铁道工程学报年月 +&57,1 1 )&/&4,+,1+ )&&4,3&,13&55/1+,1%)&3,43/4,1 7&)+ 3,1 '&&&54&3)& 3),,3&**355/1+,1 4&1 &,1+ +&57,1 :4&,3&1 )&0&3,4&,

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孝奚严
5 years ago
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1 年月第期总铁道工程学报!"!!"#$!% &' #& 文章编号 ( 桩基悬臂式挡墙在路基帮宽工程中的应用任庆昌铁道第三勘察设计院集团有限公司天津 ( 摘要研究目的桩基悬臂式挡土墙充分利用了悬臂式挡土墙的构造简单施工方便自身重量轻的优点以及桩基础能够向深部地层传力的特点能够较好地解决悬臂式挡土墙依靠增大基础底板尺寸来提高抗倾覆抗滑移能力的问题也消除了地基工后不均匀沉降对挡土墙变形稳定性的影响但其计算方法目前尚未形成统一认识本文参考铁路和港工等行业有关支挡及基础规范规定深入探讨桩基悬臂挡土墙的基桩内力和变位分析方法底板受力及内力分析方法底板抗冲切计算方法等关键问题研究结论基桩的内力计算和变位分析以结构单元为单位进行计算把底板基桩视为一个整体在上部荷载和地基土的弹性抗力的作用下底板基桩地基土协调变形这种计算方法更能反映基桩的受力和变形情况基桩垂直挡土墙方向的间距对抵抗侧向变形影响尤为明显因此墙趾墙踵部位的桩至底板边缘的距离宜以满足最小构造要求为控制布桩条件 ( 底板受力分析采用替代框架法极大的简化了计算此计算结果是可靠的桩基悬臂式挡土墙能够避免挡墙基坑开挖地基加固对既有路基稳定的不利影响可大大降低施工对行车的干扰综合经济技术效益高本研究成果可在地基承载力低墙后施工空间受限条件下的支挡结构设计中推广使用关键词桩基础悬臂式挡土墙结构设计中图分类号 ( 文献标识码!"#$%&$'% %! %)&%)*+,*-,.#/0&.,1+ &*1 1*/&"/ $,*1%*,12*1 ($)*1, '!$ %)&3,1*4&0&&,*1*1-,4-*) *4&5/1+,*1,6&5/ 4,+0,1,&53,1*4&0& &,*1*1-,4),),)&,+0,1,&5*74&*1 /3/& 310&1*&1531/3*1 4*)&*1 &45-&*),1+ ') /&)&3),,3&**35*4&5/1+,*1 -)*3) 3/4+,17*)&53&*1+&& 57,*1%)*+&*1 5&,*1*1 -,43/4+ 40&)&'4&7 ),)&3,1*4&0&&,*1*1-,4&4*&+ 1 -*+&1*1)&5/1+,*1 *8&*70&)&,'*4*.5,1*0&/1*1,14*+*1 )&*4&5/1+,*1 &4*7*1,&+ )&*154/&13&5*1)7&1&//'*+&13&5 5*4*1*41,'*4*.5&,*1*1-,49/)&3,43/4,*1 7&)+ ),157&+ /1*&+ 61-4&+&%)*,&&5&&+ )&3+&5,*4-,./',+&,1+ 1 &,*1*1,1+ 5/1+,*1 +&*1 +*3/ &+ 7&*1*5*3,1'4&7-*) &&3)&3,1*4&0&&,*1*1-,4-*) *4&5/1+,*1 -)*3) *134/+&+ )&,1,4.*7&)+5+&57,*1,1+ *1&1,453&5*4&5/1+,*1 4,+ +**'/*1,1+ &55/1+,*1 4,' )&3,43/4,*1 7&)+ 55/1+,*1 4,' 1 /13)*1&*,13&,1+ 1!$%)&*1&1,453&3,43/4,*1,1+ +&57,*1 55/1+,*1 *4&,&',&+ 1 )&/3/& /1* 5/1+,*1 4,',1+ *4&,&&,+&+,,-)4&,1+ )*16 ),5/1+,*1 4,'*4&,1+ 5/1+,*1 3,1 3+*1,& 收稿日期作者简介任庆昌年出生男高级工程师

2 铁道工程学报年月 +&57,*1 *1 )&/&4,+,1+ )&&4,*3&*,13&55/1+,*1%)&3,43/4,*1 7&)+ 3,1 '&&&54&3)& 3),,3&**355/1+,*1 *4&*1 &,1+ +&57,*1 :*4&,3&*1 )&0&*3,4&,*1*1-,4*7,1*5*&+ 1 &**14,&,4+&57,*1 )&+*,13&57*4&&+&)&'7&+&)/4+ '&314&+ 7&&)&7*1*7/7 31/3*1( 4&1,*0&5,7&-6 7&)+,+&+ *1 5/1+,*1 4,' &,4.*74*5*&)&3,43/4,*1-6 )& &/45,4&1,*0&5,7&-6 7&)+ *&4*,'4& %)&3,1*4&0&&,*1*1-,4-*) *4&5/1+,*1 3,1,0*+ )&,+0&&&5&35&;3,0,*1,1+ /1+ *70&7&11 &;**1/',+&,1+ &,4.&+/3&31/3*1 *1&5&&13& 1 70&7&15)&,*1 )&&,*1*1-,4),)*)&37&)&1*0&&317*3,1+ &3)1*3,4'&1&5*%)&&&,3) &/43,1 '&7&+,1+ /&+ 5)&+&*1 5&,*1*1-,4-)*3) *4*7*&+ -*) 31/3*1,3&,1+ 4-&/',+&'&,*13,,3*. % *4&5/1+,*1 3,1*4&0&&,*1*1-,4 /3/&+&*1 () 工程概况某客运专线增设车站工程既有路堤边坡高 7 增设车站后站台顶面高出路基面 7 站台外侧为线下式站坪站坪填土高 (( 7 站台面至站坪间需设置悬臂式路肩挡土墙考虑到既有客运专线行车密度大对既有路堤稳定性要求高为避免挡土墙基坑开挖影响既有路基稳定要求施工期间挡土墙基坑开挖不得影响既有路堤边坡这就限制了悬臂式挡土墙墙踵宽度为克服悬臂式挡土墙由于墙踵受限而引起的抗滑移抗倾覆不满足要求问题本工程采用桩基悬臂式挡土墙作为站台填土的支挡结构具体设计形式如图所示 *+,-./0 *+1 ( *) 地层条件 )!" #$%&' 图 () 桩基挡土墙横断面布置图单位 7 *+() 工程地质条件墙址区地层自上而下依次为粉质黏土软塑硬塑基本承载力 6:, 厚 7 粗砂中密基本承载力 6:, 厚 7 细圆砾土中密基本承载力 6:, 厚 7 下伏太古界混合花岗岩全风化基本承载力 6:, 土壤最大冻结深度 7 根据中国地震动参数区划图 "9( 地震动峰值加速度为地震基本烈度为度 *+*) 水文地质条件墙址区地下水类型主要为第四系孔隙潜水勘测期间地下水埋深 7 高程主要受大气降水补给地下水季节变幅为 ( 7 经取水样进行水质分析地下水对普通混凝土结构具硫酸盐侵蚀环境作用等级为具盐类结晶破坏侵蚀作用等级为具有干湿交替时具氯盐侵蚀作用等级为,) 挡土墙设计桩基挡土墙的的上部结构为悬臂式挡土墙其土压力计算和立臂结构设计可按照一般悬臂式挡土墙进行桩基悬臂式挡土墙的底板的形状和位置虽然与一般悬臂挡土墙的底板类似但其功能和受力条件却不相同一般悬臂挡土墙的底板主要依靠其上的填土及其与地基土之间的摩阻力来提供抗倾覆和滑移反力桩基挡土墙的底板与桩基础结合后其主要作用是将上部荷载传递至桩基础依靠桩基础来为整个体系提供抗倾覆和抗滑移的反力以及竖向的支撑力因此底板的结构尺寸应当结合桩基础所选用的桩径桩数等参数综合确定本工程拟采用直径 7 的钻孔灌注桩根据建筑桩基技术规范 " 规定桩中心最小间距为 7 考虑桩基与承台的构造要求底板宽度不小于 7 挡土墙踵板宽度以基坑开挖边界不触碰既有客运专线路堤边坡为控制条件取为 7 挡土墙尺寸拟定为墙高 7 顶宽 7 墙身直立趾板宽 7 墙踵宽 7 底板厚 7 在假定基底摩擦系数的条件下主动土压力, 6 主动土压力的水平分力 ; 6 主动土压力的竖向分力. ( 6 抗滑动摩擦系数抗倾覆稳定系数 ( 墙趾压应力

3 第期任庆昌桩基悬臂式挡墙在路基帮宽工程中的应用 ( 6:, 墙踵压应力 (( 6:, -) 桩基础设计 -+() 桩基水平力变位和内力计算港口工程灌注桩设计与施工规程 % 规定了承受水平力和力矩的弹性灌注桩最小入土深度 ( ) $! ( ( 式中桩的入土深度桩的相对刚度系数 7 桩侧地基土的水平抗力系数随深度增加的比例系数 67 桩的换算宽度 7 取 $ 混凝土的弹性模量 67 桩身换算截面受拉边缘的弹性抵抗矩 7 ( 桩的设计直径桩身纵向钢筋中心所在圆的直径 7! 桩身钢筋的弹性模量与混凝土弹性模量的比值桩身截面配筋率满足此深度可充分发挥桩的水平承载能力经计算 7 则桩的入土深度取桩长 7 进行水平内力和变位分析为获得较大的抗弯能力桩沿底板宽度方向宜尽量靠近端部布置本工程取桩中心间距 7 桩外缘至底板边缘的距离为 7 在满足结构单元水平变形要求的前提下桩沿挡土墙纵向中心间距尽可能大些以节省工程投资初步拟定桩沿挡土墙纵向中心间距 ( 7 结构单元两端底板纵向悬挑长度根据悬臂端的固端弯矩和中间跨的固端弯矩相等的原则确定可取两桩中心间距的倍且悬挑长度不应小于最小桩间距的倍本工程取 7 如图所示号桩分布于墙趾侧号桩分布于墙踵侧底板形心作用力系可由挡土墙土压力计算结果化简得到竖向力 6 水平力 6 弯矩 67 底板以下地层参数依次为地坪填土厚 7 水平抗力系数的比例系数 <7 粉质黏土厚 7 水平抗力系数 <7 粗砂厚 7 水平抗力系数 <7 细圆砾土厚 7 水平抗力系数 <7 全风化混合花岗岩 <7 为计算桩基内力和变形把每结构单元的底板和桩视为一个整体采用建筑桩基技术规范 " 附录 $ 给出的考虑承台包括地下墙体基础协同工作和土的弹性抗力作用计算受水平荷载的桩内力和变位的 7 法进行分析计算计算单元底板宽 7 长 7 厚 7 底板下布置根 7 长的钻孔灌注桩桩径 7 如图所示桩与底板视为固定连接计算结果如表所示图 *) 基桩平面布置图单位 7 表 () 桩基础内力和变位底板号桩内力标准值号桩内力标准值竖向位移 77 水平位移 77 转角,+ 轴力 6 弯矩 67 剪力 6 轴力 6 弯矩 67 剪力 6 ( 目前关于铁路路基悬臂式挡土墙墙顶位移允许值没有具体规定参考铁路路基支挡结构设计规范规定桩板挡土墙地面处水平位移不宜大于 77 桩顶水平不大于桩悬臂段长度的且不宜大于 37 因此本工程采用承台底面水平位移不大于 77 墙顶水平位移不大于 77 进行桩基挡土墙变形控制挡土墙自底板底面至墙顶高度为 7 则墙顶位移为 = 77> 77 满足墙顶位移控制要求底板底面水平位移 77 > 77 满足承台底面水平位移控制要求 -+*) 基桩竖向承载力验算基桩竖向承载力验算可参照铁路桥涵地基和基础设计规范 %9 的相关规定进行计算式中桩的容许承载力 6

4 铁道工程学报年月桩身截面周长各土层厚度 7 各土层的极限摩阻力桩底地基土的容许承载力 6:, 桩底支撑面积 7 按设计桩径计算桩底支承折减系数按铁路桥涵地基和基础设计规范 %9 表采用经试算桩长 7 时竖向容许承载力 6? 6 桩身材料强度容许承载力 ( 6? ( 6 综合以上分析桩长受桩身水平承载力控制取设计桩长 7 图 -) 底板纵向板带和横向板带划分.) 底板结构设计.+() 底板竖向荷载底板承受的竖向荷载包括趾板自重及其上填土重踵板自重及其上第二破裂面或假想墙背与墙背间土体包括站台面活载的重力土压力的竖直分力悬臂板自重底板垂垂直荷载分布如图 ( 所示图,) 竖向应力沿底板宽度分布图图 ( 中为墙趾埋深取 7 为底板厚度取 7 为立臂高度取 7 6 为钢筋混凝土的容重取 67 ( 为填土的容重取 67 (! 为底板宽度取 7! 为趾板宽度取 7! 为立臂厚度取 7! ( 为踵板宽度取 7" 为墙顶的竖直土压力值取 67 " 为墙踵处的竖直土压力值取 67.+*) 底板内力分析基桩与挡土墙底板通过锚固连接构成了一个空间结构体系计算板的受力时应按空间结构计算为简化计算本工程参照高桩码头设计与施工规范 %# 的相关规定将底板划分成互相垂直的纵向板带和横向板带连同基桩一起作为独立的纵向排架和横向排架按平面问题分别进行计算纵向板带计算宽度 6 # $ 横向板带计算宽度式中 # 桩中心至底板边缘的距离本工程取 7 $ 垂直线路方向桩中心间距本工程取 7 6 纵向板带计算宽度本工程取 6 7 横向板带计算宽度本工程取 ( 7 纵向相邻两跨桩的中心间距本工程桩中心间距均为 ( 7 排架计算中假定桩底部是固定的桩的计算长度取桩的弯曲计算长度港口工程灌注桩设计与施工规程 % 规定了采用假想嵌固点法计算上部结构时弹性长桩的受弯嵌固点深度可按下式计算确定 7 式中 7 桩的受弯计算长度 7 本工程计算值为 7 系数取桩顶铰接或桩顶自由长度较大时取小值桩顶转角无转动或桩顶的自由长度较小时取大值桩的相对刚度系数 7 计算方法详见公式高桩码头设计与施工规范 %# 规定当板带的线刚度与桩的线刚度满足式要求时平面排架分析时桩顶按固接计算否则按铰接计算 '% % ' 7 式中 ' 板带的弹性模量桩的弹性模量 6:, % ' % 板带的截面惯性矩桩的截面惯性矩 7 ' 7 板带的计算跨度桩的受弯计算长

5 第期任庆昌桩基悬臂式挡墙在路基帮宽工程中的应用度 7 代入相关参数计算 '% % 所以桩顶与 ' 7 板带按固接计算试验研究表明在板带宽度范围内计算弯矩并不是均匀分布的而是按余弦曲线分布由桩轴线中心向板中心逐渐减少因此在板带配筋设计时应将板带沿宽度方向划分为桩上板带和跨中板带因此高桩码头设计与施工规范第条规定均布荷载作用下桩上板带和跨中板带按下述原则分配计算弯矩分配一是支座弯矩按桩上板带跨中板带二是跨中弯矩按桩上板带跨中板带分配高桩码头设计与施工规范 %# 对桩上板带和跨中板带的划分原则为桩上板带为基桩中心两侧各桩间距其余部分为跨中板带纵向排架计算荷载仅考虑竖向荷载作用的变形和内力其荷载取值如图 ( 所示横向排架计算荷载除考虑图 ( 所示竖向荷载外还应计入土压力的水平分力产生的作用于墙背与底板交点的弯矩具体计算略.+,) 底板受冲切承载力根据桩的受力分析趾板部位的桩承受了较大的压力需对趾板部位的桩进行抗冲切承载力验算由于桩为圆形而目前规范所提供的抗冲切承载力计算方法均建立在矩形截面桩的基础上所以需把圆形桩换算成矩形本工程换算矩形截面方桩边长为 7 由于号均承受较大的轴向力任取其中一根桩进行承载力验算桩的冲切破坏锥体如图所示图.) 基桩冲切破坏锥体示意图单位 7 考虑构造要求桩顶嵌入底板 77 故冲切计算取截面有效高度为 7 冲切临界截面周长 7 底板混凝土强度等级按 $( 设计计算得出抗冲切承载力 6 基桩对底板的冲切荷载采用桩的设计承载力减去冲切破坏锥体范围内的竖向荷载计算得到即冲切荷载为 6> 6 满足抗冲切要求 /) 结论本文针对桩基悬臂式挡土墙的特殊性着重探讨了桩基挡土墙的基桩的内力和变位分析方法底板的受力及内力分析方法底板抗冲切计算方法等关键技术基桩的内力计算和变位分析以结构单元为单位进行计算把底板基桩视为一个整体在上部荷载和地基土的弹性抗力的作用下底板基桩地基土协调变形这种计算方法更能反映基桩的受力和变形情况基桩垂直挡土墙方向的间距对抵抗侧向变形影响尤为明显因此墙趾墙踵部位的桩至底板边缘的距离宜以满足最小构造要求为控制布桩条件 ( 底板厚度应根据受弯承载能力截面抗剪切能力以及截面抗冲切验算确定底板受力分析采用替代框架法极大的简化的计算此计算结果是可靠的桩基悬臂式路肩挡土墙充分利用了悬臂挡土墙的构造简单施工方便自身重量轻可以较好地发挥材料的强度性能能适应承载力较低地基的优点利用桩基础能够向深部地层传力的特点解决了悬臂挡土墙基础底板须依靠增大基础尺寸来提供抵抗抗倾覆抗滑移反力的问题同时桩基也消除可填筑土工后不均匀沉降对挡土墙稳定性的影响通过合理安排施工顺序桩基悬臂式路肩挡土墙方案能够避免挡墙基坑开挖和地基加固对既有路基稳定的不利影响大大降低了施工对行车的干扰在既有线改造工程中具有较好的推广价值参考文献李洪亮沈可魏洪涛采用桩基础的悬臂式挡墙计算分析交通标准化 ( 0 1 &! 1+ $% " +$&%%* *,-2 3.(+ %$( 公路桥涵地基基础设计规范 # 45/,*2%56$%% #$%1! %%$&+ (" 建筑桩基技术规范 # 6 -*7 4! % $% " #$%&+ %# 高桩码头设计与施工规范 # 4& (/2*( 5 % $ % 84!"&+ 下转第 ( 页 %:(

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第 47 卷第 1 期 2017 年 01 月吉林大学学报 ( 地球科学版 ) JournalofJilinUniversity(EarthScienceEdition) Vol.47 No.1 Jan.2017 安玉科, 吴玮江, 张文, 等. 抗滑桩裂纹控制荷载结构设计法及工程应用. 吉林大学学报 ( 地球科学版 ),2017,47(1):171 178.doi:10.13278/j.cnki.juese.201701203.

铁 道 工 程 学 报 年 月 +&57,*1 *1 )&/&4,+,1+ )&&4,*3&*,13&55/1+,*1%)&3,43/4,*1 7&)+ 3,1 '&&&54&3)& 3),,3&**355/1+,*1 *4&*1 &,1+ +&57,*1 :*4&,3&*1 )&0&*3,4&,*

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