桩基托梁挡土墙桩底支撑条件选取

桩基托梁挡土墙桩底支撑条件选取

杨斌,赵虎刚,孟定宇

云南省交通规划设计研究院有限公司，云南  昆明  650054

【摘要】基于某市政道路桩基托梁挡土墙的设计，对桩底在不同支撑条件下桩身内力和位移进行研究，研究结论表明桩底支撑条件对桩身内力、位移均有影响，尤其是桩长较短时，影响非常明显，当桩身较长，边界条件影响不大。桩底支撑条件选择错误，可能给工程带来风险，从设计安全性和统一性出发，建议桩底支撑条件采用自由约束可以较好的满足各种情况。

【关键词】桩基托梁挡土墙  桩基础  衡重式重力挡土墙  桩底约束

1引言

西部山区城市道路的建设有局部地段面临山高谷深，高差大，地形、地质复杂，在进行路基设计时，不可避免的存在一些高填深挖。当地面横坡较陡时，进行填方设计时，可采用重力式挡土墙、扶壁式或悬臂式挡土墙和桩板墙。但这些支挡结构都存在一些问题，横坡陡峻，挡墙埋深较大，存在地基土连带挡墙一起滑动的风险；桩板墙由于悬臂高度过大，顶端位移大难于满足规范要求；若采用锚拉式桩板墙，则存在在填土中施工锚索问题或填土层较厚锚索难于使用的情况。因此在陡坡路段、河岸支挡、基岩埋藏较深、地基承载力偏低且土层较厚的地方广泛使用桩基托梁挡土墙[1-7]，采用桩基托梁将基底置于稳定土层中，节约上部挡墙圬工量，减少对坡体的扰动。目前桩基托梁挡土墙设计方法比较粗燥，实际设计中存在不少误区，本文以云南某市政道路桩基托梁挡土墙支挡为例，对桩底支撑条件采用进行探讨。

2工程概况

云南某市政道路在K40+300~K40+800段因整体路基标高控制的原因，此路段需采用采用填方路基通过，由于坡度较陡，上覆填土较厚，设计采用桩基托梁挡土墙，见图1所示。相关岩土体物理参数见表1。

表1 岩土体物理参数表

墙背填土采用采用较多碎块石的黏土，重度取20.5 kN/m3，等效内摩擦角取30°，衡重式重力挡土墙容重取24 kN/m3。

3桩底支撑条件的讨论

桩基托梁挡土墙桩基受力计算，有两种方法，一是按《建筑桩基技术规范》[8]计算，调整挡土墙位置，使其不产生偏心；二是根据地质条件采用“m法”或者“k法”，本文按第二种方法按一般地区计算。《公路路基设计规范》[9]规定，桩底支撑条件可根据地质条件采用自由端或者铰支端，实际设计中，不少设计者未加区别选择桩底支撑条件，甚至采用固定端设计。本节先按桩长为6m计算桩底为自由，铰支和固定情况下桩身弯矩和桩顶位移情况。

从计算结果看（见图2），不同支撑条件桩身弯矩和桩顶位移差距较大，桩身弯矩当桩底为固定支撑与自由支撑比值为1.63，当桩底为铰支与自由支撑比值为1.20；桩顶位移自由支撑与固定支撑比值为1.54，桩顶位移自由支撑与铰支比值为1.26。桩端固定，桩身弯矩大，桩顶位移小，且最大弯矩靠近桩端，岩土体很难传递这么大的弯矩；桩端铰支，桩身弯矩比自由大，桩顶位移比自由端小，一般填土较高的边坡，挡墙墙顶位移或者桩顶位移成为控制条件，采用铰支设计位移偏小，有可能存在风险，实际设计应严格把控，尤其是m或k值较难获得准确值时更应该慎重。

根据与土的支撑条件，桩分为刚性桩与柔性桩，下面分别研究不同桩长在不同约束条件下与桩身弯矩和桩身位移的关系。由图3可知，当桩底支撑为固定时，当桩长较短时，桩身弯矩与桩长近似直线关系，随着桩长增加，桩身弯矩出现拐点（弯矩最大值），桩长达一定长度时，桩身弯矩几乎相同；桩身位移随桩长增加，但增加量很小，且达到一定桩长时，桩身位移几乎相同。当桩底支撑为铰支或者自由时，两者的变化规律类似，桩身最大弯矩位于桩顶下一定距离，桩长增大，桩身最大弯矩略有增大，但增加幅度变小，最大弯矩点往下移，桩身位移随桩长减小，当桩长达到一定长度时，桩身位移几乎相同。

从图4可知，桩底固定与桩底铰支或者自由的桩身最大弯矩变化规律不同，桩底固定时随桩长增加，桩身最大弯矩逐渐较小，桩底铰支或者自由最大弯矩逐渐增大，当桩长达到一定长度，桩身最大弯矩趋于一致。由图5可知，桩底固定与桩底铰支或者自由的桩身最大位移变化规律不同，桩底固定时桩身最大位移随桩长逐渐增大，桩底铰支或者自由最大位移则逐渐减小，当桩长达到一定长度，桩身最大位移趋于一致。因此在实际工程设计中，应特别注意桩长较短时，桩底支撑条件不应选择桩底固定，建议采用桩底自由计算；当桩长较长时，从计算结果看，桩底约束条件影响不大，因此此时可选择自由或者铰接，按规范处理。

4结论

（1）桩底支撑条件对桩身内力、位移等均有影响，尤其是桩较短时，影响非常明显，当桩底固定约束条件下桩身弯矩和桩身位移变化趋势跟桩底铰支或者自由时相反。

（2）桩底自由或铰支桩身弯矩，桩身位移类似，铰接计算弯矩偏大，位移偏小，因此对于桩基托梁挡土墙较高或者对桩身位移控制要求较高的工程，不建议采用桩底铰支的约束条件，以免实际位移超过设计值，给工程带来风险。

（3）桩长较长时，在不同支撑条件下，桩身弯矩和桩身位移趋于相同，此时边界条件影响不大，但桩身较长，会影响工程经济性。综上推荐桩基托梁挡土墙桩底一般采用自由约束条件计算可以较好的满足各种情况。

【参考文献】

【1】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(4):3.

【2】李铭. 桩基托梁挡土墙在某道路路堤边坡支护工程中的应用[J]. 城市建设理论研究:电子版, 2013(1).

【3】黄钏鑫, 唐家富, 王升堂. 通用有限元模拟抗滑桩或桩板墙计算[J]. 土木工程, 2020, 9(4):9.

【4】曾俊荃. 桩基托梁挡土墙分析与计算方法优化[D]. 西南交通大学, 2016.

【5】余文杰. 桩基托梁挡土墙内力计算研究[D]. 浙江理工大学.

【6】赖紫辉. 桩基托梁挡土墙托梁受力分析[J]. 路基工程, 2008, 000(006):48-49.

【7】蔡萍, 冷鸿斌, 谭阳. 桩基托梁挡土墙在山区公路中的应用[J]. 黑龙江交通科技, 2018, 41(9):2.

【8】JGJ94-2008 建筑桩基技术规范[S].

【9】JTG D30-2015 公路路基设计规范[S].

作者简介：杨斌（1991~），男，云南昆明人，工程师，从事市政工程和岩土工程设计。