高烈度地区双排桩基托梁浸水挡土墙的应用研究

雷正敏

（中铁第五勘察设计院集团有限公司，北京 102600）

桩基托梁挡土墙［1-2］是挡土墙与钻孔桩相结合并由托梁（承载板）相连接的一种支挡结构，主要用于解决地基承载力较低的问题。桩基托梁挡土墙扩大了一般重力式挡土墙的使用范围［3］，可适用于一般地区、浸水地区和地震区，主要用于紧邻既有铁路公路的边坡、陡坡、危岩落石等地段，尤其适合岸坡冲刷严重的工程，能减小挡土墙尺寸，降低工程投资，减少对坡体的干扰。

滨海、临河工程中浸水挡土墙［4］受河流长期冲蚀，由于基础外露而发生倾覆破坏的情况时有发生。为满足冲刷深度和地基承载力的要求，挡土墙基础一般埋置较深，在深基坑开挖过程中会对河堤稳定产生不利影响。高烈度地震区由于水平地震力作用的影响，挡土墙墙身往往较厚，对河道影响大，也不利于节约工程投资。

双排桩基托梁由两排平行的钢筋混凝土桩，以及桩顶的托梁（承载板）构成。通过桩土协同作用，前、后排桩及托梁（承载板）之间形成门式空间结构。该结构具有较大的侧向刚度，可以有效地限制支护结构侧向位移［5］。桩基托梁结构改善了挡土墙底部的受力条件，优化了挡土墙的受力和变形，起到承载与支挡的双重作用［6］，并能够减小挡土墙墙身尺寸。

对于桩基托梁挡土墙结构的设计计算，解析法计算过程繁琐、复杂，数值分析方法能够充分考虑桩土间、桩桩间的空间作用，能够模拟复杂环境下的地基变形趋势，计算结果较为合理，是一种更为简便和高效的工具。

本文结合甘肃省2018 年省列重大项目——天水市有轨电车示范线滨河路基工程，研究双排桩基托梁挡土墙结构体系在浸水路基工程中的应用，并采用有限元方法计算构件的内力，以解决浸水挡土墙的基础设置及位移控制问题，减少对河道的占压，避免深基坑挡土墙的施工困难问题。

1 工程实例

1.1 概况

天水市有轨电车示范线滨河路基工程位于河岸阶地、河漫滩上，受河水侵蚀，地形起伏变化大，河道冲刷深度约3 m。因工程条件限制，部分段落要占压河道，为尽可能减少对河流过水断面的影响，须要采取支挡结构进行收坡。

地层岩性主要为第四系全新统人工填土、第四系全新统坡积层粉质黏土、第四系全新统冲洪积细圆砾土，下伏新近系强风化泥岩。

人工填土以圆砾为主，灰色或杂色，土质不均匀，包含有粉质黏土、砾砂等，稍湿，Ⅱ级普通土，地基基本承载力σ0=120 kPa。

粉质黏土为黄褐色，稍湿，可塑～硬塑，Ⅱ级普通土，σ0=120 kPa。该层零星夹杂建筑垃圾及生活垃圾。

圆砾为杂色，稍湿～饱和，稍密～中密，土质较均匀，Ⅱ级普通土，σ0=240 kPa。

泥岩为青灰色或棕红色，泥质结构，厚层状，主要成分为黏土矿物，泥质胶结，吸水性较强，遇水软化易崩解，岩体破碎，节理裂隙发育，Ⅳ级软石，σ0=350 kPa。

该工程场地抗震设防烈度为8 度，地震动峰值加速度为0.3g。

1.2 方案研究与比选

设计过程中研究了桩板式挡土墙、重力式浸水挡土墙、桩基托梁浸水挡土墙等多种支挡方案，结合现场地质情况和施工难易程度进行了技术经济综合比选。各方案简述如下：

1）桩板式挡土墙方案稳定性系数较高，但其工程量相对较大，造价较高。由于需要人工开挖桩孔，河道内地层为透水层且地下、地表水丰富，人工挖孔时容易塌孔，造成比较严重的质量安全事故。

2）重力式浸水挡土墙方案措施单一，施工组织简单。由于河道冲刷深度约3 m，挡土墙基础埋深较大，开挖会影响整个河道。挡土墙大部分埋入河道，造成挡土墙露出地面的高度较小，不能起到较好的收坡效果。挡土墙基底所在粉质黏土层，零星分布建筑垃圾及生活垃圾，承载力不均匀，不可作为挡土墙持力层，应换填或采用桩基处理。

3）桩基托梁浸水挡土墙方案综合了以上2种措施的优点，桩基可采用钻孔灌注桩或旋挖钻进技术，能提高施工效率和施工安全性。挡土墙基础直接放置在托梁上，无需埋置在冲刷深度以下，避免了收坡效果差的缺点，是比较合理可行的方案。但该方案设计复杂，验算繁琐。

各方案经济性比较见表1。桩板式挡土墙方案造价最高，而且施工风险大，首先予以排除。重力式浸水挡土墙实体工程造价相对较低，但是如果考虑开挖挡墙基坑时降水的费用，总造价比桩基托梁挡土墙更高，而且施工开挖深度大，破坏河道地形地貌，影响防洪安全。桩基托梁挡土墙方案总造价低，施工难度小，对河道影响较小，是比较合适的方案。本方案的重点是要进行桩基托梁中桩顶位移的控制，进行桩的剪力和弯矩的分析。

表1 各方案经济性比较（每公里造价）

1.3 工程措施

1）根据现场地形地貌及周边环境条件，为减小河道开挖深度，有效控制河流的冲刷，经过详细的比选后采用桩基托梁挡土墙结构支护体系。通过试算，采用双排桩才能有效控制桩顶位移，典型断面如图1所示。

图1 双排桩基托梁典型断面（单位：m）

2）双排桩基托梁挡土墙采用钻孔灌注桩作为桩基础，垂直线路方向桩间距2.5 m，沿线路方向桩间距6.0 m。灌注桩采用C40 混凝土灌注，桩直径1.0 m，桩长12.5 m。

3）钻孔灌注桩桩顶设混凝土托梁，托梁高为1.0～1.5 m，宽为4.0～4.5 m，每12 m 分节，采用C40钢筋混凝土浇筑。

4）挡土墙高度4.5～5.0 m，采用C35 混凝土浇筑，基础置于托梁上。

5）托梁外侧设置混凝土斜坡防冲刷工程，处理深度为地面以下4 m。

6）要求挡土墙、桩基及托梁工程在枯水季节施工。桩基托梁挡土墙施工情况及运营后情况见图2、图3。

图2 桩基托梁挡土墙施工

图3 试运营时边坡

2 计算分析

桩基托梁挡土墙结构为复合结构体系，挡土墙和桩基托梁是一个整体，不能孤立考虑［1］。挡土墙受到的库伦土压力传递到托梁和桩上，桩的位移又直接影响着挡土墙、托梁的稳定。因此，本文重点对双排桩顶的应力、应变进行分析。

2.1 计算参数选取

墙后填土采用综合内摩擦角进行库伦土压力计算，相关地层物理力学参数为：河堤及人工填土的综合内摩擦角40°，重度19 kN/m3，压缩模量5 MPa；粉质黏土的综合内摩擦角35°，重度19 kN/m3，压缩模量10 MPa；圆砾土综合内摩擦角40°，重度23 kN/m3，压缩模量24 MPa；强风化泥岩综合内摩擦角45°，重度25 kN/m3。

2.2 数值模型的建立

采用有限元方法，可以有效模拟较为复杂条件下的地基变形情况［7-8］。图4 为该工程的三维有限元模型，土体本构关系采用Mohr⁃Coulomb 屈服准则，挡土墙及托梁采用弹性材料模型，桩基采用梁单元，桩土接触及桩底约束采用桩界面单元及桩端单元模拟。模型采用位移边界，模型两侧位移Dx=0，Dy=0，底部位移Dz=0，桩身约束旋转。轨道列车荷载采用双线单荷土柱形式加载，土柱宽度为4 m，高度为2 m，土柱重度为19 kN/m3，地震作用采用主动地震土压力，以换算地震角的形式加入到Mohr⁃Coulomb 本构模型的材料参数中，采用非线性静力计算模式进行分析。

图4 三维有限元模型

2.3 计算结果

托梁顶挡土墙承受水平土压力的作用，托梁顶荷载有较大偏心，且桩体上部存在约4.0 m 厚的粉质黏土。该土层横向抗力较弱，故经反复试算，当桩长12.5 m，即深入强风化泥岩层8.5 m 深度时，桩顶水平位移才满足规范要求。

前后排桩的桩顶水平位移见图5。可知，桩顶最大水平位移为9.85 mm，满足地面处桩水平位移不大于10 mm的规范要求。

前后排桩的弯矩见图6。可知，前排桩桩身最大弯矩为588 kN·m，位于桩顶以下4.18 m 处；后排桩桩身最大弯矩为270 kN·m，位于桩顶以下9.16 m处。前排桩受力较大，变形较大。

前后排桩的剪力见图7。可知，前排桩桩顶以下5.76 m 处正向剪力最大，达到215 kN；后排桩桩身最大正向剪力位置与前排桩基本一致，位于桩顶以下5.94 m处，但是剪力值比前排桩小，只有66 kN。

图5 前后排桩的桩顶水平位移（单位：m）

图6 前后排桩的弯矩（单位：kN·m）

图7 前后排桩的剪力（单位：kN）

由于托梁顶荷载有较大偏心，导致前排桩受力较大，相应的变形也较大。双排桩结构能够充分发挥桩侧土的约束作用及门式结构协调变形的特点，使得整体结构具有较大的横向刚度，可以有效减小挡土墙及桩顶的横向变形。前后排桩协同受力，较为合理。

3 结论

本文通过桩基托梁挡土墙的受力和位移分析，表明该结构类型也适用于高烈度浸水地区，得到如下结论：

1）桩基托梁挡土墙在浸水工程中，尤其冲刷深度较深、墙底下卧层力学性质较差、且存在较强地震作用时，是较为合理的选择。

2）双排桩基托梁结构具有较强的横向刚度，是一种空间作用较强的结构形式，该结构可同时利用土体对桩的侧向抗力，在复杂地质条件下，当解析法计算繁琐时，采用数值模拟方法能够简便地得到结构的变形和受力情况。

3）双排桩基托梁挡土墙施工期间及施工完成后，经过监测，桩顶位移最大为7.6 mm，完全满足安全稳定的要求。监测位移比计算值稍偏小，主要原因是计算时考虑了列车荷载的作用，而目前列车并没有正式开通运营，实际列车荷载小于计算荷载。