桩基挡墙在既有站房加宽中的应用

刘 京 学

(中铁三局集团有限公司勘测设计分公司，山西 太原 030001)

1 工程概况

某车站站房外侧硬化面要加宽，需设置挡墙支挡，站房外侧硬化面高出地面7.5 m，硬化面加宽外侧距民房4 m。因新建挡土墙临近居民房屋，为避免挡墙开挖影响到既有居民房屋基础的稳定，这就使挡墙地基处理宽度受到限制，同时为解决挡墙因地基处理宽度受限而达不到抗滑稳定和抗倾覆稳定的问题，这就需要挡墙采用桩基的处理方法。

本设计新建挡墙采用桩基托梁基础，其中桩基因空间限制无法使用大型机械，故采用人工挖孔桩。这种组合支挡结构的计算方法目前无成熟的计算方法，本文通过具体工程应用，提出一种桩基挡墙计算方法，为类似支挡结构设计提供参考。

2 地层条件

2.1 地层

第①层：杂填土，主要包含有灰渣、砖块、碎石等，夹有少量粉土。为无序堆积，堆积时间短。承载力特征值70 kPa，厚0.5 m。

第②层：素填土，以粉土为主，夹有较多碎石、砖块、灰渣等，具中等压缩性。承载力特征值90 kPa，厚7.2 m。

第③层：粉土，主要包含物为云母、氧化物，土质较纯，摇振反应中等，无光泽，干强度低，韧性低，具中压缩性。承载力特征值120 kPa，厚6.3 m。

第④层：中砂，成分以云母、石英为主，夹有少量小砾石，颗粒级配一般。承载力特征值180 kPa，厚8.2 m。

2.2 水文地质

勘探深度范围内未揭露地下水，地下水埋藏较深，可不考虑地下水的影响。

3 工程设计

3.1 桩基挡墙的结构形式

本工程桩基挡墙由重力式挡墙、托梁和人工挖孔桩组成，如

图1所示，托梁下桩基布置如图2所示。为使托梁与桩成为一个整体，桩身伸入托梁0.1 m，桩身主筋伸入托梁并满足锚固长度的构造要求。

3.2 桩基挡墙的基本原理

本工程挡土墙为重力式挡墙，其土压力计算和结构尺寸设计同一般重力式挡墙。挡墙下采用了刚性桩基础，且桩顶设有刚性混凝土托梁。桩基挡墙的托梁与桩基础结合后，应按整体分析，由于桩与托梁刚性连接，上部荷载传递到桩基础，依靠桩基础为整个体系提供抗倾覆和抗滑移的反力及竖向的支撑力。

为简化计算，引入3条假定：

1)托梁刚度远大于桩基，假定托梁是刚性的。

2)挡墙上作用的竖向力、水平力及弯矩均通过托梁传递到桩基上。

3)桩基刚度远大于地基土，假定地基土对托梁无摩擦、无反支力。

3.3 挡墙设计

拟定挡墙尺寸为：挡墙每节长12 m，挡墙顶宽0.8 m，高7.5 m，面坡坡率：1∶0.3，背坡坡率: 1∶0.05。挡墙土压力的计算采用库仑土压力理论，在假定地基土摩擦系数0.5的条件下，计算得：

水平推力Em=152.1 kN·m。

竖向力Nm=312.9 kN·m。

倾覆力系对墙趾的弯矩M0=302.5 kN·m。

稳定力系对墙趾的弯矩My=596.4 kN·m。

挡墙合力偏心距e=0.525。

3.4 托梁设计

托梁作为挡墙和桩基的连接体，受力情况比较复杂，托梁受力示意图见图3。拟定托梁尺寸为：宽3 m，高1 m，长12 m，桩间距3 m。

图3中Nt表示挡墙传到每一跨的竖向力，Et表示挡墙传到每一跨的水平力，Mt表示挡墙传到每一跨的弯矩。

托梁顶部中线处弯矩：

Mm=Nm×e

(1)

或：

(2)

其中，e为挡墙合力偏心距；B为墙底宽度，m；M0为挡墙倾覆力系对墙趾的弯矩,kN·m；My为挡墙稳定力系对墙趾的弯矩,kN·m。

代入数值Mm=312.9×0.525=164.3 kN·m。

Mm=312.9×2.68/2+302.5-596.4=125.4 kN·m。

比较取大值Mm=164.3 kN·m。

托梁上的均布荷载：

q=(Nt+Ng)/L

(3)

其中，Nt为传递到托梁的竖向力，kN；Ng为托梁自重,kN；L为托梁长度,m。

代入数值：

q=(312.9×12+1×3×12×25)/12=387.9 kN·m。

采用连续梁简化公式及迈达斯软件分别计算托梁受力情况：

连续梁：最大弯矩M=283.4 m。

最大剪力Q=566.8 kN·m。

迈达斯：最大弯矩M=387 kN·m。

最大剪力Q=566.9 kN·m。

比较取大值，最大弯矩M=387 kN·m。

最大剪力Q=566.9 kN·m。

然后进行托梁配筋设计。

3.5 桩基设计

按荷载标准组合计算托梁支座反力，由迈达斯数值模拟得支座反力即单桩竖向承载力特征值Ra=1 435 kN。

单桩竖向极限承载力标准值Quk=2Ra=2 870 kN。

单桩竖向极限承载力标准值根据《建筑桩基技术规范》[1]有关规定计算。

Quk=u∑Ψsiqsikli+ΨpqpkAp

(4)

其中，u为桩身周长，m；Ψsi,Ψp分别为大直径桩侧阻、端阻尺寸效应系数；qsik为桩侧第i层土极限侧阻力标准值,kPa；qpk为极限端阻力标准值，kPa；Ap为桩端面积，m2。

考虑到采用人工挖孔桩，桩径取1 m。经计算，桩长10 m时，Quk=2 915 kN>2 870 kN，满足单桩竖向承载力要求。

桩顶水平力Hk=152.1×3=456.3 kN。

按照《建筑桩基技术规范》[1]中单桩水平承载力由变形控制的要求，桩顶允许水平位移取10 mm。

桩身配筋率不小于0.65%的灌注桩单桩水平承载力特征值：

(5)

其中，α为桩的水平变形系数；EI为桩身抗弯刚度；x0α为桩顶允许水平位移；vx为桩顶水平位移系数。

经计算，桩身配筋率为0.66%时：

Rha=612 kN>456.3 kN，满足单桩竖向承载力要求。然后进行桩基配筋设计。

4 结语

1)本文对桩基挡墙的设计过程进行了分析，把挡墙、托梁和桩基的相互作用关系，通过一些假定进行合理简化，便于进行受力分析计算。

2)挡墙和桩基的设计有较成熟的理论和规范，托梁的设计在这方面比较欠缺，本文做了一定的简化，还需进一步研究。

3)桩基挡墙这种支挡结构方式可在地基需要处理、施工空间受限等困难情况下使用。

[1] JGJ 94—2008,建筑桩基技术规范[S].

[2] TB 10025—2006,J 127—2006,铁路路基支挡结构设计规范[S].

[3] GB 50007—2011,建筑地基基础设计规范[S].

[4] 孔德惠，孔书祥.桩基挡墙在既有铁路路基加固中的应用[J].铁道建筑，2008(4):50-52.

[5] 李继明，胡 琦，叶 彬，等.管桩基础的重力式码头挡墙抗滑移计算方法[J].江南大学学报(自然科学版)2009,8(4):445-448.