高烈度地區(qū)雙排樁基托梁浸水擋土墻的應用研究

雷正敏

（中鐵第五勘察設計院集團有限公司，北京 102600）

樁基托梁擋土墻［1-2］是擋土墻與鉆孔樁相結合并由托梁（承載板）相連接的一種支擋結構，主要用于解決地基承載力較低的問題。樁基托梁擋土墻擴大了一般重力式擋土墻的使用范圍［3］，可適用于一般地區(qū)、浸水地區(qū)和地震區(qū)，主要用于緊鄰既有鐵路公路的邊坡、陡坡、危巖落石等地段，尤其適合岸坡沖刷嚴重的工程，能減小擋土墻尺寸，降低工程投資，減少對坡體的干擾。

濱海、臨河工程中浸水擋土墻［4］受河流長期沖蝕，由于基礎外露而發(fā)生傾覆破壞的情況時有發(fā)生。為滿足沖刷深度和地基承載力的要求，擋土墻基礎一般埋置較深，在深基坑開挖過程中會對河堤穩(wěn)定產生不利影響。高烈度地震區(qū)由于水平地震力作用的影響，擋土墻墻身往往較厚，對河道影響大，也不利于節(jié)約工程投資。

雙排樁基托梁由兩排平行的鋼筋混凝土樁，以及樁頂的托梁（承載板）構成。通過樁土協(xié)同作用，前、后排樁及托梁（承載板）之間形成門式空間結構。該結構具有較大的側向剛度，可以有效地限制支護結構側向位移［5］。樁基托梁結構改善了擋土墻底部的受力條件，優(yōu)化了擋土墻的受力和變形，起到承載與支擋的雙重作用［6］，并能夠減小擋土墻墻身尺寸。

對于樁基托梁擋土墻結構的設計計算，解析法計算過程繁瑣、復雜，數值分析方法能夠充分考慮樁土間、樁樁間的空間作用，能夠模擬復雜環(huán)境下的地基變形趨勢，計算結果較為合理，是一種更為簡便和高效的工具。

本文結合甘肅省2018 年省列重大項目——天水市有軌電車示范線濱河路基工程，研究雙排樁基托梁擋土墻結構體系在浸水路基工程中的應用，并采用有限元方法計算構件的內力，以解決浸水擋土墻的基礎設置及位移控制問題，減少對河道的占壓，避免深基坑擋土墻的施工困難問題。

1 工程實例

1.1 概況

天水市有軌電車示范線濱河路基工程位于河岸階地、河漫灘上，受河水侵蝕，地形起伏變化大，河道沖刷深度約3 m。因工程條件限制，部分段落要占壓河道，為盡可能減少對河流過水斷面的影響，須要采取支擋結構進行收坡。

地層巖性主要為第四系全新統(tǒng)人工填土、第四系全新統(tǒng)坡積層粉質黏土、第四系全新統(tǒng)沖洪積細圓礫土，下伏新近系強風化泥巖。

人工填土以圓礫為主，灰色或雜色，土質不均勻，包含有粉質黏土、礫砂等，稍濕，Ⅱ級普通土，地基基本承載力σ0=120 kPa。

粉質黏土為黃褐色，稍濕，可塑～硬塑，Ⅱ級普通土，σ0=120 kPa。該層零星夾雜建筑垃圾及生活垃圾。

圓礫為雜色，稍濕～飽和，稍密～中密，土質較均勻，Ⅱ級普通土，σ0=240 kPa。

泥巖為青灰色或棕紅色，泥質結構，厚層狀，主要成分為黏土礦物，泥質膠結，吸水性較強，遇水軟化易崩解，巖體破碎，節(jié)理裂隙發(fā)育，Ⅳ級軟石，σ0=350 kPa。

該工程場地抗震設防烈度為8 度，地震動峰值加速度為0.3g。

1.2 方案研究與比選

設計過程中研究了樁板式擋土墻、重力式浸水擋土墻、樁基托梁浸水擋土墻等多種支擋方案，結合現場地質情況和施工難易程度進行了技術經濟綜合比選。各方案簡述如下：

1）樁板式擋土墻方案穩(wěn)定性系數較高，但其工程量相對較大，造價較高。由于需要人工開挖樁孔，河道內地層為透水層且地下、地表水豐富，人工挖孔時容易塌孔，造成比較嚴重的質量安全事故。

2）重力式浸水擋土墻方案措施單一，施工組織簡單。由于河道沖刷深度約3 m，擋土墻基礎埋深較大，開挖會影響整個河道。擋土墻大部分埋入河道，造成擋土墻露出地面的高度較小，不能起到較好的收坡效果。擋土墻基底所在粉質黏土層，零星分布建筑垃圾及生活垃圾，承載力不均勻，不可作為擋土墻持力層，應換填或采用樁基處理。

3）樁基托梁浸水擋土墻方案綜合了以上2種措施的優(yōu)點，樁基可采用鉆孔灌注樁或旋挖鉆進技術，能提高施工效率和施工安全性。擋土墻基礎直接放置在托梁上，無需埋置在沖刷深度以下，避免了收坡效果差的缺點，是比較合理可行的方案。但該方案設計復雜，驗算繁瑣。

各方案經濟性比較見表1。樁板式擋土墻方案造價最高，而且施工風險大，首先予以排除。重力式浸水擋土墻實體工程造價相對較低，但是如果考慮開挖擋墻基坑時降水的費用，總造價比樁基托梁擋土墻更高，而且施工開挖深度大，破壞河道地形地貌，影響防洪安全。樁基托梁擋土墻方案總造價低，施工難度小，對河道影響較小，是比較合適的方案。本方案的重點是要進行樁基托梁中樁頂位移的控制，進行樁的剪力和彎矩的分析。

表1 各方案經濟性比較（每公里造價）

1.3 工程措施

1）根據現場地形地貌及周邊環(huán)境條件，為減小河道開挖深度，有效控制河流的沖刷，經過詳細的比選后采用樁基托梁擋土墻結構支護體系。通過試算，采用雙排樁才能有效控制樁頂位移，典型斷面如圖1所示。

圖1 雙排樁基托梁典型斷面（單位：m）

2）雙排樁基托梁擋土墻采用鉆孔灌注樁作為樁基礎，垂直線路方向樁間距2.5 m，沿線路方向樁間距6.0 m。灌注樁采用C40 混凝土灌注，樁直徑1.0 m，樁長12.5 m。

3）鉆孔灌注樁樁頂設混凝土托梁，托梁高為1.0～1.5 m，寬為4.0～4.5 m，每12 m 分節(jié)，采用C40鋼筋混凝土澆筑。

4）擋土墻高度4.5～5.0 m，采用C35 混凝土澆筑，基礎置于托梁上。

5）托梁外側設置混凝土斜坡防沖刷工程，處理深度為地面以下4 m。

6）要求擋土墻、樁基及托梁工程在枯水季節(jié)施工。樁基托梁擋土墻施工情況及運營后情況見圖2、圖3。

圖2 樁基托梁擋土墻施工

圖3 試運營時邊坡

2 計算分析

樁基托梁擋土墻結構為復合結構體系，擋土墻和樁基托梁是一個整體，不能孤立考慮［1］。擋土墻受到的庫倫土壓力傳遞到托梁和樁上，樁的位移又直接影響著擋土墻、托梁的穩(wěn)定。因此，本文重點對雙排樁頂的應力、應變進行分析。

2.1 計算參數選取

墻后填土采用綜合內摩擦角進行庫倫土壓力計算，相關地層物理力學參數為：河堤及人工填土的綜合內摩擦角40°，重度19 kN/m3，壓縮模量5 MPa；粉質黏土的綜合內摩擦角35°，重度19 kN/m3，壓縮模量10 MPa；圓礫土綜合內摩擦角40°，重度23 kN/m3，壓縮模量24 MPa；強風化泥巖綜合內摩擦角45°，重度25 kN/m3。

2.2 數值模型的建立

采用有限元方法，可以有效模擬較為復雜條件下的地基變形情況［7-8］。圖4 為該工程的三維有限元模型，土體本構關系采用Mohr?Coulomb 屈服準則，擋土墻及托梁采用彈性材料模型，樁基采用梁單元，樁土接觸及樁底約束采用樁界面單元及樁端單元模擬。模型采用位移邊界，模型兩側位移Dx=0，Dy=0，底部位移Dz=0，樁身約束旋轉。軌道列車荷載采用雙線單荷土柱形式加載，土柱寬度為4 m，高度為2 m，土柱重度為19 kN/m3，地震作用采用主動地震土壓力，以換算地震角的形式加入到Mohr?Coulomb 本構模型的材料參數中，采用非線性靜力計算模式進行分析。

圖4 三維有限元模型

2.3 計算結果

托梁頂擋土墻承受水平土壓力的作用，托梁頂荷載有較大偏心，且樁體上部存在約4.0 m 厚的粉質黏土。該土層橫向抗力較弱，故經反復試算，當樁長12.5 m，即深入強風化泥巖層8.5 m 深度時，樁頂水平位移才滿足規(guī)范要求。

前后排樁的樁頂水平位移見圖5?？芍瑯俄斪畲笏轿灰茷?.85 mm，滿足地面處樁水平位移不大于10 mm的規(guī)范要求。

前后排樁的彎矩見圖6?？芍芭艠稑渡碜畲髲澗貫?88 kN·m，位于樁頂以下4.18 m 處；后排樁樁身最大彎矩為270 kN·m，位于樁頂以下9.16 m處。前排樁受力較大，變形較大。

前后排樁的剪力見圖7。可知，前排樁樁頂以下5.76 m 處正向剪力最大，達到215 kN；后排樁樁身最大正向剪力位置與前排樁基本一致，位于樁頂以下5.94 m處，但是剪力值比前排樁小，只有66 kN。

圖5 前后排樁的樁頂水平位移（單位：m）

圖6 前后排樁的彎矩（單位：kN·m）

圖7 前后排樁的剪力（單位：kN）

由于托梁頂荷載有較大偏心，導致前排樁受力較大，相應的變形也較大。雙排樁結構能夠充分發(fā)揮樁側土的約束作用及門式結構協(xié)調變形的特點，使得整體結構具有較大的橫向剛度，可以有效減小擋土墻及樁頂的橫向變形。前后排樁協(xié)同受力，較為合理。

3 結論

本文通過樁基托梁擋土墻的受力和位移分析，表明該結構類型也適用于高烈度浸水地區(qū)，得到如下結論：

1）樁基托梁擋土墻在浸水工程中，尤其沖刷深度較深、墻底下臥層力學性質較差、且存在較強地震作用時，是較為合理的選擇。

2）雙排樁基托梁結構具有較強的橫向剛度，是一種空間作用較強的結構形式，該結構可同時利用土體對樁的側向抗力，在復雜地質條件下，當解析法計算繁瑣時，采用數值模擬方法能夠簡便地得到結構的變形和受力情況。

3）雙排樁基托梁擋土墻施工期間及施工完成后，經過監(jiān)測，樁頂位移最大為7.6 mm，完全滿足安全穩(wěn)定的要求。監(jiān)測位移比計算值稍偏小，主要原因是計算時考慮了列車荷載的作用，而目前列車并沒有正式開通運營，實際列車荷載小于計算荷載。