某公路高填方路堤樁基托梁擋土墻的應(yīng)用分析

■張宗燕

（武夷山市興夷公路養(yǎng)護(hù)工程有限公司， 南平 353000）

高填方邊坡設(shè)計(jì)一般有放坡法和支擋法兩種方法， 較緩的邊坡坡率可以有效增強(qiáng)邊坡穩(wěn)定性，但也明顯增加邊坡占地面積、對(duì)用地紅線受限區(qū)域?qū)o(wú)法實(shí)施； 高填方重力式支擋結(jié)構(gòu)對(duì)基底要求高，對(duì)于地質(zhì)條件復(fù)雜、軟基等地基承載力不足工程條件下，重力式擋墻既不經(jīng)濟(jì)也不安全，特別是高擋墻更加不可取。 為解決地質(zhì)條件復(fù)雜且用地受限的高填方公路工程的施工難題，邊坡設(shè)計(jì)時(shí)可結(jié)合上述兩種方法的優(yōu)點(diǎn)，邊坡上部采用放坡法提高工程經(jīng)濟(jì)性，下部采用支擋結(jié)構(gòu)收縮邊坡，減少用地范圍， 并同時(shí)采用加筋土減小邊坡不均勻沉降，提高工程安全性[1-3]。 本文依托某公路下邊坡工程的治理實(shí)例，對(duì)邊坡穩(wěn)定性和樁基托梁擋土墻設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目簡(jiǎn)介

本次道路工程位于建甌市城東，是建甌市東向聯(lián)接省道204 的交通要道， 本次路段K2+050～K2+160路段左側(cè)下邊坡為工業(yè)園區(qū)， 標(biāo)高為132.58～133.75 m；道路右側(cè)臺(tái)地為規(guī)劃地塊，現(xiàn)狀為居民區(qū)，標(biāo)高為156～157 m；擬建擋墻位置現(xiàn)狀標(biāo)高為132.95～134.28 m。 目前， 該臺(tái)地東北向已建好擋墻長(zhǎng)度為144 m，為滿足本項(xiàng)目道路及規(guī)劃用地需求，需回填路基至道路設(shè)計(jì)標(biāo)高。 路基回填后，臺(tái)地南側(cè)會(huì)形成高填方邊坡，回填最大高度約22 m，為避免占到工業(yè)園區(qū)地塊，需要設(shè)置路堤擋墻支護(hù)回收坡腳。 本次設(shè)計(jì)擋墻支護(hù)長(zhǎng)度為110 m。 項(xiàng)目平面圖如圖1 所示。

圖1 項(xiàng)目平面圖

1.2 工程地質(zhì)條件

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)踏勘調(diào)查，邊坡現(xiàn)狀基本穩(wěn)定。 綜合判定擬建場(chǎng)地周邊環(huán)境復(fù)雜程度較復(fù)雜。 場(chǎng)地內(nèi)巖土層自上而下分述如下：①素填土（Qml）：本層在擬建場(chǎng)地內(nèi)所有鉆孔均有揭示， 揭露層厚3.10～8.40 m，工程地質(zhì)性能差；②粉質(zhì)粘土（Q4dl）：本層在擬建場(chǎng)地內(nèi)除ZK3 孔外其它鉆孔均有揭示，揭露層厚1.30～1.80 m，工程地質(zhì)性能一般；③碎塊狀強(qiáng)風(fēng)化砂巖（J1l）：該層場(chǎng)地內(nèi)所有鉆孔均有揭示，揭示厚度1.50～5.10 m，層面起伏較大，工程地質(zhì)性能較好；④中風(fēng)化砂巖（J1l）：該層場(chǎng)地內(nèi)所有鉆孔均有揭示，揭示厚度6.10～8.30 m，層面起伏不大，工程地質(zhì)性能好。 地質(zhì)剖面圖如圖2 所示。

圖2 地質(zhì)剖面圖

2 邊坡穩(wěn)定性分析

根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)的地形、地貌條件，取典型K2+090 填方斷面作為計(jì)算剖面。 自重及本項(xiàng)目公路荷載是本次高填邊坡滑體的主要作用力， 由于受暴雨的影響，使土體重量劇增并產(chǎn)生一定的水動(dòng)力，土體的抗剪強(qiáng)度急劇下降， 土體的力學(xué)性質(zhì)也完全改變；此外，填方地基上層為素填土，主要成分以粘性土為主，尚未完成自重固結(jié)，密實(shí)度及均勻性差，力學(xué)強(qiáng)度低， 揭露層平均厚度達(dá)7.5 m， 工程地質(zhì)性能差，對(duì)邊坡穩(wěn)定性影響較大。

2.1 不同工況下計(jì)算參數(shù)的確定

路基填料采用碎石土，參數(shù)容重取18.8 kN/m3，C 值取18 kPa，Φ 值取25； 原臺(tái)地填土為殘坡積層和砂巖風(fēng)化層， 參數(shù)容重取18.2 kN/m3，C 值取13 kPa，Φ 值取21。參考地質(zhì)勘探報(bào)告，邊坡計(jì)算參數(shù)選取如表1 所示。

表1 邊坡土體計(jì)算參數(shù)

2.2 邊坡穩(wěn)定性計(jì)算

本次采用Geo-slope 邊坡穩(wěn)定性分析軟件，根據(jù)表1 計(jì)算參數(shù)及公路荷載， 對(duì)K2+090 處典型斷面按不同工況進(jìn)行穩(wěn)定分析，忽略地震荷載及地下水作用，得出非正常工況Fs=0.958<1.1，正常工況為Fs=1.033<1.2，正常工況計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖3 所示。 由得出的結(jié)果可知，不同工況的安全系數(shù)均不符《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》[4]的規(guī)定，邊坡不穩(wěn)定需采取加強(qiáng)方案。

圖3 正常工況計(jì)算簡(jiǎn)圖

3 邊坡建設(shè)方案

在對(duì)邊坡穩(wěn)定性分析后得知，直接在原素填土上填筑邊坡，不進(jìn)行任何處理，將造成臺(tái)地失穩(wěn)及不均勻沉降。 根據(jù)工程用地 （下邊坡離工業(yè)園區(qū)近）、建設(shè)方案（與前期擋墻的銜接等）和該邊坡的形態(tài)特征，建議填方邊坡下部采用重力式擋土墻進(jìn)行支護(hù)；邊坡上部按坡率1∶1.5 回填加筋土夯實(shí)，采用土釘加固、網(wǎng)格植草皮等坡面防護(hù)措施，并對(duì)素填土部分進(jìn)行適當(dāng)深度換填。 具體邊坡建設(shè)方案如圖4 所示。

圖4 邊坡建設(shè)方案

3.1 邊坡上部

擋土墻墻頂以上填方采用加筋土填筑，筋材采用土工格柵，土工格柵具有一定剛度及較大抗拉強(qiáng)度，可以有效提高臺(tái)地邊坡整體穩(wěn)定性。 土工格柵鋪設(shè)從擋墻頂開(kāi)始由下往上逐層鋪設(shè)，每壓實(shí)兩層鋪設(shè)一層，鋪設(shè)層間距1 m；采用碎石土作為填料，且壓實(shí)度應(yīng)≥95%，坡頂3 m 范圍內(nèi)利用場(chǎng)地粘性土壓實(shí)回填防止?jié)B水。 填料粒徑應(yīng)＜20 cm，且不得帶有尖銳棱角以防損壞土工筋帶。 本工程使用的土工格柵為單向拉伸塑料土工格柵（GDL），技術(shù)指標(biāo)如表2 所示。

表2 土工格柵技術(shù)指標(biāo)要求

3.2 邊坡下部

根據(jù)本次勘察成果可知設(shè)計(jì)擋土墻位置的巖土層分布情況，上部①素填土和②粉質(zhì)粘土層承載力低，兩土層總厚度達(dá)4.4～10.2 m，不能滿足設(shè)計(jì)承載力要求； 下伏③強(qiáng)風(fēng)化砂巖和④中風(fēng)化砂巖，兩層工程地質(zhì)性能較好， 承載力可以滿足設(shè)計(jì)要求，但埋深較大，不具備采用淺基礎(chǔ)條件，且換填造價(jià)太高。 因此，可采用樁基礎(chǔ)，以③強(qiáng)風(fēng)化砂巖和④中風(fēng)化砂巖為樁基礎(chǔ)持力層。 并且，由于沖鉆孔灌注樁抗彎、抗剪切能力較強(qiáng)，應(yīng)優(yōu)先選用。 總體而言，擋土墻高度H 不宜＞8 m，基礎(chǔ)埋入持力層的深度不宜＜1 m，以增大被動(dòng)土壓力，防止擋土墻內(nèi)移。擋土墻另設(shè)排水孔及反濾層，每10～20 m 設(shè)1 條變形縫， 墻背填料宜選用透水性且級(jí)配較好的碎石土、砂類土，墻底及素填土，邊坡部分換填2 m 深片塊石，進(jìn)一步增強(qiáng)邊坡及擋墻穩(wěn)定性。

4 擋墻驗(yàn)算

樁基托梁擋土墻主要用于解決地基承載力較低的矛盾，目前多依靠實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行樁基托梁擋土墻設(shè)計(jì)，通常將樁基托梁擋土墻設(shè)計(jì)分為樁基設(shè)計(jì)及擋土墻設(shè)計(jì)，樁基設(shè)計(jì)包括樁及托梁設(shè)計(jì)，擋土墻設(shè)計(jì)一般按照普通擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)。

本項(xiàng)目樁基托梁擋土墻具體尺寸見(jiàn)圖5， 擋土墻每15 m 設(shè)置1 道沉降縫，縫寬2 cm，墻高6 m，擋墻墻身和托梁采用C25 鋼筋混凝土，水泥混凝土抗壓強(qiáng)度不小于25 MPa； 托梁底部并排布置2 根C30 現(xiàn)澆沖（鉆）孔灌注樁，樁長(zhǎng)16 m，樁徑1 m，樁橫向間距1.5 m，縱向間距4 m。 擋土墻墻背填料采用不易風(fēng)化的巖石棄渣或碎石類土，并做到分層填筑，分層夯實(shí)。 墻背填料計(jì)算內(nèi)摩擦角φ=35°，擋土墻基底摩擦系數(shù)f0=0.3；墻背填料重度r=21 kN/m3，墻身重度rk=23 kN/m3。 擋墻安全等級(jí)采用二級(jí)，結(jié)構(gòu)重要系數(shù)為1.0。 邊坡土體計(jì)算參數(shù)見(jiàn)表1。

圖5 樁基托梁擋土墻尺寸圖

4.1 穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋土墻上的恒荷載主要有墻身自重、墻后土壓力和滑體推力等；基本可變荷載主要為車(chē)輛荷載及其影響力，其他可變荷載有靜水壓力、人群荷載等[1]。本項(xiàng)目通過(guò)理正巖土計(jì)算軟件進(jìn)行受力分析，經(jīng)穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算、擋墻截面強(qiáng)度驗(yàn)算等步驟，以上計(jì)算結(jié)果均滿足要求。

主要計(jì)算結(jié)果為：擋墻高度為6 m，計(jì)算得每延米擋墻墻背水平土壓力Ex=103.75 kN，豎向土壓力Ey=89.78 kN， 墻身截面積V=21.28 m2， 墻重W=435.44 kN， 作用于墻腳趾的彎距M=725.45 kN·m，偏心距e=0.24 m，通過(guò)搜索最危險(xiǎn)滑動(dòng)面，計(jì)算得下滑力T=2096.16 kN，抗滑力F=3385.87 kN，得到最小安全系數(shù)K=1.62≥1.250， 整體穩(wěn)定驗(yàn)算滿足要求。

4.2 樁基和托梁驗(yàn)算

托梁連接著擋土墻和樁基， 受力作用復(fù)雜，托梁上部荷載可按均布荷載考慮。 托梁所受內(nèi)力可按連續(xù)梁進(jìn)行分析。 擋土墻傳遞給托梁的荷載包括水平荷載、豎直荷載和彎矩。 托梁的豎向矩形分布荷載為托梁自重和擋士墻墻底合力之和即N=681.1 kN/m，最大正彎矩為623.328 kN·m、最大負(fù)彎矩為－1142.762 kN·m、最大剪力為1714.149 kN。托梁的計(jì)算簡(jiǎn)圖如圖6、7 所示。

圖6 托梁計(jì)算簡(jiǎn)圖

圖7 托梁彎矩剪力包絡(luò)圖

本次托梁根據(jù)結(jié)構(gòu)彎矩計(jì)算結(jié)果得最小配筋率：上側(cè)Amin=13500 mm2，下側(cè)Amin=12960 mm2。抗剪截面滿足：γ0Vd=-1714.149 kN＜截面強(qiáng)度1/γRE（0.51×10-3√fcu，kbh0）=18101.136 kN。 箍筋：計(jì)算Av/s=1620 mm2/m。

本次樁基計(jì)算中，上部坡體推力與土壓力簡(jiǎn)化為水平荷載，經(jīng)過(guò)擋墻傳遞至托梁側(cè)面，墻身結(jié)構(gòu)及墻上填土自重為豎向荷載作用于托梁頂部，托梁與樁頂為固結(jié)段， 應(yīng)考慮托梁對(duì)樁頂?shù)募s束作用，樁身段按彈性長(zhǎng)樁簡(jiǎn)化計(jì)算[1]；本次樁基驗(yàn)算在滿足擋墻穩(wěn)定性要求前提下，進(jìn)行內(nèi)力分析并優(yōu)化配筋。 樁基的設(shè)計(jì)參數(shù)取值如表3 所示。

表3 樁基設(shè)計(jì)參數(shù)建議取值

本次樁基托梁擋土墻中，樁基埋入中風(fēng)化堅(jiān)實(shí)持力層2.0 m，將上部結(jié)構(gòu)荷載進(jìn)行傳遞至巖層，樁基布置及尺寸見(jiàn)圖5，根據(jù)理正軟件計(jì)算：前樁背側(cè)最大彎矩為201.29 kN·m，距離樁頂5 m；面?zhèn)茸畲髲澗貫椋?53.23 kN·m，距離樁頂0 m；最大剪力為309.66 kN，距離樁頂0 m；最大位移為－3.309 mm。 后樁背側(cè)最大彎矩為111.121 kN·m，距離樁頂7.4 m；面?zhèn)茸畲髲澗貫椋?01.56 kN·m，距離樁頂0 m；最大剪力為91.905 kN，距離樁頂0 m；最大位移為－3.32 mm。 樁底豎向合力為6550.08 kN，樁底面積A 為6.28 m2，樁底所在巖層承載力為1250 kPa，滿足要求。 具體計(jì)算結(jié)果如圖8 所示。 由本次樁基根據(jù)結(jié)構(gòu)計(jì)算結(jié)果得單樁配筋率：縱筋面積為3927 mm2、箍筋面積為227 mm2。

圖8 樁基內(nèi)力計(jì)算結(jié)果

5 效果評(píng)價(jià)

為了跟蹤邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定狀態(tài)和變形趨勢(shì)，應(yīng)對(duì)該邊坡及支護(hù)結(jié)構(gòu)進(jìn)行系統(tǒng)監(jiān)測(cè)，通過(guò)使用水平儀、全站儀、標(biāo)樁等儀器設(shè)備，對(duì)邊坡的水平位移和垂直位移進(jìn)行監(jiān)測(cè)[3]；本項(xiàng)目工程在坡頂布置3 個(gè)垂直位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)和5 個(gè)水平位移監(jiān)測(cè)點(diǎn)，在2020 年5 月至2020 年7 月每間隔10 d 監(jiān)測(cè)邊坡位移量，具體監(jiān)測(cè)結(jié)果如圖9 所示。通過(guò)位移監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)表明本工程邊坡已趨于穩(wěn)定，工程治理效果良好。

圖9 位移監(jiān)測(cè)曲線

6 結(jié)語(yǔ)

工程設(shè)計(jì)應(yīng)考慮設(shè)計(jì)方案的適宜性、 經(jīng)濟(jì)性和可行性， 并結(jié)合工期等多方面因素確定最終設(shè)計(jì)方案。本次路堤高邊坡工程設(shè)計(jì)前，對(duì)邊坡附近的地形地貌、水文條件和地質(zhì)情況進(jìn)行了詳細(xì)調(diào)查，首先通過(guò)邊坡穩(wěn)定性計(jì)算分析確定邊坡是否穩(wěn)定， 其次結(jié)合工程的特性、經(jīng)濟(jì)及施工條件等，確定設(shè)計(jì)方案，工程治理效果良好。 希望通過(guò)本次高邊坡工程的成功處治方案，能為同行提供有價(jià)值的借鑒和參考。