钢管桩与挡墙组合结构在陡坡路基中的应用研究.pdf

作者简介刘欢（），男，工程师，主要研究方向：岩土工程设计。钢管桩与挡墙组合结构在陡坡路基中的应用研究刘欢许源华刘长伟（贵州省交通规划勘察设计研究院股份有限公司贵阳）摘要：我国西南山区地形条件差，受地形限制，山区公路建设中常见的一种路基形式就是半填半挖路基，在填方路基侧经常遇到陡横坡路基收坡问题。本文依托西南山区某高速公路路肩墙工程，提出一种适用于陡横坡地形的“矮挡墙钢管桩”组合结构，即在衡重式路肩挡土墙下部设置钢管桩基础，结合工程实例，说明该结构经济实用，具有较强的收坡能力，同时又有较好的抗滑移、抗倾覆能力。针对组合结构抗滑移、抗倾覆计算，提出简化理论计算公式，并在工程实例中验证了其合理性，可为相似工程提供参考。关键词：陡横坡；挡土墙；“矮挡墙钢管桩”组合结构；理论计算 ，（，）：，“”，：；“”；引言由于西南山区地形条件差，山区公路路基建设经常遇到陡横坡地形条件。如何有效、经济地进行路基收坡，同时又能保证路基稳定，成为山区公路设计施工的一个关键问题。目前，最常采用的形式就是在填方路基侧设置挡土墙，其中重力式挡土墙的使用最为广泛。重力式挡土墙在实施中需综合考虑填土高度、地基承载力、安全性、经济性、地形条件等多种因素，常规重力式挡土墙在陡斜坡位置经常因地基承载力不足以及支挡结构整体抗滑移抗倾 第期青海交通科技覆能力较差等因素而发生失稳。针对这一问题，本文提出一种“矮挡墙钢管桩”组合结构对其进行治理，即组合结构上部为常规重力式挡土墙，下部为钢管桩基础，这种组合结构形式既能有效减小挡土墙尺寸，降低施工难度及造价，又能有效提高地基承载力及整体结构抗滑移抗倾覆能力，充分保证路基稳定，具有方便施工、节约工期又经济合理等优点。工程概况西南山区某高速公路 左侧路肩墙，位于隧道出口路基段，由于地面横坡陡，原地貌植被茂密，测量存在误差，施工清表后复测发现，原设计为浅挖方路基变为填土高度为 的填方路基（图）。图工点平面位置图根据地勘显示该段填方路基位置场区上覆第四系残坡积层（）黏土，呈硬塑状态、厚度 ，覆盖层厚度较厚，下伏基岩为侏罗系中统税房街组（）砂岩夹泥岩，岩体风化破碎，强风化层厚，节理裂隙发育，岩质软，岩体整体强度较低。根据最终路基横断面形式，路基外侧为陡斜坡地形，路基没有直接放坡填筑的条件，因此需在路肩位置设置支挡结构进行收坡。同时结合该位置地质条件，由于覆盖层较厚，经测量地基容许承载力仅为，不满足挡墙设计要求，采用护肩等一般支挡结构形式，在后期行车等荷载作用下，路基易在地表覆盖层内或沿基覆界面发生侧向滑移倾覆，致使路基失稳。因此，该段路基的难点是既要进行路基收坡又要确保路基的整体安全稳定性。组合结构方案针对上述路基需要解决的两个问题，拟定两种路肩墙形式方案，第一种方案为在路肩位置设置常规恒重式路肩墙，根据断面显示路肩墙墙高需要达到才能满足公路路基设计规范中斜坡地面挡墙基础埋置条件的要求。如图所示，该高挡墙方案圬工量较大，开挖方量大，同时挡墙基坑开挖过程中，靠路基侧如果不做临时加固，挡墙基坑边坡易失稳，施工安全风险较大。第二种方案即为此次研究的一种钢管桩与挡墙组合结构方案，即上部为常规重力式挡墙结构、下部为钢管桩基础的一种组合结构。如图所示，该方案既可以减少开挖方量，减小圬工体积，又可以起到有效抗滑移抗倾覆的效果。图高挡墙横断面设计图图组合结构横断面设计图青海交通科技 第期该工点在具体实施时，组合结构中的钢管桩采用临近隧道常用管棚材料钢管（壁厚）与根钢筋组合构成，内置注浆管保证其注浆效果，钢管桩成孔为，采用潜孔钻成孔，在桩身注浆完成后采用二次注浆工艺，使浆液充分渗透至钢管桩周围岩土体之间，形成水泥土，以提高钢管桩的桩侧摩阻力。钢管桩顶伸入挡墙基础，并采用两层横纵向钢筋网与钢管焊接，使钢管与挡墙之间形成刚性连接，更加有利于组合结构的整体受力，下部钢管桩共设置三排，平面上呈梅花形布置，桩长，如图、图所示。图组合结构示意图图钢管桩平面布置图 组合结构可充分利用多排钢管桩的抗剪强度、桩侧摩阻力，与挡墙组合后形成受力共同体，可提供更大的抗倾覆弯矩和抗滑力，比常规挡墙具有更加优越的受力效果。每延米路肩支挡采用常规高挡墙方案，预计圬工，估算费用约万元。若采用组合结构，预计圬工，钢材，注浆（考虑扩散半径），估算费用约 万元。将两种方案进行对比（表）可发现，组合结构方案更加优于常规挡墙方案，与常规挡墙相比，这种新型“矮挡墙钢管桩”组合结构具有更好的经济性和实用性。表方案比较结构形式受力状况存在的问题经济技术比较常规挡墙通过自重抗滑移、抗倾覆高挡墙安全隐患较大施工开挖及圬工量较大，经济性差组合结构可充分利用多排钢管桩的抗剪强度、桩侧摩阻力，受力效果更优越工序较为复杂，对施工人员技术要求较高开挖量小，圬工量小，钢管桩材料采购方便，经济性好组合结构计算组合结构中矮挡墙受到主动土压力，通过钢管桩与挡墙扩大基础之间的刚性连接将力传递给钢管桩，在钢管桩顶部形成一个水平力，一个竖向力，以及一个弯矩。由于钢管桩顶部与挡墙扩大基础底接触截面处土压力最大，同时组合结构材料突变，因此确定为组合结构计算的最不利截面。在进行组合结构抗滑移计算时，取最不利截面进行计算，通过对比土压力形成的水平力是否超出钢管桩能承受的最大水平抗力来进行判断。在进行组合结构抗倾覆计算时，取最不利截面进行计算，通过挡墙传递过来的弯矩与竖向力综合作用下每根 第期青海交通科技桩所承受的竖向力是否超出其竖向承载力（抗拔力）来进行判断。挡墙（含扩大基础）高，墙身截面积，自重 ，主动土压力，作用点高度，在最不利截面处产生的水平力为，竖向力为 ，弯矩 。抗滑移计算对于钢管桩单桩水平承载力设计值估算公式如下：（）（）式中：为桩的水平变形系数，结合岩土体参数通过计算取；为桩顶水平允许位移，取；为桩顶水平位移系数，取。通过计算，单桩水平承载力为。为考虑由组合结构扩大基础、钢管桩群，桩间土的相互作用产生的群桩效应，参照 建筑桩基基础规范按照下式计算钢管桩单桩水平承载力设计值：（）（）（）（）式中：为群桩效应系数。根据公式（）计算得出；为桩顶约束效应系数，取；为扩大基础侧向土抗力系数，这里不考虑，取。经计算得：钢管桩单桩水平承载力设计值：对于纵向每延米计算宽度，组合结构中上部挡墙传递来的水平力分散到每根桩，水平力为：，满足设计要求。抗倾覆计算钢管桩竖向受压承载力计算公式如下：（）（）式中：为桩身周长；为桩周极限侧阻力标准值，考虑注浆效应，取；为极限端阻力标准值，取。经计算的钢管桩单桩竖向受压承载力为。对于纵向每延米计算宽度，组合结构中上部挡墙传递来的竖向力分散到每根桩，同时考虑弯矩影响，最大竖向力为最外侧一排钢管桩：（）计算结果小于单桩竖向受压承载力，满足设计要求。施工工艺及治理效果组合结构应按照上部挡墙基底开挖钢管桩打入注浆二次劈裂注浆钢筋网片绑扎、焊接扩大基础支模竖向石榫、接茬钢筋预埋扩大基础浇筑上部挡墙支模墙背泄水孔预留上部挡墙浇筑的顺序进行施工。下部钢管桩伸入地基，并在钢管桩侧壁开孔、注浆，施工时浆液扩散至周围岩土体内，可有效改良其工程性状，同时钢管桩挤密桩周岩土体，在注浆、挤密的作用下增大桩间岩土体强度。组合结构中下部钢管桩与上部片石混凝土挡墙之间通过至少两层横纵向钢筋网与钢管焊接，使两者之间形成刚性连接。工后现状如图。图工后现状 段路基已于年月完成施工，到目前为止，监控资料显示路基稳定性、沉降量在规范要求之内，说明钢管桩与挡墙组合结构实施成功，研究方法得当。结论针对西南山区陡横坡地形条件的路基收坡问题，创新性地提出一种“矮挡墙钢管桩”组合结青海交通科技 第期构，该结构既能有效收坡，又有较好的抗滑移抗倾覆能力，通过此实例研究得到如下结论：（）对于西南山区陡横坡路基，“矮挡墙钢管桩”组合结构具有既可以有效收坡，同时又能充分保证路基稳定等优点。（）从工程实例计算分析，“矮挡墙钢管桩”组合结构与常规挡墙结构相比，每延米可节约圬工约，节约总造价约万元，具有较好的经济性。（）针对“矮挡墙钢管桩”组合结构的抗滑移、抗倾覆计算提出计算方法及简化算式，并在工程实例中进行应用，计算结果较好地反映了现场实际情况，对相关工程具有较好的借鉴性。（）“矮挡墙钢管桩”组合结构在实际应用中具有较好的抗滑移、抗倾覆效果，自实际工程建成近以来，具有较好的稳定性，进一步验证了组合结构的可实施性。参考文献刘亚军格构式锚杆挡墙技术在边坡治理中的应用西部探矿工程，（）：，黄薇浅析边坡治理中的衡重式挡墙与锚杆联合支护方案建筑设计管理，（）：赵叶江，陈旭，陈旺桩墙复合支挡结构在高填方边坡中的应用及数值模拟分析土工基础，（）：何俊龙，刘育新桩扶壁组合式挡土墙的设计与应用湖南交通科技，（）：，中华人民共和国交通部公路路基设计规范（）北京：人民出版社，刘键涌微型钢管桩在山区公路挡墙地基加固中的应用福建交通科技，（）：，陈佳伟，张嘉钦钢管桩基础挡土墙在管道地质灾害防治中的应用工程技术研究，（）：唐正辉，陈川钢管桩在陡坡路堤挡墙中的应用西部交通科技，（）：，中华人民共和国住房和城乡建设部建筑桩基技术规范（）北京：中国建筑工业出版社，谭可，瞿永，郭博，等微型桩承台挡墙在临水软弱土路堤加固中的应用公路与汽运，（）：吴彪，李向阳，杨明微型钢管桩后注浆工艺在倾斜建筑加固中的应用江西建材，（）：櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺櫺（上接第页）考虑汽车共享服务的出行方式选择影响因素研究交通运输研究，（）：张欣基于回归分析的网约车需求量影响因素研究武汉大学，杨燕，胥川出租车和网约车载客空间特征分析交通运输工程与信息学报，（）：曾伟良，吴淼森一种基于网约车出行需求的长短期预测方法，“”，（）：黎景壮，温惠英，林龙，等基于神经网络的网约车需求量预测模型广西大学学报（自然科学版），（）：安磊，赵书良，武永亮，等基于 的网约车供需预测方法计算机应用研究，（）：田贵平物流经济学北京：机械工业出版社 白志根品牌，你逃不出的围城广东：广东经济出版社 贾怀勤应用统计北京：对外经济贸易大学出版社 第期青海交通科技