河源市鸿图公路勘察设计有限公司 广东河源 517000
摘要：本文主要通过粤东北地区沿江道路采用桩基悬臂式挡土墙的工程实例，简要分析桩基悬臂式挡土墙的特点及应用范围，以江边填土高6米、墙身高10米的悬臂式路堤挡土墙为研究计算分析对象，利用GEO5岩土设计和分析软件对整体挡墙的结构受力进行模型计算，概要阐明结构计算理论及计算模型，通过计算结果，分析桩基悬臂式挡土墙在各种工况设计状态下的受力特点及计算要点，总结分析该类型挡土墙的适用性及结构设计计算过程中的部分可借鉴经验。
关键词：桩基；悬臂式挡土墙；计算方法；结构计算分析
一、前言
近些年来，很多道路（公路或者市政道路）依江布设，以打造一江两岸集休闲、旅游、交通的绿色长廊景观带；沿江道路的建设往往需考虑具备防洪固堤、休闲景观等多功能，而要求路面须达到一定的高程、路基须满足防冲刷以发挥防洪固堤的作用，使得沿江道路不可避免的需采用高挡墙结构以收缩坡脚、少占河道同时保证填筑路基的稳定。根据地质条件、防洪、填土高度及溜坡范围、道路使用功能等要求可采用不同型式的挡土墙，本文将通过粤东北地区的工程实例，研究计算分析桩基础悬臂式钢筋混凝土挡土墙在沿江道路的应用。
二、工程实例
粤东北地区某沿江道路工程，公路等级二级公路，路基宽27.5米，路面宽20.5米，双向四车道，两侧设人行道及观景台；由于线型及线位限制，需在江边高填土方以构筑路基，路面设计标高距离自然河滩地面约16米，水利部门要求路基填筑不能压缩河道（或侵占河道）影响行洪标准，设计方案拟设置高挡土墙以收缩路基填筑宽度保证路基稳定，满足结构基础防冲刷要求（项目该区域的计算冲刷线为3米）。
根据地质勘察报告，主要地层为第四系的人工填筑土土层、下伏燕山期凝灰岩层。①填筑土：厚6.3米，稍湿，稍密；其成分由砂、碎石、粉质粘土及局部少量生活垃圾组成；该土质不均匀，基本完成自重固结，属多年填筑土；TCR=80～90%。重型动力触探试验修正击数平均值N63.5＝4.80击（2.9～6.7击）。②强风化凝灰岩：厚3.2米，该岩风化强烈，岩石极破碎，岩芯呈角砾状、碎块状为主，局部岩芯呈块状；岩芯锤击易碎，个别手可折断，合金钻头干钻难钻进；TCR=60～70%。标贯试验实测锤击数平均值N＝84.25击（76.0～96.0击）。③中风化凝灰岩：厚35米，晶屑结构，块状构造；该岩风化裂隙发育，岩石较破碎，岩芯呈块状为主，少量呈短柱状、碎块状，岩芯锤击声哑、易断，合金钻头难钻进；TCR=80～85%，RQD=35～45；饱和抗岩强度标准值?rk＝19.52MPa（19.00～22.50MPa），该岩为较软石，岩体较破碎，岩石基本质量等级为Ⅳ。
根据路基填筑范围、河床计算冲刷线、区域地层地质情况及路基填筑要求等因素，设计方案采用新型支挡结构桩基悬臂式挡土墙（路堤墙）进行防护；墙背回填土（石渣）高6米，边坡坡率1:1.25，采用浆砌片石护坡；挡土墙采用C30钢筋混凝土结构，分段长12米，墙身高10米，顶宽0.8米，中部宽1.78米，底部宽3.98米；承台高1.5米，宽6.8米；基础采用双排桩布置，桩基直径0.8米，桩长17米，横向中心间距5米，纵向间距中心2.4米，桩外缘至底板边缘0.5米，布置及主要尺寸如下图：
（a）挡土墙横断面布置图 （b）挡土墙尺寸钢筋大样图
四、运用GEO5对挡墙建模计算分析
4.1 结构计算理论及计算模型
结构理论计算时，遵循以下假定：①墙后土压力按照库伦土压力理论计算；②作用在挡土墙踵板上部的土压力直接考虑纵向单位跨度范围内土体的自重，不考虑土体破裂面的影响；③桩基础主要起承载作用，桩身受地基土侧向抗力作用；④不考虑底板下部土体的竖向支撑作用；⑤桩底以基岩的连接方式按铰接处理。
利用GEO5悬臂式挡土墙设计分析模块，根据挡土墙横断面布设型式及位置、地层地质参数、相关荷载等要素，将桩基悬臂式钢筋混凝土挡土墙进行整体模型化，宏观把控整体稳定性及拆分结构计算后的各关键节点的受力状态分析。
（a）理论计算简图 （b）理论计算基本模型图
4.2 挡墙计算分析方法及参数
主动土压力计算方法采用Coulomb理论，被动土压力计算方法采用Mazindrani(Rankine)理论，容许偏心率取0.25，地震荷载分析按照《公路工程抗震规范》（JTG B02-2013），混凝土结构截面强度验算分项系数依据《中国公路路基设计规范》（JTG D30-2015），结构重要性系数取1.1，其余未说明参数按照规范标准进行取值。
4.3 计算结果分析
依照实际土体参数，通过建立实际模型，从持久、短暂、偶然、偶然四个设计状况分析研究桩基础悬臂式挡土墙支挡结构内力分布情况、土压力分布形式及结构变形特点。
（1）倾覆滑移稳定性计算
采用安全系数法，先计算挡墙基底的法向力和切向力，然后验算挡墙的抗倾覆和抗滑移稳定性；计算结果表明，该结构对于实际路基填土及地质情况适宜，结构抗倾覆、抗滑移稳定性满足要求。
（2）地基承载力及沉降分析计算
根据计算分析，作用在桩基础中心的弯矩6665.43kNm/m，轴力1604.42kN/m，剪力1199.30kNm/m；挡土墙分段长度12米，桩基横向中心间距5米，纵向中心间距2.4米，桩基采用10根17米长直径为0.8米钢筋混凝土桩体。按照群桩设计计算方法，考虑群桩效应系数0.8，采用极限状态法（LSD）进行验算，最不利的荷载工况分析结果为：桩侧承载力RS=3487.74kN，桩端承载力Rb=24887.70kN，单桩竖向承载力Rc=28375.44kN，群桩竖向承载力Rg=227003.51kN，最大竖向荷载Vd=22311.49 kN，Rg＞Vd，计算结果表明群桩竖向承载力满足要求。
对无黏性土进行群桩沉降分析，群桩沉降系数gf=2.91，达到极限桩侧摩阻力时对应的桩顶荷载Ryu=36882.96kN，荷载Ryu引起的桩顶沉降Sy=25.0mm，总抗压承载力Rc=36883.07kN，最大允许沉降值Slim=25.0mm，最大荷载标准值V=19253.08 kN，引起的沉降量为13.0 mm＜25.0mm，满足计算要求。
（3）截面强度验算
墙踵验算，钢筋直径=32mm，钢筋数量120根，钢筋保护层50mm，截面宽度12m，截面高度1.5m，配筋率ρ=0.21%＞0.20%=ρmin，中和轴位置x/β1=0.25m＜0.93m=ξbh0/β1，截面受弯承载力设计值Mu=46318.96kNm＞1483.39kNm=M，墙踵截面强度满足要求。
墙身验算（墙址墙踵台阶顶截面），钢筋直径=32mm，钢筋数量120根，钢筋保护层50mm，截面宽度12m，截面高度4m，配筋率ρ=0.21%＞0.20%=ρmin，中和轴位置x/β1=0.25m＜2.52m=ξbh0/β1，截面受剪承载力设计值Vu=37398.44kN＞16484kN=V，截面受弯承载力设计值Mu=131973.51 kNm＞82644.58kNm=M，墙身截面强度满足要求。
（4）整体稳定性验算
边坡稳定性采用毕肖普法（Bishop）进行验算，通过计算软件自动搜索后滑动面参数：圆心x=-2.5m，z=12.89m，半径R=13.05m，角度α1=9.05?，α2=58.13?；根据计算分析，滑面上下滑力的总和Fa=145.72kN/m，滑面上抗滑力的总和Fp=202.56kN/m，下滑力矩Ma=1901.70kNm/m，抗滑力矩Mp=2643.45kNm/m，安全系数=1.39（不平衡推力法计算的安全系数=1.47）>1.30，边坡稳定性满足要求。
六、结语
通过实际工程应用的计算分析，总结以下几点可供类似工程设计计算进行借鉴采纳：
（1）对于沿江软弱地质、高填土、考虑基础冲刷、路基范围受限等实际道路建设情况，采用构造简单、施工方便、可较好地发挥材料强度性能的桩基悬臂式挡土墙解决了一般支挡结构须依靠增大底部基础尺寸来提供抗倾覆滑移反力和减小地基承载力问题，其对于一般支挡结构具有更强适用性及科学合理。
（2）目前对于桩基悬臂式挡土墙整体计算的软件较少，简单的计算软件是分离挡土墙和桩基进行验算，而GEO5岩土设计和分析软件较ABAQUS有限元分析和SPA2000通用结构分析设计等较复杂的软件，其计算输入及分析的过程更简易便捷；软件把挡墙立壁、底板及桩基视为一个整体，在上部荷载和地基土的抗力作用下，立壁、底板、桩基、地基土协调变形，其更能反映挡土墙各部位的受力和变形情况，贴近实际计算分析。
（3）群桩排距的增大可以改善前后排桩基的受力情况，前桩轴力值变小后桩轴力值变大，而底板弯矩将会增大；结构踵板长度的变化会引起结构受力重心移动，同时亦会导致底板弯矩的变化，故要使结构受力更合理须控制好踵板的长度。
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作者简介：赖明镜（1985.09-）男，广东连平，学士学位，工程师，公路桥梁勘察设计。
论文作者:赖明镜
论文发表刊物:《建筑学研究前沿》2017年第14期
论文发表时间:2017/10/10
标签：挡土墙论文; 悬臂论文; 桩基论文; 结构论文; 截面论文; 路基论文; 挡墙论文; 《建筑学研究前沿》2017年第14期论文;