h型桩板墙在市政道路中的设计应用_朱文铜.pdf

DOI:10 13719/j cnki 1009 6825 202315037h 型桩板墙在市政道路中的设计应用收稿日期:2023 01 16作者简介:朱文铜(1989 )，男，硕士，工程师，从事路基路面设计工作朱文铜(甘肃省交通规划勘察设计院股份有限公司，甘肃 兰州730000)摘要:为解决某市政道路工程中传统支护型式无法同时满足直立式支挡防护和人行道设置的双重功能需求，在对传统的衡重式挡土墙、预应力锚索桩板墙、桩板墙+横向钢管混凝土撑杆等方案进行比选的基础上，提出新型的 h 型桩板墙支护方案，并运用有限元分析软件 Midas 进行建模分析，论证 h 型桩板墙支护方案的可行性，同时结合实际情况进行工程设计，最后依据设计方案进一步提出了方案实施时的施工要点。关键词:支挡防护;h 型桩板墙;有限元分析;工程设计中图分类号:TU473 1文献标识码:A文章编号:1009 6825(2023)15 0143 040引言市政道路设计中由于周围环境的限制，施工时大多无法放坡开挖，需要采用直立式边坡，通常采用的直立式支挡型式有重力式挡土墙、桩板墙、扶壁式挡土墙、悬臂式挡土墙等1。具体工程设计中还会受到设施、管线、路线下穿上跨等因素造成的空间限制，采用传统的直立式支挡型式无法满足特殊需求，需要根据工程实际情况采用灵活多变的支挡型式以满足需求。本文结合具体的市政道路工程设计实例，结合工程设计中人行道布设抬升、挤占桩位设置空间等工程实际情况，通过对多种支护方案比选研究，提出了适用本项目工程实际的桩板墙支护方案。1项目概况11工程简介川海大桥连接线工程位于兰州市红古区市区，项目采用双向四车道一级公路技术标准，设计速度 60 km/h，本项目所属区域为城镇，根据公路工程技术标准 及城市道路工程设计规范，结合项目实际交通流构成需要，该项目道路断面采用城市道路断面，两侧分别设置人行道及非机动车道。项目在 K1+105 处与民和铁路专用线相交，经与铁路部门沟通，设置框架桥穿越该铁路专用线。项目 K1+020K1+090 段起始端接 2 10 5 m 两孔框架桥，终端接民和铁路专用线框架桥。路线一侧分布有 2 幢 18 层居民楼，另一侧分布有 1 幢 18 层居民楼、1 座清真寺，两侧居民楼距离路基边缘均约 15 m，清真寺距离路基边缘约 10 m。该段路线以挖方形式通过，挖方高度约为 10 m，常规放坡开挖需拆除两侧居民楼大量附属建筑设施及清真寺部分主体建筑，无法实施。考虑两侧建筑物安全、经济社会影响、临时保通等因素，该段边坡须采用市政工程中惯用的直立式边坡。该项目 K1+020K1+074 段两侧人行道设置于桩板墙墙顶，由于民和铁路专用线阻挡，穿越专用线的K1+090K1+120 段道路两侧人行道须设置于框架桥内，人行道需在 K1+074K1+090 段内逐步升高6 m 实现与桩板墙墙顶人行道相接。12工程地质条件地勘揭示项目该段地层岩性为:填筑土，厚约 05 m 4 0 m，土质极不均匀，结构松散，级松土;冲积黄土状粉土，厚约 2 4 m 4 6 m，黄褐色，稍湿，稍密，土质均匀性较差，局部夹圆砾薄层，具大孔隙，具级(中等)自重湿陷，级普通土;冲积卵石层，厚约 9 2 m 11 4 m，杂色，稍湿潮湿，中密密实，级配不良，呈亚圆状，局部夹漂石颗粒，级硬土。下覆白垩系下统河口群泥岩，层位稳定，为较好的持力层。2方案比选项目 K1+074K1+090 段需要解决以下两个问题:1)基坑直立开挖，直立边坡高约 10 m 且紧邻高大建筑物，直立边坡支挡防护型式的选取的问题;2)项目K1+074K1+090 段人行道需由民和铁路专用线框架桥起始端逐步升高 6 m 与桩板墙墙顶人行道相接的问题。为解决上述两个问题，该段支挡防护结构的选择应满足两个条件:1)受周围客观环境限制，支挡结构必须是直立式的;2)支护结构型式需要与人行道布设相结合，满足人行道布设的规范要求。结合项目该段的功能需求及传统的直立式支挡防护经验，选取衡重式挡土墙、预应力锚索桩板墙、桩板墙+横向钢管混凝土撑杆、h 型桩板墙 4 种直立式支挡方案进行比选。21结构特点分析1)衡重式挡土墙:该型式挡土墙利用衡重台上部填土的重力及墙体自重共同抵抗土压力以增加墙身的稳定性。衡重式挡土墙背坡面接近直立，适用于路肩、路堤和路堑等支挡工程，收坡效果较好，墙高不宜超过 12 m。341第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑SHANXIACHITECTUEVol 49 No 15Aug20232)预应力锚索桩板墙:预应力锚索桩板墙的基本结构由抗滑桩、挡土板以及预应力锚索组成的复杂轻型支挡结构，作用在挡土板上的力传递给嵌入地层一定深度的桩，再由桩通过预应力锚索传递给稳定岩土体。桩板墙与预应力锚索共同作用，组成一个整体，形成“主动反压”的支挡结构2 3。3)桩板墙+横向钢管混凝土撑杆:项目 K1+020K1+074 段为了减少桩顶水平位移和节约工程造价，采用了桩板墙+横向钢管混凝土撑杆的支护型式。该种型式将两侧钢筋混凝土桩利用刚性连系梁联结起来形成一个整体。与普通桩板墙相比，该结构型式具有抗倾覆能力强、整体稳定性好、整体刚度大、施工方便等特点。4)h 型桩板墙:h 型桩板墙也可以称为椅式桩板墙，是双排门架式桩板墙的改进型式，其由前排桩、后排桩、连结前后排桩的连系梁以及连结后排桩的冠梁构成。由于钢筋混凝土连系梁的构造设计，能强化前、后排桩的整体连接，形成双排桩结构支护体系，大大增加结构整体刚度和稳定性，大幅提升支挡能力。在相同推力作用下，h 型桩板墙桩体最大弯矩仅为单排桩板墙桩体的 1/3，受力性能大为提升，且 h 型桩板墙增大了桩身侧向刚度，抵抗侧向变形的能力增强。同时，h 型桩板墙对锚固段桩周地层侧向容许承载力要求相对较小。22结构适用性分析1)衡重式挡土墙:本项目该段开挖深度约 10 m，采用衡重式挡土墙支挡需放坡开挖，无法满足施工要求，同时，挡土墙高度控制在 12 m 左右无法满足项目该段的安全性、稳定性要求。2)预应力锚索桩板墙:本项目右侧高层小区住宅楼采用桩基础，施打预应力锚索时可能会破坏其桩基础及埋设的管线，存在较大施工风险。3)桩板墙+横向钢管混凝土撑杆:K1+074K1+090 段继续采用该种支护型式，一是依据 CJJ 372012城市道路工程设计规范的规定:人行道最小净高不应小于 2 5 m，横撑的布置无法满足人行道对净空的要求，致使行人无法顺畅通行;二是横向钢管混凝土撑杆外径90 cm，长度 28 m，外形较大且单调，影响路容美观，同时该横向钢管混凝土撑杆设置于人行道上方极易对行人造成不安全的心理困扰，影响通行的舒适性。4)h 型桩板墙:由于该结构可以人为调节连系梁的位置，在改善和优化受力状态的同时，能适应不同的工程地质环境与施工作业环境。采用该结构既可以解决因设置横向钢管混凝土撑杆造成的人行道净空不足和行人顺畅通行问题，又能将前排桩布设与人行踏步设置相结合，利用前排桩和连系梁做人行踏步基础，通过调节连系梁的位置来改变前排桩的桩长以满足踏步布设的需求，节约工程投资。3h 型桩板墙结构计算分析31计算荷载本项目计算荷载主要有挡土墙结构重力、填土侧压力、填土重力、墙顶上的有效永久荷载、地震作用力等。按照 JTG D302015 公路路基设计规范表 H 0 1 3 的相关规定对荷载组合进行分类组合，组合结果如下:1)正常使用组合:挡土墙结构重力+填土侧压力+土重力+墙顶上的有效永久荷载。2)地震作用效应和其他荷载效应基本组合:正常使用组合+地震作用力。荷载组合分项系数按照 JTG D302015 公路路基设计规范中表 H 0 1 5 规定取值。本项目荷载组合分项系数取值如下:1)正常使用组合:1 0 挡土墙结构重力+1 0 填土侧压力+1 0 填土重力+1 0 墙顶上的有效永久荷载。2)地震作用效应和其他荷载效应基本组合:1 2 用组合+1 3 地震作用力。32土压力计算根据 建筑基坑支护技术规程 中第 3 4 2 条的规定，选取 K1+080 断面进行计算。1)作用于支护结构外侧的主动土压力强度标准值计算公式见式(1)，式(2):pak=akKa，i2ciKa，i(1)Ka，i=tan2(45 i2)(2)2)作用于支护结构内侧的被动土压力强度标准值计算公式见式(3)，式(4):ppk=pkKp，i+2ciKp，i(3)Kp，i=tan2(45+i2)(4)经计 算 作 用 于 支 护 结 构 上 的 主 动 土 压 力 为36179 kN/m。根据 公路工程抗震规范 中的相关规定对考虑地震作用下的土压力进行计算。1)地震主动土压力按式(5)计算:Eca=12H2+qHcoscos()Ka2cHKca(5)计算得到主动地震土压力如表 1 所示。表 1地震主动土压力深度/m地震力/kPa作用点 H/m0 0 1 513 811 5 3 559 22 333 5 5 030 53 385 0 6 5110 73 456 5 11 5294 26 8411 5 16 2402 09 8016 2 17 431 311 717 4 20 060 012 8441第 49 卷 第 15 期2 0 2 3 年 8 月山西建筑2)地震被动土压力按式(6)计算:Eep=12H2+qHcoscos()Kpsp+2cHKcp(6)计算得到主动地震土压力如表 2 所示。表 2地震被动土压力深度/m地震力/kPa作用点 H/m0 0 4 760 93 134 7 5 9393 24 255 9 8 51 080 26 1433有限元模型目前桩板墙桩体主要采用矩形截面，圆形截面桩体可以通过机械钻挖成孔，因而其相较矩形桩板墙采用人工挖孔具备施工快速的特点，另人工挖孔存在较大的施工风险，综合考虑施工工期和施工安全等因素，确定本项目 h 型桩板墙桩型采用圆形截面。依据后排桩桩后土压力的分布情况，结合 K1+020K1+074 段圆形桩尺寸，初步拟定 1 5 m 和 1 8 m 两种桩基直径进行比选分析。模型的 基 本 要 素 为:桩 板 墙 前、后 排 桩 桩 基 直 径 为15 m/1 8 m 的圆形水泥混凝土灌注桩，前、后排桩桩间距为3 07 m 4 01 m 不等，前排桩与后排桩相距4 5 m。根据 h 型桩板墙结构的特点，利用 Midas 软件，建立空间模型(见图 1)，采用梁单元进行模拟。图 1h 型桩板墙计算模型除对 h 型桩板墙结构进行承载力、抗倾覆稳定性验算、整体稳定性验算、嵌固稳定性验算外，还需对结构变形进行计算4。依据计算结果可知，桩径取 1 5 m 时，桩身最大变形为47 cm，后排桩桩顶最大水平变形 4 7 cm，前排桩桩顶最大水平变形 4 6 cm;桩径取18 m 时，桩径桩身最大变形为 3 0 cm，后排桩桩顶最大水平变形30 cm，前排桩桩顶最大水平变形 2 9 cm。支护桩最大水平位移一般不宜大于 3 cm，桩径取 1 5 m 时桩身最大变形较大，不宜采用，桩径取 18 m 时则符合要求。4h 型桩板墙的设计及应用本项目 h 型桩板墙前后排圆桩均采用机械成孔，如图 2 桩板墙横断面设计图中所示，前后排桩均为双侧对称布置，后排桩桩顶设置纵向冠梁连接后排桩桩基，前后排桩桩基通过横系梁连接。通过结构验算，前后排桩桩基直径均采用 1 8 m，桩基截面采用圆形，桩间距为 3 07 m 4 01 m。前排桩与后排桩相距 4 5 m，后排桩桩长一致，均为 20 m，如图 3桩板墙立面设计图所示，前排桩桩长依据人行道踏步布图 2h 型桩板墙横断面设计图1 767.33冠梁人行护栏1 764.431 763.98系梁路基中心线1 764.301 763.851.61.61.501 767.40250挡土板填筑土黄土状粉土-1卵石Qml4Qal4Qal4-1-2强风化泥岩中风化泥岩1hk2a1hkK2a挡土板1.81.81.81.8桩板式挡土墙1 757.881 758.091 758