變形和受力性狀, 計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。

圖3 樁基受力計(jì)算簡(jiǎn)圖Fig.3 Simplified diagram of pile foundation force calculation

承臺(tái)底中心位置處豎向力N=20013kN, 彎矩M= -6283kN·m(順時(shí)針為正), 水平剪力Q= -5003kN(向右為正)。

2.有限元模型

本文采用Midas Civil 有限元軟件對(duì)擋墻樁基礎(chǔ)進(jìn)行建模分析, 樁基與承臺(tái)均采用桿單元模擬, 樁的單元長(zhǎng)度取1m, 樁底固結(jié),樁與土之間的水平向作用采用等代土彈簧來模擬, 忽略樁土間的豎向作用, 即將樁基等效為彈性地基梁進(jìn)行受力計(jì)算。計(jì)算模型如圖4 所示。

圖4 下部基礎(chǔ)有限元模型Fig.4 The finite element model of the lower foundation

3.樁基效應(yīng)

(1)等代土彈簧剛度

等代土彈簧剛度是根據(jù)土體地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)m來模擬, 雙排樁排距在2d～5d范圍內(nèi)時(shí), 樁之間的橫向距離較小, 計(jì)算時(shí)需要考慮樁間土的作用, 《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》(下文簡(jiǎn)稱為文獻(xiàn)[7])與《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》(下文簡(jiǎn)稱為文獻(xiàn)[8])分別規(guī)定了如何考慮樁間土的作用, 具體如下:

1)文獻(xiàn)[7]附錄L 中規(guī)定深度z處的地基水平向抗力系數(shù)C=mz(m的取值根據(jù)土的物性而定), 深度z位置處的等代土彈簧剛度, 其中地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)m按照附錄L 中表L.0.2-1 選取, 樁的計(jì)算寬度b按照附錄L 中L.0.1 條規(guī)定計(jì)算, 計(jì)算公式L.0.1-3、4 中規(guī)定參數(shù)k(平行于水平力方向的樁間相互影響系數(shù))來考慮多排樁間土的相互影響。

2)文獻(xiàn)[8]第4.1.5 條規(guī)定了內(nèi)側(cè)土(前排樁)的水平反力系數(shù)k=m(z-h),z表示計(jì)算點(diǎn)距離底面的高度,h表示計(jì)算工況下的基坑開挖深度, 深度z位置處的等代土彈簧剛度, 其中地基抗力系數(shù)的比例系數(shù)m可按照文件[7]附錄L中表L.0.2-1 選取, 樁的計(jì)算寬度b按照文獻(xiàn)[8]第4.1.5 條規(guī)定計(jì)算, 依據(jù)4.12.3 條考慮樁間土的水平剛度系數(shù), 即將前、后排樁之間采用等效彈簧連接以模擬樁間土的作用。

(2)計(jì)算結(jié)果

樁基效應(yīng)計(jì)算結(jié)果見表4。由表4 可知, 文獻(xiàn)[8]計(jì)算的結(jié)果比文獻(xiàn)[7]更不利, 保守考慮,建議采用文獻(xiàn)[8]的計(jì)算方法進(jìn)行計(jì)算。

表4 樁頂位移和內(nèi)力計(jì)算結(jié)果Tab.4 Calculation results of pile top displacement and internal force

4.地基水平承載力驗(yàn)算

樁周土體水平反力分布如圖5 所示。

圖5 樁周土體水平反力分布(單位: kN)Fig.5 Distribution of horizontal reaction force of soil around pile (unit: kN)

由計(jì)算可知, 樁頂以下H/3 ～H(樁長(zhǎng))范圍內(nèi)樁周土體最大反力為167.4kN, 水平壓應(yīng)力為84.3kPa。依據(jù)《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》(TB10025—2019)第13.2.9-2 條對(duì)樁周土體的橫向壓應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算, 結(jié)果顯示地基橫向容許承載力[σ]=601.6＞84.3kPa, 樁周地基土水平承載力滿足要求。

5.抗滑移驗(yàn)算

由于填土處于欠固結(jié)狀態(tài), 不考慮土體與基底的摩擦力, 基底抗滑由樁基承擔(dān), 按式(1)驗(yàn)算:

6.傾覆驗(yàn)算

對(duì)于墻趾點(diǎn)取距, 樁基礎(chǔ)擋土墻的抗傾覆驗(yàn)算按照式(2)驗(yàn)算:

式中:G為扶壁結(jié)構(gòu)及上層覆土的自重;T1和T2為前、后排樁的抗拔力, 保守計(jì)算可近似取樁頂豎向反力;Eax與Eay分別為土壓力的水平及豎向分力;X0、XT1、XT2、Zax、Zay分別為各力對(duì)于墻趾點(diǎn)的力臂。

計(jì)算可得: 傾覆力矩為20262.8kN·m, 抗傾覆力矩為59868.9kN·m, 抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K=59868.9/20262.8 =3.0＞1.5, 滿足規(guī)范要求。

3 結(jié)語

扶壁與樁基礎(chǔ)組合式擋土墻能夠適用于填方高度大、地基承載力低的路基段支擋工程, 可有效控制擋墻基礎(chǔ)沉降及側(cè)向變形。在實(shí)際應(yīng)用中, 樁基礎(chǔ)與土體之間的傳力模式復(fù)雜, 設(shè)計(jì)人員操作起來相對(duì)困難, 為此本文基于扶壁擋墻和群樁基礎(chǔ)的設(shè)計(jì)理論, 將樁-扶壁組合式擋墻劃分為上部和下部?jī)刹糠? 上部采用扶壁擋墻的設(shè)計(jì)理論, 下部采用群樁的設(shè)計(jì)理論, 其中下部分析中采用等代土彈簧對(duì)樁-土作用進(jìn)行模擬, 將樁基受力等效為彈性地基梁, 該方法更便于設(shè)計(jì)人員實(shí)際操作, 為類似工程提供參考。