高填方路段桩基础悬臂式挡土墙结构受力特性研究

高填方路段桩基础悬臂式挡土墙结构受力特性研究

周珩1冯明成1付婧雯2章琼1

(1. 广州城建职业学院建筑工程学院  广东省广州市  510925；

2.广东省铁路建设投资集团有限公司广东省广州市510510)

摘要：结合成渝客运专线某软基高填方路堤桩基础悬臂式挡土墙结构工程，对该支挡结构的受力特性进行了分析，总结了高路堤支挡结构设计中的关键技术问题，提出了桩基础悬臂式挡土墙结构的设计思路与简化设计方法，并结合ABAQUS有限元分析软件进行数值模拟模拟，验证了该结构设计方法的合理性，为桩基础悬臂式挡土墙结构的推广应用提供了依据。

关键词：高填方工程；桩基础悬臂式挡土墙结构；支挡结构；软基

Application of Pile Foundation Cantilever Retaining Wall for High Filling Projects on Soft Soils

Abstract: A systematic analysis is given for the mechanical characteristics of pile foundation cantilever retaining wall structures with high filling on soft ground in Chengdu-Chongqing high speed railway. The critical technical problem is also summarized, with a new type of cantilever retaining structure with pile-supported put forward. Using the finite element analysis soft ware ABAQUS, this type of structure is testified and is expected to provide reference for similar projects.

Key words：high filling project; pile foundation cantilever retaining wall; retaining structure; soft ground

0  引言

山区高速铁路建设中出现了大量修建于软土地基上的高填方路堤。在软基高路堤支挡工程设计中，主要存在以下问题[1-4]：①高填方荷载作用下软土地基的不均匀沉降将影响线路平顺性，以及路基支挡结构的稳定性；②高填方路基可能产生较大的水平力与水平位移，对线路的稳定性与临近结构物安全产生不利影响；③高填方车站地段路基需要在填筑体之上采用外观形式较好的直立收坡结构；④传统的路肩挡墙在应用中常受限于悬臂高度与工程投资等问题。上述4个方面的不利影响在高速铁路软基高路堤工程中往往同时并存，使得软基高路堤支挡结构的设计与施工成为一个复杂的综合型技术问题。

针对此类软基高路堤支挡问题，笔者结合成渝客专软基高路堤工程，在分析软基支挡结构受力特点的基础上，提出了桩基础悬臂式挡土墙结构的优化设计方案与设计方法，并得到了成功的应用。本文结合结构力学和弹性地基梁理论提出一种桩基础悬臂式挡土墙结构的设计计算方法，并采用Abaqus软件建立桩基础悬臂式挡土墙结构数值分析模型，讨论了该复合式支挡结构的位移、应力、土压力随软土厚度的变化规律，为软土地区类似工程提供参考。

1  工程概况

1.1 成渝客专某软基高路堤概况

某软基高路堤工程位于成渝客运专线内江段，根据场区规划设计方案，路堤填方高度为10~18m，地基软粉质粘土厚为4~6m，边坡拟采用永久性支挡结构，设计年限50年。其代表断面详见图1。

图1 典型剖面图

1.2 场地地层概况

场地地貌属丘陵地貌，地层结构及主要土层物理力学性质指标见表1。

表1 场区地层特征

Table 1 Characteristics of soils

由表1可见，场地表层为人工填土，地基土浅层主要为软塑—流塑状的软粉质黏土层，其物理力学性质指标较差，对高填方工程尤其是对高速铁路高填方路堤工程的稳定性存在显著的不利影响，处理不当将严重影响线路安全。

2  桩基础悬臂式挡土墙结构设计

2.1 支挡结构设计思路

悬臂式挡土墙是一种轻型支挡结构物，其外观形式较好，它依靠墙身自重和墙底板以上填筑土体（包括荷载）的重量维持挡土墙的稳定，其主要特点是厚度小，自重轻，挡土高度较高[4]。但在软土地基地段，地基的差异沉降极易造成挡墙出现应力集中，从而影响其使用，采用传统支挡结构收坡，结构受软土厚度影响非常明显，悬臂会明显增大，其常常难以满足支挡结构变形控制要求

[5-8]。为解决软土地基承载力的不足，并控制高填方地基沉降对结构基础的不利影响，桩基础常被用于支挡结构的基础和高填方的地基加固[9-12]。

本文提出的桩基础悬臂式挡土墙实质上是“挡土墙部分为悬臂式挡土墙，基础部分采用双排钢筋混凝土钻孔灌注桩、挖孔桩或打入桩等”的一种新型支挡结构形式，其综合了悬臂式挡土墙与桩基托梁结构的技术特点。

2.2 支挡结构设计方法

双排桩基悬臂式挡土墙结构作为组合型支挡结构，既承受填料与结构自重，又承受土压力与土体抗力的作用。由于空间框架结构沿线路纵向结构与受力对称，故可沿横向竖直平面取平面模型进行分析与计算。

2.2.1 结构形式

桩基础悬臂式挡土墙结构由悬臂段、底板和钻孔桩组合而成，如图2所示。在桩基础悬臂式挡土墙结构中，上部竖向荷载通过挡土墙的底板传递到桩基础，再由桩基础扩散到地基土体和岩体；填土水平土压力通过挡土墙悬臂传递给底板与桩基础，挡土墙部分与桩基连接成一个整体共同抵抗填土土压力力和填土自重。

图2 桩基础悬臂式挡土墙受力模式示意图

2.2.2 计算方法的基本假定

桩基础悬臂式挡土墙设计计算理论遵循的土压力分布形式假定如下[13-14]：

（1）在正常使用状态下桩基础悬臂式挡土墙结构构件处于弹性工作状态；

（2）桩基础悬臂式挡土墙结构挡土墙部分承受填料及外荷载作用，桩基础主要起承载作用，桩身受地基土侧向抗力作用；

（3）在计算桩基础竖向荷载时，不考虑底板下部土体的竖向支撑作用；

（4）桩基础和周围岩土体的相互作用分受荷段与锚固段分别考虑：受荷段桩体土压力按基本土压力理论计算；锚固段按文克尔弹性地基理论计算，地基反力系数K(y,z)=mz+c；

（5）桩底以基岩的连接方式按铰接处理；

（6）桩侧应力不应超过桩周岩土的允许水平承载力，椅式桩变形量值应满足相关规范要求；

（7）弯矩以桩身左侧受拉为正、剪力以构成顺时针力矩为正、位移向右为正、桩侧土压力右侧受压为正。

2.2.3上部挡土墙悬臂段结构分析

将桩基础悬臂式挡土墙分解成为悬臂段与空间框架结构两部分分别进行考虑，挡土墙悬臂段可视为悬臂梁计算，按传统土压力理论计算，其所受水平土压力为：

     （1）

式中，γ、H、h0、Ka分别为填料容重、挡土墙高度、上部荷载换算土柱高度与主动土压力系数。

2.2.4下部空间框架结构分析

空间框架结构中的底板作为悬臂式挡土墙的一部分，既承受踵板上部填料的竖向荷载，又承受挡土墙悬臂段传递的挡墙自重、水平土压力与弯矩，并将这些荷载传递到桩基础顶部。桩基顶部受上部底部传递的水平力、竖直力与弯矩作用，桩侧受因变形产生的土体弹性抗力作用，通过考虑空间框架结构协同变形与边界条件计算桩基内力与变形。

本文在进行桩基设计时引入刚性承台假定，由于桩基础悬臂式挡土墙结构与桩基承台结构类似，课题组参考GB50007-2011《建筑地基基础设计规范》，并扩展后引入以下假定：①假定挡土墙底板广度远大于桩基，底板视为不发生变形的相对刚体；②桩基与挡土墙底板刚性连接；③前后排各桩刚度相同；④桩基刚度远大于地基土，假定地基土对挡土墙底板无摩擦力、无支撑力。[14]

在计算桩顶内力时，假定挡土墙底板为刚体，上部荷载为作用在底板底面中心点O的竖向合力为N、总水平力为H与换算弯矩为M[9]。

当单桩桩顶产生单位位移时，桩顶所产生的作用效应有4个参数，如表2所示。这4个参数的计算公式过于繁琐，限于篇幅，详见文献[14]附录。

表2 单桩刚度

Table 2 Stiffness of single pile

底板产生单位位移时，所有桩顶对底板的反力之和有4个参数，如表3所示。

表3 底板刚度

Table 3 Stiffness of floor

    （2）

式中，x为桩顶距底板中心点O的水平距离。

则承台板底面的水平位移a、竖向位移b、承台板绕坐标原点O的转角β为：

     （3）

式中，N、M、H分别为上部荷载换算到底板底面中心点O的竖向合力、总水平力与弯矩。

通过计算挡土墙底板水平位移a、竖向位移b与转角β，可计算各单桩桩顶轴向力Ni、剪力Qi与弯矩Mi。

     （4）

3  数值模拟分析

3.1模型建立

3.1.1几何模型的建立

成渝客专某工点桩基础悬臂式挡土墙结构典型剖面见图3。该工点桩基础悬臂式挡土墙结构中墙高9.5m，桩基长度20m，挡墙底板下方人工填土层厚度4.9m，软土层厚度6m。

图3 支挡结构剖面图

3.1.2材料参数的确定

根据室内试验，岩土体数值分析的各项参数如表4所示。

表4 数值模拟结构参数表

3.1.3分析模型

将桩基础悬臂式挡土墙结构视为线弹性材料，采用弹塑性模型，岩土体的本构模型采用Mohr-Coulomb屈服准则[15]。

该文对挡土墙墙背与回填土接触面、挡土墙底板与地基的接触面及桩与土体的接触面均设置为摩擦接触。

3.1.4施工工序模拟

采用分步“激活”命令对结构施工与分层填筑过程进行模拟，模拟分析步骤见表5。

表5 模型分析步骤表

最终模型如图4所示。

图4 三维桩基础悬臂式挡土墙结构模型

3.2模型结果分析

3.2.1结构水平位移分析

图5结构水平位移云图

由图5结构水平位移云图可知，结构整体发生了向临空面的平移+转动的变形，结构的最大水平位移为1.486cm，位于挡墙悬臂顶端，桩顶最大位移为1.28cm，水平变形以桩基为主，其水平变形占总变形量的85%以上。

3.2.2路基沉降分析

图6路基竖向位移云图

由图6路基竖向位移云图可知，竖向位移主要发生在远离挡土墙的填方区域，最大值为12.4cm。桩基础的承载作用下，桩基础悬臂式挡土墙结构加固范围内路基沉降量远小于其他范围，结构在一定程度上起到了减小路基沉降的作用。

3.2.3结构水平位移随软土厚度的变化

为研究填土厚度对桩基悬臂式挡墙结构变形的影响，以基岩与结构尺寸参数不变，分别取软土层厚度为3m、6m、9m与12m建立数值计算模型。

图7 结构最大水平位移随软土厚度的变化

由图7双排桩基础悬臂式挡土墙结构挡墙悬臂顶端水平位移可知，当软土厚度从3m增加到12m时，结构最大位移从10.74mm增至29.01mm，软土厚度的增加将显著增加结构水平位移，影响路基安全性。

4  结语

软土地基上的高填方支挡结构设计既需要考虑软基承载力低，沉降量大，又要考虑高填方的水平位移控制等因素。常规方案采用厚重的桩板墙结构与较大截面积的抗滑桩，工程造价极高，且无法起到控制路基沉降的作用。笔者结合成渝客专桩基础悬臂式挡土墙结构设计实例，对该结构的受力特点进行了剖析，提出了一种组合式支挡结构，分析了受力机理并提出了设计计算方法，并通过有限元数值软基验证结构设计的合理性。本文介绍的设计原理和方法可以为软土地区类似工程设计提供参考。

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