低承載力地層條件下高支擋結(jié)構(gòu)樁基托梁式基礎(chǔ)工程應(yīng)用研究

張 楠

(遼寧省交通運(yùn)輸事業(yè)發(fā)展中心 沈陽市 110005)

0 引言

當(dāng)今公路工程建設(shè)過程中,常面臨用地受限或在高陡地區(qū)施工的情況,而采用高支擋構(gòu)筑物時(shí)又可能面臨基底土層地基承載力不足的問題。對于低承載力地層條件下的高支擋結(jié)構(gòu),采用樁基托梁式基礎(chǔ)是一種解決地基承載力不足問題的有效辦法。文章依托于八盤嶺隧道左線改建在有限用地紅線范圍內(nèi)的路基拼寬工程,詳細(xì)介紹了樁基托梁式擋墻的設(shè)計(jì)過程,闡述其工程計(jì)算分析過程,分析了該結(jié)構(gòu)形式的優(yōu)越性和適用工況,以期對類似場地工程設(shè)計(jì)提供參考。

1 工程概況

1.1 項(xiàng)目背景

文章依托于本溪市國道集本線八盤嶺隧道左線改建工程。八盤嶺隧道左線改建工程引線道路K0+250～K0+445段為既有路堤拼寬段,原路堤填高5～20m不等。拼寬路基若采用放坡方式,將新增大量占地,而現(xiàn)狀道路外側(cè)為永久基本農(nóng)田,無放坡條件,故須采用支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行快速收坡,新建支擋設(shè)施應(yīng)位于老路路堤邊坡坡腰處,以維持老路公路用地界限不變。另一方面,由于拼寬段在施工期間須保持既有道路通車運(yùn)營,拼寬側(cè)新建擋墻基坑開挖范圍過大將對既有道路邊坡穩(wěn)定造成不利影響,故新建擋墻墻高不宜過高、尺寸不宜過大。

1.2 設(shè)計(jì)方案

結(jié)合老路邊坡高度、坡率及現(xiàn)場地形,K0+250～K0+305段設(shè)計(jì)采用折背式路堤墻進(jìn)行支擋,墻高5～14m,圬工材料為C25混凝土,相應(yīng)地基承載力要求不小于300～550kPa;K0+305～K0+331段設(shè)計(jì)采用護(hù)肩支擋,高度2m,采用C25混凝土澆筑;K0+331～K0+445段設(shè)計(jì)采用衡重式路肩墻進(jìn)行支擋,墻高3.5～8.5m,圬工材料為C25混凝土,相應(yīng)地基承載力要求不小于200～350kPa。典型斷面設(shè)計(jì)圖如圖1所示。

2 地質(zhì)條件

K0+250～K0+445段落位于人工填筑土路段,地質(zhì)條件復(fù)雜多變,施工期間開挖 K0+250～K0+305段路堤墻、K0+330～K0+445 段路肩墻 2 段擋墻基坑,發(fā)現(xiàn)該段路肩墻、路堤墻擋墻基底實(shí)際出露的巖土體為填土、殘坡積層、全風(fēng)化基巖等,擋墻基底開挖揭露的覆蓋土層厚度、基巖風(fēng)化程度等工程地質(zhì)條件與原設(shè)計(jì)考慮的地質(zhì)情況存在差異,填土、殘坡積土層、全風(fēng)化基巖等巖土體地基承載力無法滿足原設(shè)計(jì)擋墻的承載力要求,需要對擋墻基底進(jìn)行地基處理。

3 低承載力地層條件下高支擋結(jié)構(gòu)樁基托梁式基礎(chǔ)

在須采用高支擋結(jié)構(gòu)而地基土層承載力又不滿足設(shè)計(jì)要求時(shí),須對擋墻基底土層做必要的地基處理。尤其當(dāng)滿足承載力要求的持力層埋深較大,或受施工環(huán)境限制不宜進(jìn)行挖除換填時(shí),可采用深層樁處理。樁基托梁式擋土墻即一種能很好地解決高支擋結(jié)構(gòu)高承載力要求與地層條件較差而承載力不足之間矛盾的方法。

樁基托梁式擋土墻是將樁和擋土墻相結(jié)合并通過托梁相連接的一種結(jié)構(gòu)形式,由樁基、托梁和擋墻三部分組合而成,如圖2所示。上部擋土墻可結(jié)合實(shí)際條件采用適宜的擋墻形式,充分發(fā)揮各類擋墻的功能和優(yōu)勢;下部樁體一方面可增強(qiáng)地基承載力,同時(shí)亦可對坡體提供抗滑作用,有助于坡體的整體穩(wěn)定性;托梁則主要起聯(lián)結(jié)和傳力的作用,聯(lián)結(jié)上部擋墻與下部樁體形成整體結(jié)構(gòu),保障擋墻的抗滑移和抗傾覆性能,同時(shí)承受上部結(jié)構(gòu)傳遞的荷載傳遞給下部樁基。

圖2 樁基托梁式擋土墻

近年來,隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和工程技術(shù)進(jìn)步,樁基托梁式擋墻在我國交通工程中的應(yīng)用逐漸廣泛,已積累一定案例[1-3]。目前,學(xué)界關(guān)于樁基托梁式擋墻的研究集中在其受力模式分析方面。黃黎冰等[4]通過擋土墻、托梁和樁整體結(jié)構(gòu)線彈性結(jié)構(gòu)模型試驗(yàn),對墻背所受土壓力的變化趨勢、擋土墻的水平和垂直變位特征進(jìn)行測試,分析了樁基托梁式擋土墻的實(shí)際工作狀態(tài)。張智超等[5]基于原位孔內(nèi)剪切試驗(yàn)結(jié)果對樁基托梁擋墻支護(hù)下邊坡應(yīng)力變形進(jìn)行了數(shù)值分析。封志軍等[6]建立同時(shí)考慮樁與托梁共同受力的力學(xué)模型,推導(dǎo)了托梁結(jié)構(gòu)內(nèi)力的便捷計(jì)算方法。倪洪亮等[7]計(jì)算樁基托梁各部分結(jié)構(gòu)的受力情況,并與抗滑樁受力結(jié)果進(jìn)行了比較分析。簡而言之,目前樁基托梁結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)時(shí),上部擋墻按擋墻理論計(jì)算;托梁部分根據(jù)是否考慮地基土的支承作用,分為一般連續(xù)梁計(jì)算模型和彈性地基梁計(jì)算模型;下部樁體按照頂部受彎矩和水平力的抗滑樁進(jìn)行計(jì)算。

4 樁基托梁式擋土墻工程設(shè)計(jì)方案

4.1 設(shè)計(jì)方案

(1)K0+250～K0+305段

整體采用樁基礎(chǔ)穿越地基承載力不滿足條件的段落,樁基礎(chǔ)進(jìn)入中風(fēng)化基巖,托梁頂部設(shè)置路堤墻支擋,樁基采用一排C30鋼筋混凝土灌注樁,樁徑1.5m,樁間距3.75m,采用正方形布樁,樁基數(shù)量共計(jì)10根,樁長10～14m;托梁高度1.5m,寬度為超出擋墻基底兩邊各0.5m,采用C35混凝土澆筑。如圖3所示。

(2)K0+331～K0+445段

采用樁基礎(chǔ)穿越地基承載力不滿足條件的段落,樁基礎(chǔ)進(jìn)入中風(fēng)化基巖,托梁頂部設(shè)置路堤墻支擋,樁基采用一排C30鋼筋混凝土灌注樁,樁徑1.5m,樁間距3.75m,采用正方形布樁,樁長8～14m,樁基數(shù)量共計(jì)31根。托梁高度1.5m,寬度為超出擋墻基底兩邊各0.5m,采用C35混凝土澆筑。如圖4所示。

圖4 樁基托梁式路肩墻(單位:cm)

為更好實(shí)現(xiàn)擋墻和托梁間的連接,擋墻底部優(yōu)化為水平,二者之間通過直徑32mm的HRB400鋼筋進(jìn)行連接,預(yù)埋鋼筋進(jìn)入擋土墻和托梁各1.0m。

4.2 結(jié)構(gòu)分析計(jì)算

(1)計(jì)算參數(shù)(表1)

表1 地層巖土物理力學(xué)計(jì)算參數(shù)表

(2)計(jì)算方法及結(jié)果

綜合考慮到當(dāng)前樁基托梁式擋土墻受力計(jì)算研究現(xiàn)狀及工程界計(jì)算經(jīng)驗(yàn),文章將樁基托梁式擋墻分解為擋墻和樁基進(jìn)行設(shè)計(jì)計(jì)算。上部擋墻參照《公路擋土墻設(shè)計(jì)與施工技術(shù)細(xì)則》[8]按通常擋墻計(jì)算方法計(jì)算即可。路肩處適當(dāng)考慮了部分行車荷載(30kPa分布荷載,作用范圍為路基橫向3.5m)。

上部擋墻受力計(jì)算模型如圖5所示。采用庫侖土壓力理論,忽略路基填土黏聚力。對于多段墻背擋墻,按超載疊加法計(jì)算出各段墻背上的主動(dòng)土壓力和作用點(diǎn),然后通過靜力平衡可得到墻底受到水平反力T、豎向反力N和彎矩M,從而也就得到了下部樁基樁頂所受荷載。

圖5 擋墻計(jì)算模型示意圖

樁基主要對上部擋墻、托梁的豎向力和自身重力進(jìn)行支撐,并對后部坡體主動(dòng)土壓力、承臺(tái)傳遞的水平力或坡體的整體下滑力進(jìn)行支擋,樁基可按單排樁高承臺(tái)樁基進(jìn)行計(jì)算。針對文中工況,樁基考慮承臺(tái)和擋墻重力,按照樁間距3.75m考慮單根樁承受的集中力。同時(shí)考慮樁基承受的擋墻土壓力傳遞的水平荷載,以驗(yàn)算樁基抗彎能力,如圖6所示,可將計(jì)算得擋墻墻底荷載施加于樁頂,計(jì)算結(jié)果將偏于安全。

圖6 樁基計(jì)算模型示意圖

經(jīng)計(jì)算,對于樁基托梁路堤墻段,取最不利斷面,單樁頂軸力為3558.75kN,樁身自重為197.9kN,單樁軸向受壓承載力容許值為:

[Ra]=0.5u∑qikli+Apqr

式中:qik為第i層土的摩阻力標(biāo)準(zhǔn)值,li為第i層土厚度,0.5u∑qikli為樁側(cè)總摩阻力容許值,計(jì)算得2789.7kN;Ap為樁端截面積,qr為持力層承載力容許值,Apqr為樁端總承載力容許值,計(jì)算得1415.2kN,即[Ra]為4204.9kN,大于單樁軸力與樁身自重之和3756.7kN,安全系數(shù)為1.12。水平力驗(yàn)算方面,按照180kN/m的水平力,考慮樁基抗彎性能,背側(cè)最大彎矩為6140.432 kN·m,最大剪力為1338.018 kN。設(shè)計(jì)樁體配筋箍筋采用HPB300鋼筋,箍筋400mm2/m,配置Φ10HPB300鋼筋,間距15cm,樁頭加密至10cm。主筋29800mm2,配置50Φ28鋼筋,主筋面積30772 mm2,可滿足要求。

5 結(jié)語

公路工程建設(shè)過程中,常面臨用地受限或在高陡地區(qū)施工的情況,當(dāng)采用高支擋構(gòu)筑物時(shí)又可能面臨基底土體地基承載力不足的問題。此時(shí)可采用樁基托梁式擋土墻進(jìn)行支擋設(shè)計(jì)。樁基托梁式擋土墻采用樁基對地基進(jìn)行增強(qiáng)加固,布置托梁連接上部擋墻并進(jìn)行荷載傳遞,很好地解決了高支擋結(jié)構(gòu)高承載力要求與地基土體承載力不足之間的矛盾。

樁基托梁式擋土墻作為一種新型工程形式,由于其自身結(jié)構(gòu)優(yōu)越性,已在當(dāng)今工程建設(shè)中得到廣泛的應(yīng)用。文章依托于八盤嶺隧道左線改建工程,對樁基托梁式擋土墻的設(shè)計(jì)思想和計(jì)算分析方法做了詳細(xì)介紹,以期對類似場地支擋設(shè)計(jì)提供參考。