公路樁基擋土墻優(yōu)化設(shè)計分析

張紹權(quán)

（唐山市交通運輸局公路管理站，河北 唐山 063000）

0 引言

公路工程修建時，會受到地質(zhì)條件的影響，地勢平坦的路段便于施工，而土層特性不佳、地質(zhì)條件復(fù)雜的路段，會增大施工難度，并且還容易引起安全事故。當公路沿線存在復(fù)雜路段時，可以采用擋土結(jié)構(gòu)，通過擋土墻的設(shè)置，提高路基邊坡的整體穩(wěn)定性，以此來達到降低成本的目的。為使擋土墻的作用得以全面發(fā)揮，要對其結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計。借此就公路樁基擋土墻優(yōu)化設(shè)計展開分析探討。

1 工程概況

某公路工程項目中的第九標段內(nèi)，存在比較復(fù)雜的路段，該路段的長度約為231m，樁號為K112+243—K112+474。現(xiàn)場勘查結(jié)果表明，該路段的路基邊坡覆蓋層相對較厚，局部位置處分布含碎石塊的殘坡積，厚度約為13.3m，呈灰黃色，通過檢測后發(fā)現(xiàn)殘坡積的力學性質(zhì)比較差。該路段的路基填方邊坡原本設(shè)計的坡率為第一級1∶0.5、第二級1∶0.75。為確保路基施工的安全性，采用樁基擋土墻。初步設(shè)計時，考慮將樁基深入地基13～19m左右，樁基為矩形截面。擋土墻選用的是衡重式路肩墻，高度設(shè)置為8.0～13m，與下部承臺相連接，承臺的厚度設(shè)計為1.3～1.5m。為最大限度發(fā)揮出樁基擋土墻的作用，使路基施工能夠安全、有序開展，決定對樁基擋土墻優(yōu)化設(shè)計。

2 公路樁基擋土墻優(yōu)化設(shè)計

2.1 樁基擋土墻的特點

樁基擋土墻由樁基礎(chǔ)、承臺和擋土墻等部分組成，其可以將墻后土體產(chǎn)生的側(cè)向壓力，經(jīng)墻身承臺，傳給樁基礎(chǔ)，而樁基礎(chǔ)會將這部分力直接傳至深層的土層中，在地質(zhì)條件較為復(fù)雜的路段樁基擋土墻具有良好的適用性。樁基擋土墻的上部結(jié)構(gòu)為擋土墻，中間部分為承臺，下部結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)，按布設(shè)的位置分為路堤和路肩兩種形式的擋土墻。樁基擋土墻之所以在公路工程項目中得到越來越廣泛的應(yīng)用，與其自身所具備的諸多優(yōu)點有著密不可分的關(guān)聯(lián)，具體體現(xiàn)在如下幾個方面：樁基擋土墻的應(yīng)用能夠使圬工的使用量大幅度減少，工程在所在位置處的樁基承載力得到進一步提升，一般擋土墻的使用范圍隨之擴大；在地質(zhì)條件復(fù)雜、地基承載力

2.2 設(shè)計要求

為使樁基擋土墻在保障路基施工安全性方面的作用得以充分發(fā)揮，在設(shè)計時，要滿足以下要求：

（1）樁基擋土墻本身必須具備足夠的承載力，這是保證路基邊坡結(jié)構(gòu)穩(wěn)定的重要前提和基礎(chǔ)。對樁基擋土墻設(shè)計時，要檢查其在極限狀態(tài)下的變形狀況，確保擋土墻在壁后土體的壓力作用下能夠保持良好的穩(wěn)定性，不會出現(xiàn)嚴重的變形。

（2）在對樁基擋土墻設(shè)計時，應(yīng)結(jié)合工程實踐，依據(jù)現(xiàn)場的水文地質(zhì)提條件，選擇適宜的平面布局形式和立面尺寸，最大限度發(fā)揮出擋土墻的作用，為施工安全提供保障。

（3）樁基擋土墻設(shè)計要與周圍的自然環(huán)境相協(xié)調(diào)，設(shè)計的擋土墻結(jié)構(gòu)既要有良好的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，其外觀還要融入周圍的環(huán)境中，避免過于突兀，破壞環(huán)境的整體性[1]。

2.3 荷載分布

在公路工程中，對樁基擋土墻設(shè)計時，要充分考慮墻體的高度、截面尺寸，按照現(xiàn)場實際情況，對樁基的間距、樁基和承臺尺寸合理確定，使設(shè)計出來的樁基擋土墻更加安全。計算樁基擋土墻荷載的過程中，墻體后側(cè)向土壓力的計算方法與一般擋土墻基本相同，可采用庫倫土壓力計算，當條件簡單時，可對計算過程加以簡化。

（1）按荷載效應(yīng)組合設(shè)計承臺與樁基礎(chǔ)承載力的極限狀態(tài)。設(shè)計時，要考慮長期荷載作用的影響，據(jù)此驗算承臺的裂縫寬度并按標準組合驗算承臺的撓度。依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求，在基本組合中，荷載分項系數(shù)取值情況如下：永久荷載的分項系數(shù)可以取1.35，可變荷載的分項系數(shù)可以取1.40。而在準永久組合中，可變荷載的準永久系數(shù)可以取0.6。

（2）依據(jù)荷載效應(yīng)，采用基本組合的方式，設(shè)計樁基承載力極限狀態(tài)時，要對長期效應(yīng)的影響加以充分考慮。同時，可按照基本組合與準永久組合，開展樁基撓度試驗?；窘M合的荷載分量系數(shù)取值情況如下：永久荷載的分量系數(shù)可以取1.35，可變荷載的分量系數(shù)可以取1.40。

（3）樁基礎(chǔ)與承臺的結(jié)構(gòu)設(shè)計流程如下：先對截面尺寸合理確定，按所需設(shè)計的截面位置，確定承臺最大彎矩與最大剪力的位置；依據(jù)組合形式，對荷載效應(yīng)加以計算，為彎矩和剪力設(shè)計提供參考，根據(jù)彎矩選取主鋼筋的直徑和數(shù)量并按剪力確定箍筋的直徑、間距，最后用極限狀態(tài)對計算結(jié)果加以驗算，看是否滿足規(guī)范要求。

2.4 優(yōu)化設(shè)計方案

2.4.1 計算假定

在樁基擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計的過程中，由于擋土墻支擋前和支擋后，圍巖的應(yīng)力狀態(tài)會發(fā)生改變，所以可將使用擋土墻的圍巖應(yīng)力狀態(tài)設(shè)定為初始應(yīng)力，使用擋土墻時，要對土體開挖和回填，這一過程會對土體的應(yīng)力狀態(tài)造成擾動，可將之設(shè)定為二次應(yīng)力狀態(tài)。

本工程中，選用有限元軟件，對樁基擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計分析時，需要先構(gòu)建相應(yīng)的模型，建模過程中，要對影響計算結(jié)果的主要因素加以充分考慮，并忽略次要因素，由此除能夠使計算結(jié)果的準確性得到保障之外，還能進一步加快計算速度，縮短設(shè)計周期。基于此，要確保所選的有限元軟件具有良好的適用性。為實現(xiàn)這一目標，要對建模時使用的參數(shù)予以假定，為計算結(jié)果準確性提供保障。計算模型假定的內(nèi)容如下：邊坡土體為連續(xù)介質(zhì)，并且介質(zhì)本身具有均質(zhì)的特性，各向同性；使用有限元軟件構(gòu)建模型時，將巖土與擋土墻自重和行車荷載作為主要考慮因素；為確保計算結(jié)果準確，選用適宜邊坡支擋工程的模型。建立有限元模型時，要解決建模時的應(yīng)變及網(wǎng)格問題，由于創(chuàng)建的模型是二維模型，所以可將應(yīng)變轉(zhuǎn)換為平面應(yīng)變問題。有限元分析時，結(jié)構(gòu)承受的主要荷載為重力荷載，車輛荷載按現(xiàn)行規(guī)范取10kN/㎡。約束條件為邊界水平約束、邊界底部豎直方向的約束。根據(jù)有限元軟件，通過數(shù)值模擬的方法，分析擋土墻自重與行車荷載的影響，為優(yōu)化設(shè)計提供參考。

2.4.2 選取參數(shù)

（1）樁基擋土墻的適用范圍比較廣，在地質(zhì)條件復(fù)雜、地勢較為陡峭以及承載力嚴重不足的場地內(nèi)尤為適用，使樁基深入到穩(wěn)定的地層中，能夠進一步增強地基的承載力，由此不但能夠使圬工的用量大幅度減少，而且還能使路基邊坡的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性得到保障。為最大限度發(fā)揮出樁基擋土墻的作用，要對其參數(shù)進行合理選擇。本工程中的樁基擋土墻由三個部分組成：樁基礎(chǔ)、擋土墻和承臺（連接樁基與擋土墻），其初步設(shè)計情況如下：樁基采用矩形截面，深入地基13～19m；擋土墻選用的是衡重式路肩墻，高度為8.0～13m；承臺的厚度為1.3～1.5m，樁基礎(chǔ)的鋼筋深入承臺中50cm，以確保連接牢固可靠[2]。

（2）計算擋土墻結(jié)構(gòu)過程中，要對相關(guān)的參數(shù)加以明確，從而使計算所得的結(jié)果與實際情況相符。本工程中，擋土墻采用的是衡重式結(jié)構(gòu)，具體設(shè)計時，可依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的規(guī)定要求，計算其結(jié)構(gòu)力學。為簡化計算過程，可將擋土墻近似劃分為上下兩個部分，通過矢量求和的方法得出最終的計算結(jié)果，由此便會得到擋土墻所受到的全部土壓力。計算衡重式擋土墻壓力時，先計算出上部結(jié)構(gòu)承受的土壓力，隨后設(shè)擋土墻的安全系數(shù)為1.2，在充分考慮車輛荷載及擋土墻高度的情況下，將荷載轉(zhuǎn)換為高度，根據(jù)規(guī)范給出的公式，經(jīng)計算得出衡重式擋土墻的第一和第二破裂角分別為26.24°和28.13°。隨后將這兩個破裂角，帶入相關(guān)公式，通過計算便可得出衡重式擋土墻上部結(jié)構(gòu)承受土壓力的大小，結(jié)果為220.683kN/m，土壓力的水平與豎向分力分別為103.108 和195.114kN/m；經(jīng)計算，衡重式擋土墻下部結(jié)構(gòu)的土壓力為256.527kN/m[3]。

2.4.3 承臺設(shè)計

通常情況下，在對樁基擋土墻的承臺設(shè)計時，可按照承臺下側(cè)樁基布設(shè)位置開展計算分析。下側(cè)樁基的布設(shè)位置有單排和雙排兩種?；诖饲疤幔O(shè)計承臺結(jié)構(gòu)時，可按連續(xù)梁計算承臺結(jié)構(gòu)，以此來達到簡化設(shè)計過程的目的。

（1）確定承臺頂部荷載。本工程中，作用在承臺頂部的豎向力為18 765.3kN，該豎向力由以下幾個部分組成：擋土墻自重、上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)豎向土壓力、承臺及墻后土體自重；作用在承臺頂部上側(cè)的水平推力為346.264kN/m，該水平推力由擋土墻上部結(jié)構(gòu)和下部結(jié)構(gòu)水平土壓力組成。由豎向力可以求出承臺頂部的中心彎矩，即18 765.3kN×0.095=1 782.7kN?m[4]。

（2）確定擋土墻承臺內(nèi)力。計算承臺內(nèi)力的過程中，可將樁基擋土墻在承臺底部布設(shè)形式作為主要依據(jù)，按現(xiàn)行規(guī)范標準的規(guī)定要求，經(jīng)計算得出永久荷載效應(yīng)控制組合的設(shè)計值為2 111.81kN?m，將該設(shè)計值代入相關(guān)公式，可求出擋土墻承臺支座的彎矩為1 077.9kN?m[5]。

（3）滑動穩(wěn)定性驗算。衡重式擋土墻基底的摩擦系數(shù)為0.50，為增加抗滑動穩(wěn)定性，采用傾斜基底，具體的計算過程如下：基底的傾斜角度為11.31°，擋土墻的滑移力為104.869kN，抗滑力為405.747kN，滑移驗算結(jié)果為Kc=3.869＞1.300[6]。由驗算結(jié)果可知，本次設(shè)計的樁基擋土墻不會出現(xiàn)水平滑動現(xiàn)象。

（4）傾覆穩(wěn)定性驗算。相對于衡重式擋土墻的墻趾而言，擋土墻墻身重力的力臂Zw 為2.308m，驗算擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定性，傾覆與抗傾覆力矩分別為：943.130 和2066.104kN/m，擋土墻的傾覆穩(wěn)定性Ko=2.191＞1.500[7]。由驗算結(jié)果可知，該樁基擋土墻具有良好的抗傾覆能力。

2.4.4 樁基設(shè)計

在樁基擋土墻中，樁基是較為重要的組成部分之一，對其結(jié)構(gòu)設(shè)計時，可將計算深度確定為14m，該值能夠滿足復(fù)雜路段擋土結(jié)構(gòu)的設(shè)計要求[9]。為保證擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，樁基要嵌入到基巖中，基于這一前提，將樁基嵌入基巖的長度設(shè)定為7.5m 左右，未嵌入穩(wěn)定基巖的部分，按懸臂樁設(shè)計[10]。

（1）在樁基擋土墻結(jié)構(gòu)中，樁基需要承受來自擋土墻和承臺傳遞的雙重作用力，設(shè)計時，要充分考慮側(cè)向壓力與豎向力，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，計算樁基承受的外力，包括頂部彎矩、剪力、豎向力。經(jīng)計算，樁基頂部承受的剪力為900.29kN；承受的彎矩為6 435.6kN?m；承受的豎向力為3 671.62kN[8]。

（2）樁基設(shè)計時，要保證自身的承載力足夠，可按相關(guān)規(guī)范的要求，設(shè)計樁基承載力，與規(guī)范給出的范圍進行對比，結(jié)果表明，本次設(shè)計的樁基承載力為7 958kN，比規(guī)范要求的3 671.62kN 大出一倍，可見承載力滿足要求[11]。

通過優(yōu)化設(shè)計，最終得出樁基擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸，具體如下：墻身高為12m、承臺的厚度為1.5m、樁基礎(chǔ)的長度為14m（入巖7.5m）[12]。該擋土墻結(jié)構(gòu)具有良好的穩(wěn)定性，能夠滿足公路施工需要。

3 結(jié)語

公路工程對樁基擋土墻設(shè)計時，要充分考慮墻體的高度、截面尺寸，并按照現(xiàn)場實際情況，對樁基的間距、樁基和承臺尺寸合理確定，使設(shè)計出來的樁基擋土墻更加安全[13]。在樁基擋土墻結(jié)構(gòu)中，樁基需要承受來自擋土墻和承臺傳遞的雙重作用力，設(shè)計時，要充分考慮側(cè)向壓力與豎向力，依據(jù)現(xiàn)行規(guī)范的要求，計算樁基承受的外力，包括頂部彎矩、剪力、豎向力。

公路工程建設(shè)中，遇到復(fù)雜路段時，可以通過設(shè)置擋土結(jié)構(gòu)，確保路基邊坡的穩(wěn)定性，降低安全事故的發(fā)生概率，該措施工程造價低，易于實現(xiàn)，具有良好的推廣應(yīng)用價值[14]。為最大限度發(fā)揮出樁基擋土墻的作用，要對其結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計，使擋土墻滿足路基邊坡防護需要。