（岩土工程专业论文）桩基托梁挡土墙设计理论与工程应用研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 桩基托梁挡土墙支挡结构通常应用在高陡边坡、严重冲刷的河岸、稳定性 较差的陡坡或基岩埋藏较深的边坡地段；主要用于解决挡土墙结构基础承载力 较低的矛盾，并且在滑坡地段可以起到稳定滑坡的作用。目前这种新型支挡结 构应用比较广泛，但其设计计算的理论相对滞后于工程应用，因此加强设计理 论研究，是一项十分紧迫的工作。 本论文结合襄渝线安康至重庆段增建二线工程的设计项目，结合典型边坡 工点的实际情况，从研究作用在结构上的荷载着手，分析当前桩基托梁挡土墙 结构的设计理论，并对其设计方法进行改进。本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 讨论作用在支挡结构上的荷载分类及桩基托梁挡土墙结构土压力与滑 坡推力的计算方法： ( 2 ) 桩基托梁的内力计算中，根据边坡性质及桩的受力情况，针对桩基托 梁现有的计算理论存在的问题，作者提出两种不同的计算模式：承载桩基托梁 挡土墙和抗滑桩基托梁挡土墙。 ( 3 ) 针对双排桩基托梁挡土墙支挡结构，提出了“”形结构的内力计算模 式，并利用结构力学的理论方法计算“n ”结构内力。 ( 4 ) 桩基托梁挡土墙设计理论在实际工程中的应用。采用f l a c 3 d 数值 分析软件模拟桩基托梁支挡结构，针对襄渝线安康至重庆段增建二线工程具体 工点，建立数值模型，分析数值计算结果。 【关键词】桩基托梁；计算模式；滑坡推力；数值模拟分析 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 a b s t r a c t t h es t r u c t u r eo fp i l e sf o u n d a t i o n - t r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a l li sg e n e r a l l y a p p l i e dt oh i g h s t e e ps l o p e s ，s e v e r e l ye r o d e dr i v e r b a n k s ，u n s t a b l e a n dd e 印 u n d e r l y i n g - b e d r o c ks l o p e s t h es l r u c t u r en o to n l yc a ns o l v et h ep r o b l e mo f t h e l o w e r b e a r i n gc a p a c i t yo fr e t a i n i n gw a l lf o u n d a t i o nb u ta l s oi n c r e a s et h es t a b i l i t yo ft h e s l o p e t h o u g ht h es t r u c t u r ei sw i d e l yu s e d , t h e r ea r es t i l ls o m ed e f e c t si nt h ed e s i g n t h e o r yt h a tn e e df u r t h e rs t u d y t h i sd i s s e r t a t i o ni sb a s e do na ne n g i n e e r i n gp r o j e c t - - - - t h eh i g h w a yf r o m a n k a n g t oc h o n g q i n g c o n s i d e r i n gi ns i t u a t i o no ft h es l o p e sa n dt h el o a d sa c t i n go n t h es t r u c t u r e ，t h ea u t h o ra n a l y z e st h ec u r r e n td e s i g nt h e o r yo ft h es t r u c t u r ea n d p r o p o s e ss o m es u g g e s t i o n so ni t t h em a i nr e s u l t sa n dc o n c l u s i o n sc a nb ee x p r e s s e d a sf o l l o w s ( 1 ) c l a s s i f i c a t i o no fd i f f e r e n tl o a d sa c t i n go nt h e s t r u c t u r ei sd i s c u s s e d t h e c a l c u l a t i n gm e t h o d o f e a r t hp r e s s l l r ea n dt h et h r u s t i n gf o r c eo f l a n d s l i d ea c t i n g0 1 1t h e s t r u c t u r ea r ed i s c u s s e da sw e l l ( 2 ) i nt h ea s p e c to fi n t e r n a lf o r c eo ft h ep i l ef o u n d a t i o nu n d e r p i n n i n g , s o m e d i s a d v a n t a g e sd oe x i s ti nt h ec u r r e n tc a l c u l a t i o nt h e o r y s o ，t a k i n gt h es l o p es t a t u s a n df o r c e sa c t i n go np i l e si n t oa c c o u n t , t h ea u t h o rd e v e l o p st w on e wc a l c u l a t i o n m o d e s ：b e a r i n gp i l ef o u n d a t i o n - t r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r ea n da n t i - s l i d e p i l ef o u n d a t i o n - t r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ( 3 ) i na l l u s i o nt ot h ed o u b l ep i l e sf o u n d a t i o n - l r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a l l s t r u c t u r e , “i i s t r u c t u r ec o m p u t a t i o nm o d e li ss u g g e s t e da n di n t e r n a lf o r c e so ft h e s t r u c t u r ei sc o m p u t e di nt h es t r u c t u r a lm e c h a n i c sm e t h o d s ( 4 ) t a k i n gas l o p ei nt h eh i g h w a yf r o ma n k a n gt oc h o n g q i n g a sp r o t o t y p e ，t h e a u t h o ru s e d f l a c 3 d s o r w a r et om a k ean u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i so ft h e p i l ef o u n d a t i o n - t r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a i ls t r u c t u r e t h er e s u l to ft h es i m u l a t i o n s h o w st h a tt h et w on e wc a l c u l a t i o n sm e t h o d sa r er e a s o n a b l ea n df e a s i b l e t h i sd e s i g n t h e o r yo fp i l e f o u n d a t i o n - l r i m m e rb e a m - r e t a i n i n gw a l li s a p p l i e di n t h er e a l e n g i n e e r i n gp r o j e c t k e y w o r d s ：p i l ef o u n d a t i o n - t r i m m e rb e a m - r e t a i n i n g ；c o m p u t a t i o ns c h e m a ； t h e t h r u s t i n gf o r c eo fl a n d s l i d e ；n u m e r i c a ls i m u l a t i o na n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 第1 章绪论 1 1 课题研究的背景和意义 经过多年的工程实践和理论研究，支挡结构的发展应用较迅速，抗滑桩、 桩基托梁挡土墙、锚定板式挡土墙等新型支挡结构在工程实践中大量应用，在 危险地段修建大型工程成为可能。在铁路、公路路基工程中，支挡结构被广泛 应用于稳定路基、路堑、隧道洞口以及桥梁两端的路基边坡等，主要用于承受 土体侧向土压力。在水利、矿场、房屋建筑等工程中，支挡结构主要用于加固 山坡、基坑边坡和河流岸壁。当以上工程或其它岩土工程遇到滑坡、崩塌、岩 堆体、落石、泥石流等不良地质灾害时，支挡结构主要用于加固或拦挡不良地 质体。支挡结构是岩土工程中的一个重要组成部分，随着我国国民经济的提高 与基本建设的不断发展，以及支挡结构技术水平的提高和减少环境破坏、节约 用地观念的加强等，支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛，特别是在铁路、 公路路基及建筑基础工程中所占的比重也越来越大啪。 桩基托梁挡土墙是铁路交通等工程建设中广泛应用的一种支挡结构形式”1 。 桩基托梁挡土墙是由挡土墙结构发展而来的，挡土墙是用来支承路基填土或山 坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。在路基工程中，挡土墙可用 以稳定路基和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基， 并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害h 1 。衡重式挡土墙是一种改进形式的重力 式挡土墙，其作用机理与其它重力式挡土墙相同，都是依靠自身重量来维持稳 定，其优点是利用衡重台上的填土和全墙重心后移来增加挡土墙的稳定性，减 小断面尺寸，也有利于减小主动土压力，增大抗倾覆能力，墙胸陡，下墙背倾 斜，可减小基础开挖，在山区或基础开挖难度较大的地区应用较广泛。但衡重 式挡土墙对地基的要求较高，在地基承载力不能满足设计要求的地区，通常在 挡土墙下设置托梁和桩基，利用托梁将挡土墙上所受作用力传递给桩基，来满 足对地基承载力的要求，这样就形成了桩基托梁挡土墙结构。因此桩基托梁挡 墙常常作为一种支挡结构体系出现在工程实际中嘲，桩基础一方面可以满足上 部结构对地基承载力的要求，另一方面可以起到加固边坡的作用。合理计算作 用在桩基托梁挡墙支挡结构上的荷载以及正确分析挡土墙、托梁及桩三者之间 的传力机理，是研究桩基托梁挡土墙结构的关键。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 桩基托梁挡墙这种新型支挡结构在国家标准或行业标准相关设计规范。“” 如铁路路基支挡结构设计规范( t b l 0 0 2 5 2 0 0 1 ) 、建筑桩基技术规范( j g j 9 4 - 9 4 ) 以及建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中还没有对其具体设 计计算原则和方法做出相应说明和规定。目前设计单位一般按照各自的计算方 法并根据工程经验进行设计，设计计算方法差别较大，一般偏于安全或过于安 全。因此，其设计计算理论需要更新和改进，加强设计理论研究，制定相应的 规范，是一项十分紧迫的工作。本论文结合襄渝线安康至重庆段增建二线工程 项目，针对其设计理论作出探讨。 随着国家西部大开发战略的实施，更多的铁路、公路和水电等基础设施项 目陆续投入建设，桩基托梁挡土墙支挡结构也将大量应用，必须对桩基托梁挡 土墙设计理论进入深入研究，为以后的设计计算提供参考资料。 1 1 1 桩基托梁的概况 ( 1 ) 桩基托梁挡土墙的发展及特点 桩基托梁挡土墙，是挡土墙与桩的组合形式，由托梁相连接j 桩基托梁来 源于建筑桩基和桥梁桩基，主要用于解决挡土墙结构基础承载力较低的矛盾， 并且在滑坡地段可以起到稳定滑坡的作用，挡土墙一般为衡重式。 2 0 世纪6 0 年代的成昆铁路在陡峻山坡的路堤曾采用桩基托梁挡土墙，据 统计有铁西、拉白、白果等8 处，共长2 8 3 2 3 聊，使用效果明显，技术可靠， 节省投资。若与常规的扩大基础挡墙方案相比，圬工量可省3 5 ，挖基量可省 7 0 。2 0 世纪9 0 年代初期宝成铁路增建第二线工程建设中，陡坡路堤多处采用 桩基托梁挡土墙方案。主要用于紧临既有线，陡坡岩堆、河岸支挡、陡坡拦石 墙等地段。在河岸严重冲刷、高路堤陡坡地段，采用桩基托梁挡土墙，能解决 河岸防护建筑基础埋深较深的困难。 桩基托梁挡土墙的特点是扩大了一般圬工式挡土墙的使用范围，当地面陡 峻或地表覆盖为松散体、地表稳定性较差时，采用桩基托梁挡土墙可将基底置 于稳定地层中，以节约上部挡墙截面，节约圬工、减少对坡体干扰。 ( 2 ) 应用范围和适用条件： 桩基托梁挡墙应用范围和适用条件如下： 主要用于河岸严重冲刷、陡坡岩堆、稳定性较差的陡坡覆盖土、基岩埋 藏较深、与既有线紧邻等地段路基。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 当山坡较陡、覆盖土层稳定性较差、基岩埋藏又较深时，可采用桩基托 梁挡土墙。 当既有线陡坡路堤平行增建第二线，当采用挖台阶浆砌防护、预留土埂 临时支护、跳槽开挖基坑等临时支护措施不能满足行车和施工安全时，可采用 路肩式或坡脚式的桩基托梁挡土墙。 ( 3 ) 桩基托梁挡土墙的结构形式及其结构断面示意图： 桩基托梁挡土墙中的挡墙一般为重力式和衡重式挡土墙，根据工程设计需 要，可以选择不同的结构形式，单排桩基、多排桩基及锚索( 杆) ；也可根据工 程设置位置分为路堤式和路肩式，具体见下面图表，结构断面图见图l - l ： 力重 力 重 勤髓勤缝 墙 墙 剿 揣 捞 一 挡 挡 羲 梁 梁 豳 一 式式 鄯 棚 弑 喊 雒 鲋 髓勤 r1 墙 墙 土 土 挡 挡 梁 梁 托 托 基 基 桩 桩 式 式 堤 肩 路 路 厂、，l 置位置殴程工按 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 a 锚索桩基托粱衡重式路肩墙b 桩基( 两捧桩) 托粱街重式路肩墙 ， 心! 专 苞 ， 路靳 c 桩基托粱重力式路肩墙d 桩基托粱街重式路堤墙 图l - i 桩基托粱挡墙结构类型截面示意图 ( 4 ) 桩基托梁挡墙的施工工艺啡 桩基托梁挡土墙的施工工艺流程如下： 桩基定位一锁口护壁浇筑一搭设提升平台一人工挖孔一孔内碴土吊运一护 壁立模混凝土浇筑一护壁整修一安装钢筋笼一浇筑桩身混凝土一桩基检测一开 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 挖托梁土石方一凿除锁口护壁一立托梁模板一托梁钢筋绑扎一托梁混凝土浇筑 一衡重式路肩挡土墙c 1 5 片石混凝土浇筑或m 7 5 浆砌片石浆砌一立帽石模板 一浇筑帽石混凝土。 桩基定位 按照图纸设计尺寸，准确地放出桩位或开挖轮廓线。 锁口护壁浇筑 开挖前先作好地面排水，孔口部分根据桩身孔口段地质情况将孔口开1 m 3 m 时，即可立模灌注2 0 c m 厚的第一节钢筋混凝土护壁，此节护壁在孔0 5 m o 8 m 高度范围内加厚至6 0 c m ，此部分称之为锁口，用来防止下节护壁开挖时 孔口下陷。锁口顶面要平整，并高出地面2 0 c m 3 0 c m ，防止孔口杂物及山坡 石滚落孔内。 搭设提升平台 为保证桩孔内开挖出的碴石能快速安全地提升出来运走，在桩口用脚手架 搭设井字架提升运输平台。同时在孔口安设两块活动门板，开挖过程中全部盖 住，提升过程中盖住其中一块，孔内施工人员站在盖住的一块下面，防止落物 砸伤。 人工挖孔 掘进采用人工分段开挖，每段开挖深度1 5 m 左右。挖掘松散碎石层及土层 时，采用风镐等工具掘进：钻凿岩层时，采用浅炮眼松动爆破，以确保孔壁不 受损。爆破之前，应设安全警戒线并把孔口两块门板盖上，防止爆破时小石块 飞出伤人。弃碴土石采用卷扬机提升，开挖出的弃土弃碴运至指定位置堆弃， 不得堆在孔口。桩位轴线采用在孔口设置十字控制网控制，并在护壁悬挂锤球， 以保证挖孔垂直度。开挖接近孔底标高时，采用人工开凿，以保证基底基岩的 完整性。 护壁浇筑 每掘进一段约1 5 m 左右，立即进行混凝土护壁浇筑，护壁厚2 0c m 。护壁 浇筑时，采用小型振动棒插捣密实，并与孔壁结合紧密。若进入较完整基岩后， 为加快施工进度，可不护壁。 成孔检查 达到设计标高以及岩性与设计一致后，要检查孔深、孔径，并清除孔底浮 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 碴及杂物。 护壁整修 为保证桩身截面不受损，将护壁凸出侵限处用砂轮磨平，凹处用易与护壁 粘结的灰浆( 石灰：水泥：砂= l ：l ：6 ) 抹平。 安装钢筋笼 钢筋笼加工好后，运至现场。在提升平台上用卷扬机提升，徐徐放入孔内。 校正钢筋笼骨架位置并加固牢固，防止灌注混凝土时产生移位变形。 桩身混凝土浇筑 混凝土采用强制式自动计量搅拌机拌和，自卸汽车运至现场桩位处。混凝 土采用溜槽和串筒下料，接至距孔底1 o m 处。灌注桩身混凝土必须连续进行， 每一捣固层厚以不超过3 0 c m 为宜，以保证桩身混凝土质量。 桩基检测 待桩身混凝土强度达到设计强度后，进行无损小应变检测。 o 开挖托梁土石方及凿除锁口护壁混凝土 桩基检测合格后，放出托梁的开挖轮廓线，采用风镐或浅眼松动爆破，人 工开挖土石方；锁口护壁混凝土凿除采用风镐，严禁放炮，以确保桩身混凝土 不受破坏。弃碴土石等采用卷扬机提升至自卸汽车上，运至指定的弃碴位置。 o 托梁施工 托梁基坑开挖至设计标高后，托梁底部铺一层5c l n 厚的碎石，并用砂浆找 平，以方便立模和绑扎钢筋。托梁模板采用组合钢模板，拼接严密，支撑牢固。 钢筋加工好后，运至现场。在提升平台上用卷扬机提升徐徐放入模板内。校正 钢筋笼骨架位置并加固牢固，防止灌注混凝土时产生移位变形。混凝土采用强 制式自动计量搅拌机拌和，自卸汽车运至现场托梁处。混凝土采用溜槽和串筒 下料，连续进行，确保托梁质量。在浇筑托梁最顶上一层混凝土时，要预埋接茬片石 或连接钢筋。 o 衡重式路肩挡土墙施工 在托梁养护至7d ，达到设计强度后，方可进行衡重式路肩挡土墙c 1 5 片石 混凝土浇筑或m 7 5 浆砌片石浆砌施工。 1 1 2 其它支挡结构的介绍 我国铁路路基抗滑支挡工程的建设和发展，大体可以分为两个阶段“。在 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 6 0 年代以前，以浆砌片石重力式挡土墙为主，因为山区铁路工程的重力式挡土 墙片石材料可以就地取材，施工方便的优点。在6 0 年代以后，出现了不少新型 的抗滑支挡结构。例如：锚杆挡土墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、桩板墙、 预应力锚索抗滑桩、拉杆锚固桩、扶壁式挡土墙、排架抗滑桩等。下面介绍几 种较为常用的铁路路基支挡结构。 ( 1 ) 重力式挡土墙“1 由于我国的一些地区石料来源丰富，就地取材方便，再加上施工方法简单， 因此，在过去很长一段时间内，石砌的重力式挡土墙( 如图1 2 所示) 是我国 岩土工程中广泛采用的主要支挡结构。这种挡土墙形式简单，设计一般采用库 仑土压力理论。当墙体向外变形墙后土体达到主动土压力状态时，假定土中主 动土压滑动面为平面并按滑动土楔的极限平衡条件来求算主动土压力。在侧向 土压力作用下，重力式挡土墙的稳定性主要靠墙身的自重来维持，墙身一般采 用浆砌片石来砌筑，有时也用混凝土。2 0 世纪5 0 年代为适应西南山区地形陡峻 的特点，出现了我国独创的衡重式挡土墙。衡重式挡土墙是我国山区铁路应用 广泛的一种挡墙形式，并已在公路等其他行业中得到推广运用。 图1 - 2 重力式挡土墙图l - 3 加筋土挡土墙 ( 2 ) 加筋土挡土墙“” 加筋土挡土墙是由基础、墙面板、帽石、拉筋和填料等几部分组成( 如图 l 一3 所示) ，其挡土原理是依靠填料与拉筋之间的摩擦力来平衡墙面所承受的水 平土压力( 即加筋土挡土墙的内部稳定) ，并以基础、墙面板、帽石、拉筋和填 料等组成复合结构而形成土墙以抵抗拉筋尾部填料所产生的土压力( 即加筋土 挡土墙的外部稳定) ，从而保证了挡土墙的稳定。 加筋土结构具有独特的优点：施工方便快捷，加筋土构件可预制；对地基 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 承载力要求低，适合在软弱地基上建造，属于轻型支挡结构；圬工量少，节省 投资；结构稳定性好，即使由于承载力不足而滑动、下陷，加筋土结构本身仍 保持完好状态；占地少，外形也美观。 加筋土挡土墙般应用于支挡填土工程，由于加筋土挡土墙所具有的优点， 在公路、铁路、煤矿工程中得到较多应用。但是对于8 度以上地区和具有强烈 腐蚀环境中不宜使用，对于浸水条件下应慎重应用。 ( 3 ) 锚定板挡土墙o 】 阍 锚定板挡土结构是一种适用填方的轻型支挡结构，可以用作挡墙、桥台、 港口护岸。2 0 世纪7 0 年代，铁路系统首先把锚定板结构作为支挡结构运用于路 基工程，这种结构由墙面系、钢拉杆、锚定板和填土共同组成( 见图1 4 ) 。 ， f ，n k “ i 产川竺7、c = x 笆 图1 4 锚定板挡土墙图1 5 桩板式挡土墙 锚定板挡土墙和锚杆挡土墙一样，也是依靠拉杆的抗拔力来保持挡土墙的 稳定。锚杆挡土墙必须锚固在稳定地层中，其抗拔力来源于锚杆与砂浆，孔壁 与地层间的摩阻力；而锚定板挡土墙的拉杆及其端部的锚定板均埋设在回填土 中，其抗拔力来源于锚定板前填土的被动抗力。因此。墙后侧向土压力通过墙 面传给拉杆，后者则依靠锚定板在填土中的抗拔力抵抗侧向土压力，以维持挡 土墙的平衡与稳定。在锚定板挡土墙中，一方面填土对墙面产生主动土压力， 填土愈高，主动土压力愈大：另一方面填土又对锚定板的移动产生被动土压力， 填土愈高，锚定板的抗拔力愈大。 锚定板挡土墙的主要特点有构件断面小，结构质量轻，柔性大，工程量省， 圬工数量少，构件可预制，有利于实现结构轻型化和机械化施工。它主要适用 于承载力较低的软弱地基和缺乏石料的地区，作路肩墙或路堤墙。在滑坡、坍 塌地段以及膨胀土地区不能使用。 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 锚定板挡土墙按使用情况可分为路肩墙、路堤墙、货场墙和坡脚墙等，根 据地质和工程的具体情况，墙面的结构形式可采用肋柱式和无肋柱式。锚定板 挡土墙适用于一般地区墙高不大于l o m 的路肩墙或路堤墙，设计时可采用单级 或双级，在双级墙的上下之间应设平台，单级墙高不宜大于6 m ，双级墙总高度 宜控制在l o m 以内。 ( 4 ) 桩板式挡土墙”1 桩板式挡士墙是一种在桩之间设挡板或土钉等其它结构来稳定土体的挡土 结构；桩板式挡土墙可用于一般地区、浸水地区和地震区的路堑和路堤支挡， 也可用于滑坡等特殊路基的支挡结构工程；桩的自由臂长度不宜大于1 5 m ，桩 间距宜为7 8 m ；当桩的地面以上的长度大于1 5 m 或桩侧土压力较大时，可在 桩上部加设锚索( 杆) 组成预应力锚索( 杆) 桩。 由于桩板式挡土墙的高度可不受一般挡土墙高度的限制，一般悬臂式桩板 墙地面以上悬臂高度可达1 5 m 左右，预应力锚索桩的地面以上高度可达2 0 2 5 m ，地基强度不足可由桩的埋深得到补偿。挡土板与一般桩间挡土墙相比， 其优点在于可以不考虑基底承载力；采用装配式挡土板施工方便快捷。滑坡和 顺层地段，桩上设锚索或锚杆可以减少桩的埋深和桩的截面尺寸，在悬臂较大 或桩上外力较大时，是一种很好的支挡型式。桩板墙这一结构在减少工程数量、 缩短工期、降低成本、节约投资方面相比于桥梁方案和挡土墙方案在高陡边坡 路段有明显的优越性，且施工简便，外型构造美观，运营后养护、维护费用低。 对以上支挡结构进行比较，它们都可用于支挡填土工程。衡重式挡土墙就 地取材方便，但对基础承载力的要求高；锚定板挡土墙作为轻型支挡结构，多 用于城市交通的支挡结构物工程；加筋土挡土墙施工方便，经济美观，但拉筋 与面板的可靠连接及它们的耐腐蚀性能，限制了它的使用范围。根据以往的使 用情况，加筋土挡土墙失败的例子比较多。桩板式挡土墙与桩基托梁挡土墙都 可用于高陡边坡的支挡工程，当在既有铁路增建第二线的工程建设中，高路堤陡 坡路段，需增建支挡，而基础埋藏较深时，采用传统挖台阶浆砌防护、预留土埂临 时支护、跳槽开挖基坑等临时支护措施不能确保铁路行车安全时，可采用桩板式 挡土墙和桩基托梁挡土墙方案处理，发挥基坑开挖施工对周围建筑影响小的优 势，避免对既有铁路运输和安全产生影响，使用优势明显，技术可靠，节省投资。 两者通常放在工程方案比选中进行优选，一般在浆砌片石来源丰富的地区，桩 西南交通大学硕士研究生学位论文第l o 页 基托梁中的衡重式挡土墙施工方便且投资省，若工程中使用锚索，桩板墙上的 锚索施工比桩基托梁上的锚索施工困难。不同支挡结构各有独自的特点，根据 不同的工程地质环境及要求，因地制宜，充分发挥其优点，使设计达到最优。 1 1 3 目前桩基托梁挡土墙现有计算理论存在的问题 桩基托梁挡土墙作为一种新型支挡结构，其设计理论方面的深化研究工作 做得不多，有关桩基托梁挡土墙研究的文献较少，设计理论方面的资料不多。 桩基托梁的设计理论一般被认为是挡土墙的设计及桩基础的设计。其中桩基础 分成托梁和桩两部分进行设计。挡土墙按一般挡土墙的设计理论进行计算；托 梁用一般连续梁或支端悬出的简支梁理论计算，视作杆状结构。桩的设计理论 按照顶部受弯矩和水平力的抗滑桩进行计算。桩基托梁的设计理论没有统一完 整的设计理论体系，桩基托梁的设计经常是依靠经验进行设计，过于保守，需 要探讨合理的设计理论方法。工程应用中，桩基托梁挡土墙的设计中对桩的设 计均采用抗滑桩的计算理论，作者认为这样是不全面的，因为根据桩基托梁挡 墙的应用条件，如果用在挡土墙基础承载力不够的情况下，为了提高地基承载 力，桩结构不承受滑坡推力，就不能按照抗滑桩的计算理论进行计算，如图l 石， 桩主要承受竖向荷载；如果边坡有滑面或潜在滑面穿过桩的位置，则桩要承受 滑坡推力，应按照抗滑桩的理论计算，如图1 7 ，桩不仅承受有竖向荷载还要承 受滑坡推力。因此需要进一步合理的探讨桩基托梁挡墙的计算模式。桩基托梁 挡土墙在铁路路基支挡结构设计规范中没有相应规范规定，进行桩基托梁 的研究是必要的。 q 图1 击桩不受滑坡推力 q 圈1 7 桩受滑坡推力 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 1 页 1 2 本文研究思路和主要内容 本论文研究的是桩基托梁挡土墙支挡结构。主要研究分析桩基托梁挡土墙 结构体系上作用的荷载、荷载分布及结构计算，并针对具体工点进行数值模拟 分析，对结构的沉降变形趋势、体系中各结构的应力分布情况及其墙后土压力 的大小和分布情况。基于以上思路，本文研究的主要内容如下： ( 1 ) 对于桩基托梁挡土墙结构体系，确定作用在结构上的主要荷载，包括 路面荷载、土压力及滑坡推力大小的确定，并且对土压力和滑坡推力的分布进 行探讨； ( 2 ) 桩基托梁挡土墙结构体系，分析现有桩基托梁挡土墙内力计算理论， 包括衡重式挡土墙内力计算理论、托梁内力计算理论。针对桩的内力计算理论 存在的问题，提出桩基托梁挡土墙的计算模式，寻找计算模式合理的分类标准， 并给出不同计算模式的计算理论；针对双排桩基托梁挡土墙的计算，把桩基托 梁看作“”字型结构，利用结构力学理论进行结构分析。 ( 3 ) 针对襄渝线安康至重庆段增建二线工程，选择典型工点进行实例分析， 支挡结构类型的确定、计算模式的判断、参数的选取、荷载的确定及结构内力 的计算； ( 4 ) 对于襄渝线安康至重庆段增建二线工程d k 6 0 7 + 4 8 0 典型边坡，建立 数值模型，针对不同工况的进行数值计算，分析结构的位移变化趋势，应力分 布及结构的受力情况。然后把数值计算的结果与理论计算结果对比分析，进一 步证明桩基托梁挡墙计算理论的合理性。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 2 页 第2 章桩基托梁挡土墙荷载的确定 支挡结构的设计，首先要确定结构上作用的荷载及其分布，合理方便地确 定支挡结构上的荷载，进行支挡结构的设计，这 是支挡结构设计的主要内容。由图1 - 6 和1 7 可 知作用在该结构上的荷载主要是土压力和滑坡 推力，另外还有地面荷载如图2 1 所示。本章内 容主要是如何确定桩基托梁挡土墙上的荷载，以 及桩基托梁挡土墙上土压力和滑坡推力的分布 形式。桩基托梁挡墙的荷载位置如图2 1 所示。 2 1 荷载分类 按作用时间的久暂，荷载可分为恒载和活 载；按荷载的作用范围，荷载可分为集中荷载和 分布荷载；按荷载作用的性质，荷载可分为静力 图2 1 桩基托粱挡墙上的荷载 荷载和动力荷载；按荷载位置的变化。荷载可分为固定荷载和移动荷载“”。荷 载的确定，常常是比较复杂的，但在不少情况下，设计者要深入现场，结合实 际情况进行调查研究，才能对荷载作出合理的确定。对于桩基托梁挡墙支挡结 构其荷载分类如下嘲： ( 1 ) 主力 主力是指作用在结构上的主要荷载，通常包括以下作用力： 支挡结构承受的岩土侧压力或滑坡推力； 支挡结构重力及结构顶面承受的荷载； 轨道、列车、汽车、房屋等荷载产生的侧压力： 结构基底的法向反力及摩擦力； 常水位时静水压力及浮力( 常水位指每年大部分时间保持的水位) 。 ( 2 ) 附加力 设计水位的静水压力和浮力： 水位退落时的动水压力； 波浪压力； 冻涨力和冰压力( 不与波浪压力同时计算) 。 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 3 页 ( 3 ) 特殊力 地震力( 洪水与地震不同时考虑) ； 施工荷载及临时荷载； 其它特殊力。 作用在支挡结构上的力系一般只考虑主力的影响，在浸水和地震等特殊情 况下，应考虑附加力和地震力的作用。 2 2 路面荷载计算 路基面承受轨道静载和列车竖向活载两种主要荷载。1 。根据铁路路基支挡 结构设计规范规定，在挡土墙力学计算时，将路基面上轨道静载和列车的竖 向活载一起换算为与路基土容重相同的矩形土体。换算土柱作用于路基面上的 分布宽度和高度可查看表2 1 。 表2 1 列车和轨道荷载换算土柱及分布宽度删 轨道条件换算土柱 铁路等级路堤设计轴钢轨轨枕道床道床道床分布计算强度重度计算高 ( 轨道类型)填料 荷载o d o ( k g m ) 根y k m )厚度 顶宽坡度宽度a )q 神良( m ) 【曲i m ) 非渗 1 73 5 i 级水土o ，卯 3 65 9 21 83 3 ( 特重墅) 1 7 2 0 岩石、 2 2 07 5型3 11 7 51 83 4 渗水 o 3 53 26 0 4 土 1 93 2 非渗 1 73 5 i 级水土 o 5 03 65 9 1 ( 重型) 1 6 1 8 3 3 岩石、2 2 0 6 0 型3 1 1 7 51 83 4 渗水 o 3 53 26 0 3 土 1 93 2 非渗 1 73 4 i 、水土0 4 53 55 7 6 ( 次重型) 1 7 6 0 1 83 2 岩石， 2 2 0 5 0 垄3 o 1 7 5 1 83 5 渗水 o 3 03 15 9 2 土 1 93 3 非渗 1 73 4 、缓水土 1 6 0 4 0 3 45 7 7 ( 中型) 2 2 05 0型3 0 1 83 2 岩石、 1 7 5 1 83 3 渗水0 3 0 3 i势2 土 1 93 1 非渗 1 73 4 级水土1 6 4 00 3 5 3 3 5 6 9 1 8 3 2 ( 轻型)2 2 05 0 型 2 9 岩石、 1 83 3 渗水0 2 5 1 ，5 0 3 05 9 11 93 1 土 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 4 页 2 。3 土压力计算 土压力的理论计算始于1 7 7 3 年，库仑( c a c o u l o m b ) 发表了以滑动土体整 体极限平衡为条件的库仑土压力理论，其后于1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 也 发表了以微分土体极限平衡为条件的朗肯土压力理论，此后许多学者，如太沙 基( k t e r z a g h i ) 、契波塔廖夫( t s c h e b o t a r i o f f ) 、皮克( r b p e c k ) 、毕晓普 ( a b b i s h o p ) 、罗威( e w r o w e ) 等，对土压力的计算理论及方法进行了研究， 扩展了库仑和朗肯土压力理论的应用范围，并且提出了许多新的计算方法和计 算理论，如索柯洛夫斯基的极限平衡理论、能量理论、水平层计算方法、土压 力的空间计算理论等，并且通过大量的模型试验和现场试验验证各种土压力理 论的实用性，在有限单元法应用到土压力理论分析中后，使士压力的计算方法 和计算理论渐趋完善和合理“”。 2 3 1 影响土压力的因素 土压力的计算是一个复杂的问题，它涉及到填土、墙身以及地基三者之间 的共同作用，所以作用在挡土墙上的土压力，其大小和分布与许多因素有关“”， 例如： ( 1 ) 挡土墙的形式和墙体的刚度： ( 2 ) 挡土墙表面的倾斜度及其粗糙程度； ( 3 ) 挡土墙的变形和位移； ( 4 ) 填土的性质( 如土的均匀性) ； ( 5 ) 填土表面荷载的情况； e ，+ 啊 即作用在墙背上的合力对墙背法线的倾角占必须小于墙背摩擦角万，也可 表述为第二破裂面与墙背之间的土体不会沿墙背下滑。 故计算时应进行判断：若第二破裂面不出现，应以假想墙背为边界条件按 前述一般直线墙背库伦主动土压力计算；若出现第二破裂面，此时应按第二破 裂面计算土压力。 从图2 4b ) 所示的力三角形中可知： e a = w 硫揣 亿。 e x = e a c o s ( a , + 妒) 2 而而闹w ( 2 2 取e ，等于最大值为出现第二破裂面的极值条件，可得： 等等一( 器 2 oa 啦2 a 瞑2i 融船j ( 2 - 3 ) ( 拍) 求解上式可分别得到第一、第二破裂角q 和啦，并将b 和q 代入公式( 2 - 1 ) ， = l i 以面辑酉鸺一砰犯一砰 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 9 页 即可求得第二破裂面的土压力e 。 对于公路工程常用的各种衡重式挡土墙，如路堑墙、路肩墙、路堤墙及各 种边界条件。 值得注意的是，当上墙出现第二破裂面时，第二破裂面与上墙墙背之间的 填土与墙身一起移动，其重量应计入墙身自重，且验算墙身截面强度时，应按 上墙实际墙背所承受的土压力计算。 上墙实际墙背的土压力由第二破裂面上的土压力e 传递产生，如图2 - 3 所 示。一般假定衡重台及墙背上均无摩阻力，采用力多边形法来推求实际墙背上 的土压力，如图2 - 4 b ) 所示。 由力多边形可得实际墙背上的土压力分力为： ell=e。(2-5) 置，= 最，t g c t = e 。f g 口 ( 2 6 ) 并假定此实际土压力沿上墙背成三角形分布，作用于上墙背的下三分点 处。 2 4 ，2 下墙土压力计算 下墙土压力的计算比上墙更复杂。难以建立一合适的模型进行精确的计算， 目前多采用简化的计算方法，下面是两种常用的计算方法： ( 1 ) 延长墙背法 该法通过延长下墙墙背至填土面，并以此假想墙背为边界条件，采用相应 的库伦公式计算土压力分布，然后从中截取相应于下墙的部分并与上墙的土压 力分布图进行叠加，即为全墙的土压力。 如图2 - 5 所示，a b 为上墙墙背，b c 为下墙墙背。先将上墙视为独立的墙 背，用一般的方法求出主动土压力五，土压应力分布图形为a b c 。计算下墙土 压力时，首先延长下墙墙背c b ，交填土表面于d 点；以d c 为假想墙背，用一 般库伦土压力理论计算假想墙背的土压力，其土压力分布图形为d e f ；截取其 中与下墙相应的部分，即h e f g ，其合力即为下墙主动土压力易。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 0 页 c 图2 - 5 延长墙背法计算下墙土压力 延长墙背法是一种简化的近似方法，由于计算简便，该方法至今仍在工程 界得到广泛的应用。然而，它的理论依据不足，给计算带来一定的误差，这主 要是忽略了延长墙背与实际墙背间土契及上覆荷重，但多考虑了由于延长墙背 与实际墙背上土压力作用方向的不同而引起的竖直分量差，虽然两者能相互补 偿，但未必能抵消。此外，在计算假想墙背上的土压力时，假定上墙破裂面与 下墙破裂面平行，而多数情况下两者不平形，这是产生误差的第二个原因。 ( 2 ) 力多边形法 力多边形法是根据极限平衡状态下作用于破裂棱体上的诸力应构成一闭合 的力多边形的原理，来求算下墙的土压力。这种方法由于不需要借助于任何假 想墙背，因而避免了延长墙背法所引起的误差。 力多边形法求算折线墙背下墙土压力采用数解法，作用于破裂棱体上的力 及由此构成的力多边形如图2 - 6 b ) 所示。在力多边形中，依据几何关系即可求 得下墙土压力昱 ： 易哪诅鹅碰 沼7 ， 址置赢鹎 协幻 墨= 五篙舞 ( 2 ” 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 l 页 q b ) 图2 6 力多边形法求下墙土压力 式中职一挡土墙下墙的破裂棱体的重力( 包括破裂棱体上的荷载) ( k n ) ： 谚一上墙第一破裂角( 。) ； 反一下墙破裂角( 。) ； 冠一上墙破裂面上的反力( w ) ； e 一上墙土压力( k n ) ； 啦一上墙墙背倾角( 。) ； 一下墙墙背倾角( 。) ； 点一上墙墙背摩擦角( 。) ： 最一下墙墙背摩擦角( 。) ； 驴一填土的内摩擦角( 。) 。 由上式可知，下墙土压力易是试算破裂角岛的函数，为求e 的最大值，可 令等= o ，求得破裂角见。将求出的岛代入式( 2 7 ) ，即可求得下墙土压力易。 o 屹 2 5 滑坡推力的计算及分布形式研究 计算滑坡或边坡在工程使用年限内各种荷载作用条件下不同部位尤其是在 设立抗滑支挡工程建筑物部位的滑坡推力数值，为整治工程设计计算提供定量 的依据，这是滑坡推力计算的主要目的o ”在现有支挡结构工程的设计中，均 将滑坡推力作为抗滑结构上的外荷载，因此，滑坡推力计算也是支挡结构工程 设计的前提条件。对横截滑动方向某一截面上的滑坡推力，般有两类做法。“， 即：一是先求出全截面上的全滑坡总推力，然后按该横截滑动方向的截面上滑 体厚度的不同分配出各段每米宽的推力大小；一是按平行滑动方向分段，求每 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 2 页 段代表断面的每米宽的滑坡推力，从而综合各段的推力而得出全滑坡的推力。 其中第二种方法是当前国内外普遍采用的做法，在计算每米宽滑动断面的推力 时，其两侧为内力而不计算侧向摩阻力。 由于滑坡或边坡失稳破坏的多样性和复杂性，对滑坡或边坡的稳定性评价 方法也多种多样，就滑坡推力的计算而言也没有一种适用于所有情况的万能 方法，应该对具体问题具体分析，针对以上滑坡推力计算的一些问题，本章下 一节将针对一些常见滑动中的不同滑面( 带) 类型分别给出其计算滑坡推力的 方法，这些方法有些计算较为复杂，但如果将这些计算过程编制成计算机标准 程序，则计算起来也是较为方便的。 2 5 1 不同滑面形式的滑坡推力计算 本文认为，对于不同的滑动形式，原则上滑坡推力计算应与其稳定性分析 方法保持一致，这样计算的滑坡推力和相应的稳定系数才能对应。在用极限平 衡法分析滑坡或边坡的稳定性时，根据条间力的不同假定有各种不同的稳定性 计算方法，所以也就有计算滑坡推力的各种假定和算法。根据常见的滑动面( 带) 形式，在此将其分为如下5 种并提出相应的滑坡推力计算方法： ( 1 ) 滑面( 带) 为单一平面或可简化成单一平面者。1 如图2 7 ，一般产生于松散体地段( 或破碎岩层组成的坡体上) 的滑坡，或 顺层岩石由于人工切割坡角而产生的顺层面的滑动。由于土中粘聚力较小( 可 采用滑面上的抗剪强度为综合中值) 而经常 出现单一平面型的滑面。 其稳定度岛= 劬矿t a n 口 式中一一一滑面( 带) 岩土的综合 内摩擦角； 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 3 页 对于滑面为圆弧( 或接近于圆弧 形) 的滑坡或边坡失稳类型，主要计 算稳定性的条件应是整体的力矩平 衡，所以宜采用分析圆弧形滑面的稳 定性计算方法来计算滑坡推力，下面 用简化b i s h o p 法推求滑坡推力的计算 表达式。 简化b i s h o p 法简介 条块的受力如图2 - 8 所示。局、 五0 l 表示法向条间力，乃、珞l 表示条 间切向力，为条块自重，q f 为水平作用力，m 、昂分别为条块底部的总法向 力( 包括有效法向力及孔隙压力) 和切向力，其余符号见图2 8 。 根据每一条块竖向力的平衡，可得 形+ 霉一玩i m c 佛嘶一蜀s j n 嘶= o ( 2 1 1 ) 根据m o h r - c o u l o m b 准则， 。西= 半z + i t i l l ( 2 - 1 2 ) 。 x “ 置 其中石= t a l l 一，q = c ：，均代表有效内摩擦系数和有效粘聚力。 将( 2 - 1 2 ) 代入( 2 - i i ) 可得底部总法向力为 m = 卜亿吨) 一华+ 半爿古 其中肌。= c o s 啦+ 五詈丝。 在极限平衡时，各条块对转动圆心的力矩之和应为零，此时条块间的作用力相 互抵消，可得 形r s i n