水电站库区公路桩基托梁挡墙的设计及工程应用

肖圣才

中国电建集团中南勘测设计研究院有限公司，湖南长沙 410014

摘 要：本文以云南省某山区四级公路为工程背景，介绍了有限地形条件下桩基托梁挡墙设计的基本原理和设计过程，通过工程设计方案应用的对比和验算分析，得出合理的桩基托梁挡墙结构设计尺寸，供山区公路设计人员参考借鉴。

关键词：桩基托梁挡墙 桩径 桩长 荷载 弯矩 设计

0前言

近年来，我国大型水电站建设飞速发展，填方路基支挡工程在蓄水库区公路工程建设中经常出现。受库区水位消涨影响，常规浆砌石挡土墙经常出现基础不均匀沉降、墙身开裂从而引发路基开裂变形、垮塌等病害。因此，在水电站库区公路需经常采用桩基挡墙来解决库区水位消涨引发的相关问题。

1 工程概况

XY公路是云南省向家坝水电站库区的一条复建公路，道路等级为公路四级，设计车速为20km/h，路基宽度6.5m。K1+875～K1+900.79段路基右侧衡重式路肩墙基础开挖后，揭露地层为碎石土堆积物，覆盖层深度约为13m，地基承载力不满足设计要求。考虑电站蓄水后，江水浸泡及水位消涨对挡墙基础的不利影响，该段支护形式调整为桩基托梁挡墙。

2桩基托梁挡墙的概念

桩基托梁挡墙是指在公路设计中由于挡墙下地形条件有限或地基覆盖层过厚且地基承载力不足，为避免基础失稳破坏而采用混凝土桩基础，在桩基上设置托梁作为承台结构，并将挡墙设在托梁上，使挡墙获得足够的稳定性和承载力。

3桩基托梁挡墙的设计要点

在桩基托梁挡墙的设计计算过程中，挡墙必须具有足够的稳定性和结构强度，以承受土体的侧压力，桩基挡墙的可能产生的破坏有滑移、倾覆、不均与沉陷和墙身开裂等。原设计方案中，混凝土挡土墙的设计已经针对上述情况进行了验算，均符合相关规范和技术标准要求，该部分的计算不作为本文的重点。因此，桩基托梁挡墙的设计要点在于托梁和桩基的尺寸拟定、受力计算分析、配筋计算等。

4工程应用与分析

4.1方案选择

根据地质详勘资料，桩基托梁挡墙的地质剖面图如图4.1所示。

图4.1 桩基托梁挡墙剖面图

若采用浆砌片石挡墙方案，则符合高度要求的挡墙所需的地基承载力远大于地层所能提供的承载力。为了满足地基承载力的要求，需采用桩基托梁挡墙的方案。

4.2挡土墙定位计算

承台上设计为7m高衡重式挡土墙，假设承台中心线至衡重式挡土墙重心距离为d时，为使承台顶面中心处的合力矩为0，建立如下平衡方程：

解得：_。

根据计算结果，挡土墙在承台上的放置位置确定，挡土墙底面左侧外边缘距承台左侧边缘的距离为275mm作为衡重式挡土墙的定位尺寸。

4.3 托梁、桩基计算分析

4.3.1 托梁、桩基结构

托梁为2.2m×1.6m×25m（宽×高×长）的实心混凝土结构，桩基采用直径1.6m圆桩，桩基托梁挡墙布置图详见图4.2。

图4.2桩基托梁挡墙立面图

4.3.2 荷载

4.3.2.1车辆附加荷载

对于路肩式衡重式挡土墙，根据《公路挡土墙设计与施工技术细则》第4.2.5条，当墙高 时，车辆附加荷载标准值 ；墙高 时，车辆附加荷载标准值 ；墙高 时，采用直线内插法可得： 则等代均布土层厚度 。

4.3.2.2主动土压力

挡土墙计算荷载组合为：

1.2挡土墙结构重力+1.4填土重力+1.4填土侧压力+1.4车辆荷载引起的土侧压力。

1）水平土压力

上挡墙水平土压力： ，偏心距 。

下挡墙水平土压力： ，偏心距 。

2）竖向土压力

上挡墙竖向土压力： ；

下挡墙竖向土压力： （未计入）

则每延米的竖向土压力： ，偏心距 。

4.3.2.3挡土墙及填土自重

衡重式挡土墙自重： ，偏心距 ；

挡土墙台上填土自重： ，偏心距 。

4.3.2.4地震荷载

由《公路路基设计手册》（第二版）计算衡重式挡土墙的地震作用：下挡墙水平地震作用 ，偏心距 。

4.3.3 有限元模型的建立

4.3.3.1主要材料指标

混凝土：承台、桩基均采用C30。

钢筋：主筋—HRB400，箍筋—HRB335。

4.3.3.2有限元模型

采用Midas Civil建立模型。

模型尺寸及布置：

承台截面2.2m×1.5m×25m，两侧悬臂段长1.5m，相邻桩中心线间距为5.5m

模型中桩长为25m，底部为固结。桩顶以下3m~25m范围内考虑桩土作用。

边界条件：

桩顶与承台采用刚接，桩底采用一般支承（约束竖向自由度），桩顶下3m~25m采用一般弹性支承，计算弹性系数值。模型示意图如见图4.3所示。

图4.3桩基托梁模型示意图

4.3.3.3荷载组合

静力荷载工况和荷载组合详见表4.1～表4.2。

表4.2 荷载组合名称

4.3.4 托梁计算

4.3.4.1托梁内力计算

根据midas计算结果，托梁在承载能力极限状态及正常使用极限状态下的内力值如表4.3所示。

表4.3 托梁内力计算结果表

4.3.4.2托梁截面验算

根据《混凝土结构设计规范》第3.5.2条及第8.2.1条规定，混凝土保护层厚度c取为50mm。

故：h₀=h-a_s=1500-70=1430mm。

1）正截面受弯承载力验算：

（1）判断是否需要采用双筋截面：

根据《混凝土结构设计规范》，有：

说明不需配置受压受力筋，可按单筋梁计算。

（2）按单筋计算基本公式

根据《混凝土结构设计规范》公式6.2.10-1~2，联立方程：

可得： ， 。

2）斜截面受剪承载力验算：

根据《混凝土结构设计规范》第6.3.1条：

，满足式6.3.1-1的要求，说明受剪截面符合要求。

根据《混凝土结构设计规范》公式6.3.4-1~2，则有：

。

3）配筋计算：

（1）纵筋：

由正截面受弯承载力验算可知， ，根据《混凝土结构设计规范》第8.5.1条，托梁采用上下对称配筋的方式，各配置12C28钢筋。

（2）箍筋：

。

实配12C150四肢箍， ，则 ，满足要求。

4.3.4.3裂缝宽度验算

1）根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》，

，满足要求。

2）通过midas计算得到裂缝宽度最大值为0.168mm，满足要求。

4.3.5 桩基计算

4.3.5.1建模

考虑桩土作用，桩顶以下3~25m采用“m”法模拟桩侧土的弹性抗力，详见表4.4：

表4.4 桩基弹性系数表

4.3.5.2内力计算

根据midas计算结果，承载能力极限状态下轴力最大值为-4780kN，弯矩最大值为-3137.1kN·m，剪力最大值为654.1kN；正常使用极限状态下轴力最大值为-3779.8kN，弯矩最大值为-2085.5kN·m，剪力最大值为468.0kN。

桩截面验算

（1）偏心增大系数计算：

（2）桩基承载力验算及配筋计算

根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中5.3.9条及附录C，可知：

拟配30C28@152，

_，

_。

桩基裂缝宽度验算：

a）根据《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》中6.4.5条及附录C，可知：

，满足要求。

b）通过midas计算得到裂缝宽度最大值为0.171mm，满足要求。

5结语

目前，该桩基托梁挡墙方案已在某大型水电站库区公路工程中广泛应用，经过实际运营检验，取得了较好的实际效果。因此，充分结合路线平纵线形调整，熟练掌握整个计算过程，配合设计软件合理计算，最终得出切实可靠的设计尺寸，在其他类似工程中也能得到很好的推广和应用。

参考文献：

［1］中华人民共和国交通运输部，JTG D30-2015，公路路基设计规范［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2015。

［2］中交第二公路勘察设计研究院有限公司，公路挡土墙设计与施工技术细则［S］.北京：人民交通出版社，2008。

［3］交通部第二公路勘察设计院，公路设计手册路基（第二版）［M］.北京：人民交通出版社，2004。

［4］中华人民共和国住房和城乡建设部，GB 50010-2010，《混凝土结构设计规范》［S］.北京：中国建筑工业出版社出版，2015。

［5］中华人民共和国交通运输部，JTG 3362-2018，《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》［S］.北京：人民交通出版社股份有限公司，2018。

［6］陈岳莲．高速公路高边坡桩基托梁挡墙设计及工程应用［J］.福建交通科技．2016年第4期: 32-34。

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