浅议桩基托梁挡土墙结构的设计与应用

摘 要：该文从桩基托梁挡土墙结构的特性出发，探讨了该结构的设计理论，并对托梁、桩基的设计计算方法进行了分析，并提出了具体的设计思路及方法建议。

关键词：桩基 挡土墙 设计 应用

中图分类号：TU75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0086-03

支挡结构是支撑填土体、山坡土体防止土体失稳变形的一种常用的结构措施。经过多年的工程实践和理论研究，一些新型的结构类型如桩板墙、悬（扶）壁式挡墙、加筋土挡墙等都得到了大量的应用。但是，重力式支挡结构由于其施工工艺简单、取材方便、标准化设计程度高等优势，在公路、铁路、工民建工程建设中仍是应用范围最为广泛的支挡结构形式。尤其是重力式挡墙改进形式的衡重式挡墙，其特殊的结构形式使得其能采用较陡的面墙坡率，特别适用于地形陡峭的山区。在实际应用中，重力式挡墙、衡重式挡墙对地基的要求较高，在地基持力层埋置深度较大的地区，提出了在挡墙下部设置桩基托梁结构体系解决挡墙的承载力不足的问题。该文将从桩基托梁挡土墙结构体系的荷载受力分析出发，结合实际工程应用情况，对该结构的设计和应用提出个人的观点和建议。

1 桩基托梁挡土墙的一般结构形式

桩基托梁挡土墙结构体系由挡土墙、托梁和桩基构成。挡土墙所承担的土压力及其他荷载、自重等通过托梁传递至桩基，如图1。

桩基托梁挡土墙体系中一般情况下采用衡重式作为上部挡墙结构，其受力情况与一般路段的所应用的衡重式挡土墙没有区别，都是利用自身的重力来维持稳定，并通过衡重台的设置增强挡墙的抗倾覆、减小基底偏心的能力。托梁作为连接挡墙和桩基的结构，其作用于一般的桩基承台类似，但由于其上连接的是以承担横向的土压力为主的挡墙，所以挡墙托梁较一般的桥梁、房屋桩基承台相比所承担的横向弯矩、剪力大，且一般为条形布置。桩基为体系的主要基础结构，在一般情况下，其作用与其他结构物的桩基无二。但由于承担的横向弯矩、剪力较大，为了保证桩基的横向稳定，挡墙的桩基一般采用方桩，且尺寸较大。

2 桩基托梁挡土墙结构设计计算

2.1 衡重式挡土墙土压力计算

桩基托梁挡土墙中的土压力计算与一般的衡重式挡墙计算一样，采用考虑第二破裂面的库伦土压力计算。将衡重式挡墙中的上、下墙先分别进行土压力的计算，不考虑其相互的作用影响，然后再将其矢量和作为全墙的土压力，如图2。根据所得土压力情况，根据相关规范的要求进行挡墙的截面尺寸设计。桩基托梁挡墙中，一般桩基只考虑解决挡墙的承载力不足问题，而挡墙自身的倾覆稳定性、截面强度等均由挡墙自身截面保证。所以采用的挡墙截面尺寸必须满足挡墙的抗倾覆及墙身截面强度的要求。

2.2 托梁的结构计算

由于挡墙托梁一般呈条形布置，所以可以根据将桩基作为支座，根据桩基的布置情况将其简化为连续梁或两端悬出的简支梁进行计算。托梁与挡墙基础底面连接，故应将挡墙自重、墙背土压力、第一破裂面与第二破裂面之间土体的自重等外力均向托梁中心简化。最终简化为作用在托梁支撑线处的N，Mn，Ex（如图3）：

式中：N―作用于托梁顶面支撑线的竖向合力；

Mn―作用于托梁顶面支撑线的弯矩；

Ex―用于托梁顶面支撑线的合力；

Ea1―上墙所受的土压力；

Ea2―下墙所受的土压力。

考虑到托梁底面下的土层强度不高且容易受到施工的扰动，在进行托梁的结构计算时可忽略土层地基反力对托梁的支撑作用。在此基础上结合桩基的布置情况，将整个结构体系简化为由固接支座支撑的连续梁，其中各支座的支反力即为桩基的桩顶荷载（如图4-1、图4-2）。

根据简化模型，可得托梁内力计算公式如表1所示。

2.3 桩基的结构计算

通过对托梁的受力计算，所计算得出的支反力实际就是桩顶受力。一般情况下，均认为挡土墙所承受的所有水平推力、竖向压力及弯矩均由托梁全部传至桩基。若桩顶全部埋置于稳定地层内，则可作为“全埋桩”（如图5-1）直接进行桩基础的受力计算；若桩顶悬空（外侧一定长度内的土层不能提供有效土反力（时（如图5-2），尚需考虑悬臂段桩背所承担的土压力，如此桩的结构计算则类似桩顶有外力的“桩板墙”结构。由于悬臂桩受力复杂，且悬臂段所承担的土压力对桩基结构及控制桩顶变位极为不利，一般情况下若条件允许均应考虑采用“全埋桩”。

在明确了桩顶荷载和结构形式后，并将受力简化至桩基锚固段顶面，然后采用基于弹性地基梁理论的“m”法或“K”法进行桩身的稳定性和结构计算。一般情况下，挡墙桩基均考虑采用端承桩，同时此种结构形式下桩基竖向承载力一般均能满足要求，所以桩基托梁设计中，桩基的结构计算主要在于对桩水平承载能力的分析。

3 桩基托梁挡土墙设计流程

当明确了现场地形、地质情况，确定了采用桩基托梁挡土墙结构时，可采用如下流程进行相关设计：（1）收集工点处路基横断面、路肩立面设计资料，明确路面荷载等级、地层情况、各地层的主要力学指标，判断各地层的自身稳定性。（2）绘制挡墙立面设计草图，明确挡墙高度、托梁位置、托梁一联的长度，初步确定桩基的间距、桩基埋深。（3）确定挡土墙的截面尺寸，并由此确定托梁的宽度，并完成桩基托梁挡土墙挡墙、托梁、桩基的横向布置。（4）对结构进行受力分析，将挡墙所有受力向托梁中心支撑线简化，并由此对托梁进行结构计算。（5）计算桩顶荷载，并根据地层力学参数完成桩基的尺寸拟定和结构计算。（6）完善结构设计图、工程量计算。

4 工程应用

某高速公路工点，路基顶面高于现状地表11m，地表以下为13m厚粉质粘土覆盖层、其下为泥质白云岩夹泥岩，各地层力学指标如表2所示。

根据《公路路基设计规范》的规定，高速公路路基顶面行车荷载按照10kN/m2的标准执行。由于挡墙为路基下支挡，且横向地表陡峭，故采用衡重式结构作为挡墙形式。

4.1 挡墙布置方案

根据公路横断面及立面布置情况，设计墙高13m，托梁尺寸采用1100×1.5×4.1m，桩长10～19m，桩间距6m并要求嵌入泥岩的中风化层，桩身截面采用1.8×2.2，同时在结构设计中考虑到桩长过大，为优化桩身受力情况并控制桩顶变位在每根托梁上设置了3道预应力锚索，其设计预应力650kN。

4.2 托梁及桩顶荷载计算分析

上部挡墙直接采用了本项目通用图的截面形式，其墙身自身稳定性不再进行计算。按照该文2.2节的阐述的方案，上部挡墙荷载向托梁顶面支撑中心简化结果如表3所示。

根据立面布置形式，托梁每11m一根，实际上可以简化为2.5m+6m+2.5m两端悬出的简支梁，同时在计算中为安全计也不考虑托梁底面粉质粘土的弹性地基梁支撑作用。按照托梁计算模型，其支座处的竖向支反力即为桩竖向荷载。而且两桩对称布置，故两桩外力一致，故桩顶外力计算结果如下：（1）弯矩：M=-4014.62kN.M（公路横断面方向逆时针；（2）水平力：Ex=1854.89kN；（3）竖向力：N=7897.5kN。

同时在桩基计算中考虑桩顶设置的650KN级锚索，故在桩基计算中，可以考虑按照“锚索抗滑桩”的设计计算方法进行，即将锚索视为桩相应位置的弹性支座参与到桩结构的计算中。该项目计算证明，本项目采用1.8m×2.2m人工挖孔方桩其桩前土横向容许承载力及桩顶位移、桩身强度等验算均能满足要求。

4.3 工程效果

在设计期间，将桩基托梁挡土墙方案与桥梁方案进行了比较，桩基托梁挡土墙方案在造价和建设工期上具有明显优势，最终确定该工点采用了桩基托梁挡土墙方案如表4。

工程经过2个月顺利施工，目前高速公路该路段已通车3年并历经多次暴雨考验结构正常，路面也未出现变形、开裂。

5 结语

桩基托梁挡土墙结构在山区高等级公路、铁路的建设中有极强的适应能力，该结构一方面充分利用了重力式挡墙施工工艺简单、就地取材投资节约的优势，另一方面利用桩基结构解决了重力式挡墙对地基承载力要求高的缺点拓宽了该结构的适用范围。结合实际工程的经验，桩基托梁挡土墙结构与桥梁方案相比具有十分显著的经济优势。该文结合工程实例，探讨了桩基托梁挡土墙结构的设计理论，尤其对托梁、桩基的计算进行了深入的探讨，给出的设计计算方法思路清晰、计算简单、合理具体，有较强的实际工程应用价值。但在实际工程设计中，尚应注意相关规范对结构及总体布置的构造要求。

参考文献

[1] 李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[2] 张敏.托梁挡土墙设计理论与工程应用研究[D].成都：西南交通大学，2007.

[3] 高志辉.桩基托梁挡土墙力学作用机理试验研究与数值分析[D].成都：四川大学，2005.

[4] TB 10025-2006 铁路路基支挡结构设计规范[S].中华人民共和国铁道部.北京：中国铁道出版社，2006.