李德心, 程　建, 李軍歌, 薛　垚

(四川省交通運(yùn)輸廳交通勘察設(shè)計(jì)研究院， 四川成都 610000)

四川省“十三五”綜合交通運(yùn)輸發(fā)展規(guī)劃明確了公路完成4 800億元的目標(biāo)，到2020年，基本建成現(xiàn)代綜合交通運(yùn)輸體系，建成西部綜合交通樞紐。四川處于山地丘陵區(qū)，高填方邊坡和陡坡路堤經(jīng)常在公路建設(shè)中遇到，在浸水、陡坡、地層穩(wěn)定性較差的情況下，可考慮采用樁基托梁擋土墻。

1　樁基托梁設(shè)計(jì)思路

樁基托梁擋土墻是擋土墻與樁由托梁連接，將擋土墻傳來的荷載通過托梁傳遞給樁，樁通過樁周圍土的摩阻力及樁端土的支撐力，把荷載傳遞到地基中。

(1)進(jìn)行邊坡穩(wěn)定性分析，初擬擋墻尺寸，驗(yàn)算墻身自身傾覆穩(wěn)定性和擋土墻土壓力，擬定托梁尺寸，再計(jì)算托梁外力，算出傳遞到托梁上的每延米豎向力、水平推力和彎矩，然后計(jì)算托梁的內(nèi)力，按照簡支梁計(jì)算支座和跨中彎矩、最大剪力，按彈性地基梁(基本假定為樁身任一點(diǎn)處巖土的抗力與該點(diǎn)的位移成正比)計(jì)算，結(jié)合托梁自重分布荷載。托梁內(nèi)力不考慮梁底面土體對梁體的彈性地基梁支撐作用，模型采用支端懸出的簡支梁。

(2)擬定樁的尺寸和樁間距，不考慮梁底的支承和摩擦，將擋土墻墻底合力與托梁自重?fù)Q算到托梁底面?zhèn)髦翗俄?，按彈性地基梁，地基彈性抗力系?shù)采用m法(認(rèn)為地基系數(shù)是隨深度而變化，比例系數(shù)以m表示)，根據(jù)撓曲微分方程和樁底約束條件，算出樁身內(nèi)力和變位，校核驗(yàn)算樁土反力是否超過容許值，調(diào)整樁基尺寸、埋深、間距，重新驗(yàn)算直至通過，根據(jù)樁身彎矩、剪力圖，按照基本組合計(jì)算荷載效應(yīng)(設(shè)計(jì)彎矩和設(shè)計(jì)剪力)，進(jìn)行樁身結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

2　工程概況

本工點(diǎn)位于國道108線K2443+435～K2443+514段路基變形體位于滎經(jīng)縣滎河鄉(xiāng)馮家村，路基填筑于陡坡中部，外側(cè)為滎河。為減少河岸沖刷，增加路堤穩(wěn)定性，采用樁基托梁擋土墻。路基范圍內(nèi)地層上部為人工填土，其下為崩坡積層的碎石土，松散～稍密狀，承載力較低，下伏須家河組的砂巖、粉砂質(zhì)泥巖、炭質(zhì)泥巖，薄～中厚層狀構(gòu)造。原公路為半填半挖路基，擋墻已有沉降、開裂變形，路面已拉裂，加之受“4·20”蘆山強(qiáng)烈地震影響，路面已形成貫通裂縫，裂縫長約57 m，平均寬約10 cm，公路內(nèi)側(cè)邊坡為陡崖，邊坡基巖裸露，節(jié)理、裂隙發(fā)育，時(shí)有崩塌、碎落發(fā)生，砸向路面，嚴(yán)重影響公路的安全運(yùn)營(圖1)。

圖1　路基變形

3　方案設(shè)計(jì)與分析

針對變形路基所在邊坡，采用極限平衡法進(jìn)行穩(wěn)定性的定量分析。得出僅在暴雨工況條件下，該邊坡局部淺表層有滑動變形的風(fēng)險(xiǎn)。

3.1　方案設(shè)計(jì)

對內(nèi)側(cè)邊坡采取掛主動網(wǎng)防護(hù)，防護(hù)區(qū)域?yàn)榛鶐r裸露、節(jié)理裂隙發(fā)育區(qū)域，主要位于邊坡中上部。對原變形路基進(jìn)行挖除換填，換填料采用砂卵礫石土。路面下2.0 m位置加鋪一層5 cm厚高強(qiáng)土工格室，施工時(shí)須分層填筑分層碾壓，其壓實(shí)度必須滿足規(guī)范要求。擬于靠滎經(jīng)端設(shè)9.0 m長衡重式路肩墻，于靠泗坪端設(shè)66.0 m長樁基托梁擋土墻， 1～10號樁樁頂托梁長10 m，11～13號樁樁托梁長16.0 m，托梁式擋土墻為衡重式擋土墻，具體結(jié)構(gòu)形式如圖2所示。

圖2　樁基托梁結(jié)構(gòu)形式(單位:cm)

3.2　受力分析

3.2.1衡重式擋土墻土壓力計(jì)算

本項(xiàng)目采用的擋墻尺寸：墻頂寬0.5 m，墻面坡度1∶0.05，上墻背坡度1∶0.4，下墻背坡度1∶0.25，上墻高2.1 m，下墻高3.6 m，墻趾高0.6 m，墻趾寬0.3 m。此次計(jì)算為了便于結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)取消原基底坡度0.1∶1。擋土墻基底摩擦系數(shù)f=0.5，內(nèi)摩擦角φ= 35°，填料容重：γ=21.0 kN/m3，墻身容重：γ=23.0 kN/m3，土壓力計(jì)算式行車荷載按照2004年JTGD 30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》規(guī)定采用10 kN/m2，其他荷載分項(xiàng)系數(shù)均按照規(guī)范要求取用:組合系數(shù)為1.0，擋土墻結(jié)構(gòu)重力分項(xiàng)系數(shù) = 1.000 ，填土重力分項(xiàng)系數(shù)=1.000，填土側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù) = 1.4 ，車輛荷載引起的土側(cè)壓力分項(xiàng)系數(shù) = 1.4。土壓力計(jì)算采用“理正擋土墻設(shè)計(jì)程序”完成，其結(jié)果如下：

計(jì)算高度為 5.878 m處的庫侖主動土壓力。

無荷載時(shí)的破裂角：27.486°，計(jì)算上墻土壓力，按假想墻背計(jì)算得到:

第1破裂角： 28.998°

Ea=39.733 kNEx=11.625 kNEy=37.995 kN作用點(diǎn)高度Zy=0.700 m

因?yàn)楦┬眽Ρ常枧袛嗟诙屏衙媸欠翊嬖?，?jì)算后發(fā)現(xiàn)第二破裂面存在：

第2破裂角：27.496° 第1破裂角=27.486°

Ea=27.172 kNEx=12.548 kNEy=24.101 kN作用點(diǎn)高度Zy=0.700 m

計(jì)算下墻土壓力，無荷載時(shí)的破裂角: 35.154°

按力多邊形法計(jì)算得到:破裂角： 35.154°

Ea=50.105 kNEx=50.014 kNEy=3.027 kN作用點(diǎn)高度Zy=1.591 m

墻身截面積=9.171 m2重量=210.927 kN

衡重臺上填料重=29.701kN 重心坐標(biāo)(1.287,-1.116)(相對于墻面坡上角點(diǎn))

由此分析，采用第二破裂面法計(jì)算出擋墻所受的水平土壓力合力為Eax= 12.548+50.014=62.562 kN/m。

3.2.2托梁外力計(jì)算

本文僅驗(yàn)算更為不利16 m的梁，托梁計(jì)算時(shí)，將其考慮為跨徑16 m=(2.5+5.5+5.5+2.5) m的支端懸出的簡支梁結(jié)構(gòu)，其尺寸采用1.2 m×2.5 m，樁基設(shè)置于托梁形心位置。其延米荷載情況如下。

3.2.2.1豎向荷載計(jì)算

(1)第二破裂面與墻背間填料重:Wt=29.701 kN/m

(2)衡重式擋墻自重：W1=210.927 kN/m

(3)托梁自重：W2=75 kN/m

(4) 上墻土壓力的豎向分力：Ey1=24.101 kN/m

(5) 下墻土壓力的豎向分力：Ey2=3.027 kN/m

將各力簡化到托梁地面中心位置(樁基礎(chǔ)軸線位置)：

豎向力：N=29.701+210.927+75+24.101+3.027=342.75 kN/m

3.2.2.2水平荷載計(jì)算

(1)上墻土壓力的水平分力：Ex1=12.548 kN

(2)下墻土壓力的水平分力：Ex2=50.014 kN

將各力簡化到托梁底面水平面位置(樁基礎(chǔ)軸線位置)

水平力：F=12.548+50.014=62.56 kN/m

傾覆力矩= 124.616 kN·m抗傾覆力矩= 384.170 kN·m

3.2.2.3彎矩計(jì)算

將以上所有的力向托梁底面中心簡化，求的彎矩如下(順時(shí)針為正)

Mn=342.75×1.81/2+124.616-384.170=50.63 kN·m/m

3.2.3托梁內(nèi)力計(jì)算

考慮到本項(xiàng)目梁底面覆蓋層厚度較大(6 m)，且自身強(qiáng)度也比較小故在計(jì)算中不考慮梁底面土體對梁體的彈性地基梁支撐作用。模型采用(2.5+5.5+5.5+2.5) m跨徑分布的支端懸出的簡支梁，計(jì)算采用“理正結(jié)構(gòu)工具箱”，其計(jì)算結(jié)果如圖3所示。

圖3　托梁受力簡圖

由此進(jìn)行托梁結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)。

3.2.4樁頂外力計(jì)算

按照托梁計(jì)算模型，其支座處的豎向支反力即為樁豎向荷載。其外力計(jì)算如下：

(1) 彎矩：M=M×L/2=50.63×5=-253.15 kN·M

(2) 水平力：F=62.56×5=312.8 kN

(3)豎向力：N=342.75×5=1713.75 kN

3.2.5樁內(nèi)力計(jì)算

根據(jù)立面布置情況，本段共有樁13根，穿越地層均為兩層，其力學(xué)指標(biāo)如表1。

表1　地下土層力學(xué)指標(biāo)

地基彈性抗力系數(shù)考慮采用m法計(jì)算，樁端鉸支，其內(nèi)力分析采用“理正巖土”進(jìn)行計(jì)算，通過計(jì)算，樁基礎(chǔ)采用人工挖孔方樁，間距2 m，樁采用2 m×1.5 m尺寸，參照2004年JTGD 30-2004《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》中樁側(cè)地基橫向容許承載力的計(jì)算公式，滿足容許抗力大于土反力(樁內(nèi)力計(jì)算表略)。

4　結(jié)束語

本文結(jié)合工程實(shí)例，配合使用理正巖土和結(jié)構(gòu)工具箱軟件，簡述了樁基托梁在震區(qū)公路邊坡中的設(shè)計(jì)計(jì)算過程，多是在河岸沖刷、陡坡、穩(wěn)定性差的覆蓋層較厚情況下采用，實(shí)踐表明，該類型擋土墻技術(shù)可靠，投資較省，值得在震區(qū)公路邊坡支擋中進(jìn)一步推廣使用。