樁承式擋墻在軟土路基中的應(yīng)用及優(yōu)化設(shè)計(jì)

張明偉

（中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢集團(tuán)有限公司鄭州設(shè)計(jì)院，鄭州450000）

1 引言

目前，在城市軟土路基段修建支擋結(jié)構(gòu)首先需要對(duì)軟土路基進(jìn)行處理，滿足地基承載力要求后才能進(jìn)行支擋結(jié)構(gòu)的修筑。常用的軟土路基處理方法包括：換填法、水泥攪拌樁法、高壓旋噴樁法、強(qiáng)夯置換法等；市政道路常用的支擋結(jié)構(gòu)有：重力式擋土墻、懸臂式擋土墻、扶壁式擋土墻、樁板墻擋土墻等【1】。傳統(tǒng)軟土路基處理方法+傳統(tǒng)支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)方案應(yīng)用于市政軟土路基段落時(shí)，施工的影響范圍大，并且大管徑市政管線無(wú)法穿越。

樁承式擋墻，以樁基作為擋墻結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)，不僅解決了一般懸臂式擋墻必須依靠增大基礎(chǔ)尺寸來(lái)提高結(jié)構(gòu)抗傾覆穩(wěn)定性和解決地基承載力不足等問(wèn)題【2】，采用樁承式擋墻能夠減小基礎(chǔ)開(kāi)挖量，減小對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響。

樁承式擋墻并非傳統(tǒng)的樁板墻結(jié)構(gòu)，樁板墻往往由單排樁及擋土板組成，樁板墻應(yīng)用于城市軟土路基不僅豎向撓度大，而且樁間距較小，市政管線穿越困難。樁承式擋墻克服了樁板墻的缺點(diǎn)，采用折線形的樁基布置方案，不僅整體穩(wěn)定性好、豎向撓度小，而且樁間距大，方便市政管線的穿越。

2 工程概況

某條沿河市政道路與城市內(nèi)河銜接采用樁承式擋墻作為支擋結(jié)構(gòu)。支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)范圍為K1+400～K2+800。市政道路沿線分布管線多而復(fù)雜，具體包括：中壓燃?xì)夤?、熱力取水管、熱力退水管?0kV 電力電纜，其中燃?xì)夤芪慌c擋墻沖突，并且K1+450～K2+100 段雨水管已經(jīng)施工完畢。沿線地質(zhì)情況較差，地基表層分布厚約2～4m 的雜填土，中層地質(zhì)分布厚約6～12m 的淤泥質(zhì)粉質(zhì)黏土。

按照傳統(tǒng)設(shè)計(jì)思路設(shè)計(jì)，采用傳統(tǒng)懸臂式擋墻作為支擋結(jié)構(gòu)，需要對(duì)軟土路基做復(fù)合地基處理，通常采用水泥攪拌樁進(jìn)行地基處理，當(dāng)沿線分布雜填土較厚時(shí)，水泥攪拌樁難以穿透表層雜填土，需要采用高壓旋噴樁進(jìn)行地基處理。另外，施工時(shí)需要對(duì)已經(jīng)施工的雨水管進(jìn)行防護(hù)。因此，整體設(shè)計(jì)方案為：水泥攪拌樁+拉森鋼板樁+懸臂式擋墻的設(shè)計(jì)方案，具體如圖1 所示。本方案施工難度大、工程質(zhì)量難以保證。

圖1 水泥攪拌樁+拉森鋼板樁+懸臂式擋墻設(shè)計(jì)方案圖

3 樁承式擋墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以灌注樁或者打入樁作為擋墻的基礎(chǔ)，樁承式擋墻的抗滑穩(wěn)定性主要依靠樁基水平承載力，抗傾覆穩(wěn)定性主要由第二排樁基與承臺(tái)組成的結(jié)構(gòu)體的抗傾覆彎矩所提供。設(shè)計(jì)過(guò)程中通過(guò)調(diào)整懸臂墻位置、承臺(tái)大小、樁徑、橫向及縱向樁間距來(lái)驗(yàn)算樁承式擋墻的穩(wěn)定性。經(jīng)過(guò)多次驗(yàn)算，并且考慮經(jīng)濟(jì)因素，最終確定出最優(yōu)的樁承式擋墻設(shè)計(jì)方案。

樁承式擋墻橫向長(zhǎng)度按照每15m 為一節(jié)進(jìn)行設(shè)計(jì)，減小溫度應(yīng)力對(duì)結(jié)構(gòu)影響的同時(shí)方便施工。樁基采用2 排折線形的排布方式，懸臂墻在第一排樁基正上方，如圖2 所示。雙排折線形的布樁方案，在樁間距及承臺(tái)尺寸滿足JTG D63—2007《公路橋涵地基與基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》要求的前提下，盡可能縮短承臺(tái)寬度，減小基礎(chǔ)的開(kāi)挖寬度，減小對(duì)周圍構(gòu)筑物的影響。同時(shí)，市政管線能夠從樁間穿過(guò)，避免在擋土墻開(kāi)洞的做法。滿足市政管線穿越要求的同時(shí)，保證支擋結(jié)構(gòu)自身的安全性。

4 樁承式擋墻受力分析

圖2 樁承式擋設(shè)計(jì)圖

樁承式擋墻的懸臂墻受力情況與傳統(tǒng)懸臂式擋墻相似，計(jì)算方法基本一致。承臺(tái)上的作用力有結(jié)構(gòu)自重、豎向土壓力、側(cè)向土壓力、墻背與第二破裂面之間土體的重力【3】。樁基與承臺(tái)剛性連接，上部荷載通過(guò)承臺(tái)傳遞至樁基，樁基頂部的內(nèi)力主要為豎向壓力、側(cè)向壓力、彎矩，樁基同時(shí)受到地基土體水平及豎向的抗力，從而實(shí)現(xiàn)了靜力平衡狀態(tài)。

4.1 上部結(jié)構(gòu)受力分析

樁承式擋墻上部結(jié)構(gòu)由懸臂墻及承臺(tái)所組成，上部結(jié)構(gòu)受力如圖3 所示。作用在墻背上的土壓力按照庫(kù)侖理論進(jìn)行計(jì)算。

圖3 樁承式擋墻受力示意圖

圖3 中，G1、G2分別為承臺(tái)、懸臂墻自重；W1、W2分別為墻背、墻面填土壓力；Ex、Ey分別為墻背填土壓力在x、y方向的分力；Eq為地震力。

4.2 建模計(jì)算及分析

每節(jié)樁承式擋墻下方共布置5 根樁，每根樁基頂部均有3個(gè)未知力（豎向壓力、側(cè)向壓力、彎矩），每節(jié)樁承式擋墻共有15 個(gè)未知力。外荷載作用在樁承式擋墻上部結(jié)構(gòu)的力有3 個(gè)：豎向壓力、側(cè)向壓力、彎矩。通過(guò)靜定結(jié)構(gòu)方程無(wú)法求出15 個(gè)未知樁頂力，因此，本文通過(guò)SAP2000 建立有限元模型求解。

數(shù)值分析基本參數(shù)為：墻高4m；墻背土體容重20kN/m3；墻背土體車輛荷載10kN/m3；承臺(tái)上方填土厚0.9m；側(cè)土壓力系數(shù)取0.5；擋土板、承臺(tái)、樁徑等尺寸詳見(jiàn)圖2 所示。計(jì)算結(jié)果如圖4 所示。樁頂力如表1 所示。

圖4 樁承式擋墻上部結(jié)構(gòu)彎矩云圖

表1 樁頂力計(jì)算值

根據(jù)計(jì)算的樁頂力可以進(jìn)行承臺(tái)抗沖切驗(yàn)算、承臺(tái)配筋計(jì)算、樁長(zhǎng)及樁身配筋等計(jì)算，限于篇幅，略去詳細(xì)計(jì)算過(guò)程。

5 結(jié)語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)出一種新型路基支擋結(jié)構(gòu)，主要依靠樁基礎(chǔ)來(lái)為支擋結(jié)構(gòu)提供抗滑穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性，通過(guò)多次調(diào)整懸臂墻、承臺(tái)、樁基的相對(duì)位置及尺寸，得到安全可靠、經(jīng)濟(jì)合理的設(shè)計(jì)方案。樁承式擋墻具有承載能力強(qiáng)，可應(yīng)用于城市軟土路基等優(yōu)點(diǎn)。