挡土墙微桩基础桥台

1、第三章 挡土墙和微型桩基础组合桥台设计3.1 简介钢筋混凝土轻型桥台， 是利用钢筋混凝土结构的抗弯能力来减少圬工体积而使桥台轻型化。 主要可分为薄壁轻型桥台和支撑梁轻型桥台。 其优点是结构自重轻， 施工方便。轻型桥台是桥台的一种形式，还有重力式桥台、框架式桥台、组合式桥台等形式。轻型桥台适用于小跨径桥梁，桥跨孔数与轻型桥墩配合使用时不宜超过 3 个，单孔跨径不大于 13m，多孔全长不宜大于 20m。桩基挡墙的挡土部分为悬臂式挡墙， 基础部分采用钢筋混凝土钻孔灌注桩或打入桩等桩基础。以桩基作为挡墙结构的基础， 解决了一般悬臂式挡墙必须依靠增大基础尺寸来提供抗倾覆滑移反力和减小地基承载力的问题，

2、进而能够减小挖方段的开挖量，这可通过对桩基挡土墙案例的分析， 说明其计算过程和适用性。一般悬臂式挡土墙是通过立壁承受土体侧压力， 通过底板提供抗倾覆滑移反力的墙式构造物。通常依靠改变底板尺寸来提供足够的支撑反力， 采用浅基础或复合地基处理， 提高天然地基承载力。我国大部分地区天然地基承载力或经过复合地基处理的地基承载力一般不超过150kPa200kPa，故我国公路、铁路路基等相关设计规范中均规定其墙高不宜超过6m。与浅基础处理和复合地基处理相比， 桩基础等深基础处理能够提供较高的竖向地基承载力， 同时还能提供前者不具备的水平承载力， 因此采用支挡体系的挡土墙与桩基础结合， 将能使挡土墙的适用范

3、围扩大一步。本文将以钢筋混凝土悬臂式挡墙（结构体系如图1所示）为例， 阐述这种体系的计算分析。图3-1 桩基挡土墙体系一般结构的悬臂式挡墙其结构主要由立壁、墙踵、墙趾构成。体系的水平滑移倾覆稳定性主要依靠墙身自重和墙踵板上方填土的重力来保证， 而墙趾板主要用来减小基底应力. 倘若挡墙高， 土压力大， 就需要增加立壁、底板的厚度和钢筋数量来抵抗立壁上的弯矩， 增加墙踵、墙趾的长度来抵抗土压力产生的倾覆力矩， 并减小墙趾处的地基应力。而对于挖方段挡墙， 增加墙踵长度后将显著增大基础的开挖量， 增加墙趾长度后也有可能导致其伸入路下， 造成路面的纵向沉降裂缝。以灌注桩或者打入桩作为挡墙的基础， 挡墙的

4、基底应力、抗倾覆稳定性及抗滑稳定性等结构特性不再由底板尺寸和基底土特性决定， 而是由桩基础来支撑挡墙并抵抗挡墙的倾覆及滑动。这种挡墙对于天然地基承载力较差或挖方段挡墙， 墙体需要开挖、无条件布置拉筋带并且墙身高度大于6m的情况， 较一般的悬臂式挡墙有明显优势。这两种情况下， 一般悬臂式挡墙都需要增大底板尺寸用以抗倾覆和滑移、减小基底应力， 而增大底板尺寸， 尤其是墙踵， 将导致开挖土方工程量大幅度增加。选用桩基础与挡墙结合， 其构造简单、施工方便， 可以较好地发挥材料的强度性能， 实现较小的开挖量。3.2 挡土墙桥台尺寸设计及荷载计算试设计桥台尺寸如下图所示图 3-2 桥台尺寸图（单位：dm）

5、3.2.1 恒载计算恒载可以为桥台自重，桥台上土自重和上部恒载组成，桥台尺寸如下图所示。1.桥台、承台及上部填土重力计算桥台混凝土等级为 25，重度为 25。桥台背墙：kN150025602.54 . 0台身重：kN10500256071承台重：kN6000256041承台上土的加权平均重度：iiimhh5 . 9209 . 09 . 3183 . 1189 . 0175 . 21738 .17mkN承台上土重：kN202928 .17609.52kNP38292202926000105001500mkNM14742) 122/4(20292)2/122/4(10500)2/4 . 022/4

6、(15002上部构造恒载计算上部构造示意图如下图所示。上部构造混凝土等级为 C30，重度为 30。图 3-3 上部构造示意图本飞机滑行道桥为 22+28+28+22 跨径预应力混凝土连续箱梁桥， 桥厚 2.5m， 桥梁设计总宽度为 60m。恒P=（305 . 260112）20=25200 kNmex5 . 1)2/122/4(1378005 . 125200PMxe恒恒mkN 3.2.2 桥台后土压力计算：图 3-4 桥台后土层参数示意图各个土层参数如下：填土参数： =317mkN，c = 5kPa， = 220，厚 2.5m。高液限粘土参数： =317mkN，c = 40kPa， = 14

7、0，厚 0.9m。低液限粘土参数： =318mkN，c = 60kPa， = 180，厚 1.3m。松散卵石土参数： =318mkN，c = 0kPa， = 300，厚 3.9m。中密卵石土参数： =320mkN，c = 0kPa， = 340，厚 2.9m。1、台后填土表面无飞机时土压力计算将两层土的重度内摩擦角按土层厚度进行加权平均，得：iiimhh5 . 9209 . 09 . 3183 . 1189 . 0175 . 21738 .17mkNiiimhh5 . 9349 . 09 . 3303 . 1189 . 0145 . 2221 .25台后填土自重引起的主动土压力:BKHEamA

8、221式中：m墙后填土重度的加权平均值（3mkN） ；H 土压力作用的高度；B 土压力作用的宽度；aK主动土压力作用系数。土压力作用系数如下：aK222)cos()cos()sin()sin(1)cos(cos)(cosm222)00cos()021 .25cos()01 .25sin()1 .2521 .25sin(1)021 .25cos(0cos)01 .25(cos0.52式中：m墙后填土内摩擦角的加权平均值；墙背与竖直线之间的夹角；墙背与填土间的摩擦角；填土面与水平面之间的倾角；aK主动土压力作用系数。台后填土自重引起的主动土压力:BKHEamA221kN62.250606052.

9、05 . 98 .17212水平分力：)cos(AAxEE)01 .25cos(62.2506022694.12kN作用点与基础底面的距离：mey17. 35 . 931水平方向土压力对基底形心轴的弯矩：mkNeEMyAxex36.71940)17. 3(12.22694竖向分力：)sin(AAyEE)01 .25sin(62.2506010630.7kN与基础底面的距离：mex28. 23/84. 6竖直方向土压力对基底形心轴的弯矩：mkNeEMxAyey996.2423728. 27 .106302、台后填土表面有飞机荷载时土压力计算由飞机荷载换算成等代的均布土层厚度BlGh式中：l破坏棱

10、体长度，tanHl ；H 桥台高度；破坏棱柱体滑动面与水平面之间的夹角。tan = atan +cot + tantan + tan= tan37.65 +cot25.1 + tan37.65tan37.65 + tan0=0.72破裂棱柱体长度：84. 672. 05 . 9tanHlm在破坏棱体范围内布满均布荷载：G1500kN将飞机荷载转换为等效土层，厚度为：hoBlG8 .1784. 6601500m21. 0台背在填土连同破坏接体上飞机荷载作用下的引起的土压力：BKHhHEamA)2(21kN56.261686052. 0)5 . 921. 02(5 . 98 .1721水平方向的分

11、力)cos(AAxEE=kN14.20719)065.37cos(56.26168作用点与基础底面中心的距离：)233(hHhHHeym19. 4)21. 025 . 921. 035 . 95 . 931(水平方向土压力对基地形心轴的弯矩：yAxexeEMmkN 2 .86813)19. 4(14.20719竖向分力：)sin(AAyEE)065.37sin(56.2616815984.71kN与基础底面的距离：mex28. 23/84. 6竖直方向土压力对基底形心轴的弯矩：xAyeyeEMmkN 14.3644528. 271.159843.2.3 支座活载反力计算滑行道主要供飞机滑行移动

12、，故主要活载为飞机荷载，飞机荷载按空客 380F 类荷载设计计算，查询网络信息，空客 380F 类飞机重 150 吨。NRk1500飞桥上飞机荷载反力对基础底面产生的弯矩为：22501500)2/122/4(1 飞MkN.m3.2.4 支座摩阻力计算滑动支座摩擦系数取 f=0.05 ，则支座摩阻力：fF恒P=252000.05=1260kN支座厚 42mm，支座摩阻力与承台底面的竖直距离：支座摩阻力与承台底面形心轴的弯矩：92.13282542.101260FMye支kN.m在一联内支座全部采用活动支座，即采用漂浮体系。如果制动力大于支座摩阻力，结构以位移抵消这部分力，因此只计算支座摩阻力，不

13、需要与制动力比较。3.2.5 荷载组合根据实际可能发生的组合，应按三种情形进行荷载组合，即：桥上有飞机，台后无飞机荷载；桥上有飞机，台后也有飞机荷载；桥上无飞机，台后有飞机荷载。荷载组合基本公式：01112mnoudaiaikQQ kcQjQjkijSSSS式中：uds承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；o结构重要性系数，该桥为中桥，取o=1；Gi第 i 个永久作用效应的分项系数，桥台自重、恒重、填土自重取 1.2，土的侧向压力取 1.41Q汽车荷载效应的分项系数，取1Q=1.4；Qj在作用效应组合中除飞机荷载效应外的其它可变作用效应的分项系数，人群荷载分项系数取 1.4，c在作用

14、效应组合中除飞机荷载效应外的其它可变作用的组合系数。1、桥上有飞机，台后无飞机荷载oudNkN38.9317315004 . 17 .106304 . 1)2520038292(2 . 1oudHkN768.3000712604 . 112.226944 . 1oudM92.132824 . 122504 . 1996.242374 . 1)3780014742(2 . 1=50863.293 kN.m2、桥上有飞机，台后也有飞机荷载oudNkN994.10066815004 . 171.159844 . 1)2520038292(2 . 1mey542.1015 . 9042. 0oudHk

15、N796.2724212604 . 114.207194 . 1oudM92.132824 . 122504 . 114.364454 . 1)3780014742(2 . 1=33773.292 kN.m3、桥上无飞机，台后有飞机荷载oudNkN994.9856871.159844 . 1)2520038292(2 . 1oudHkN796.2900614.207194 . 1oudM92.132824 . 114.364454 . 1)3780014742(2 . 1=24137.87kN.m表 3-1 荷载组合汇总表荷载组合竖直力（kN）水平力（kN）弯矩（kN.m）一93173.383

16、0007.76850863.293二100668.99427242.79633773.292三98568.99429006.79624137.87三种荷载组合的汇总表如表所示，综上所述，最不利的荷载组合如下:udN=100668.994 kNudH=3007.768 kNudM=50863.293 kN.m3.3 桩基础设计3.3.1 单桩承载力计算试设计桩长 20m，C30 高强度水泥浆灌注桩基，1m 在中密卵石土层中，19m 在密实卵石土层中，桩径去 300mm。根据地基基础规范经验公式PpkisikppkskukAqlquQQQ桩侧土的极限侧阻力标准值如下：中密卵石土层，取ksq1=85

17、kPa.密实卵石土层，取ksq2=90kPa。桩的极限端阻力标准值如下：密实卵石土层，取pkq=2200kPaPpkisikppkskukAqlquQQQkN32.1846220015. 014. 3)1990185(3 . 014, 32单桩竖向承载力特征值：aR=kNKQuk16.9232/32.1846/根据上部荷载初步估计桩数为04.10916.923994.100668akRFN，取 n=120 根3.3.2 计算桩顶iiiPQM、1桩的计算宽度1b计算KdKKbf01fK形状换算系数，圆形截面取 0.90K受力换算系数，圆形截面取33. 43 . 01111dK1111116 .

18、016 . 00 . 16 . 0hLbbKhLKhL1L沿水平力 H 作用方向上的桩间净距mL211h桩在地下的计算深度mhmdh249 . 313 . 03131b-与一排中的桩数 n 有关的系数6 . 0. 2bn94. 09 . 326 . 06 . 016 . 06 . 01.34. 26 . 01111hLbbKmhL故桩的计算宽度mb099. 13 . 094. 033. 49 . 012. 换算多层土的 m 值弹性桩h5 . 2，为地面以下mh范围内的系数。mdhm6 . 213 . 0212在局部冲刷线以下土层范围内有两层土，但因m1= m2，均为 60000kPa/m2，则

19、 m 不需要换算，m=m1=60000kPa/m2。则 m = k m=0.94 60000 = 56400kPa/m23. 桩-土的变形系数EI = 0.67EhI = 0.67 3 107164 0.34=7.99 10451EImb95. 079900099. 1564005桩在最大冲刷线以下深度 20m，则其计算长度： hh0.9520=19m2.5m属于弹性桩，按弹性桩计算.4. 计算桩顶刚度系数1234、10011holhAEC A式中：该承台为低桩承台00l mh20钻孔灌注桩0.5持力层为密实的砾类土，查表可知4056400mkNm 360010128. 12056400mkN

20、hmC持力层为密实卵石土土其等代内摩擦角为：h tan4= 20 tan9 = 3.2故取2203.28.044AmA = 0.152= 0.07EI57. 21005. 204. 810128. 1110307. 0205 . 0015671桩的换算深度：mhh192095. 0（m4）取mh4，低桩承台00l，查基础工程附表 17.18.19 得1.06423Q0.98545m1.48375mEIEIEIEIEIEIxEIEIEIxMMQ41. 148375. 195. 0889. 098545. 095. 0912. 006423. 195. 042233325计算承台底面中心处的位移o

21、a、ob、oEIEINNbni42.32657. 2120994.1006681201110EIEInEIEInEIEIEIxnnii68.106889. 012044.109912. 01206 .477112057. 241. 11203221214EIIEEIEIEIEInxnnMnHxnniinii84.16768.1066 .47744.109293.5086368.106768.30076 .47722223212142312140EIIEEIEIEInxnnHnMnnii99.14368.1066 .47744.109768.300768.106293.5086344.10922

22、2232121423206计算各桩桩顶所受作用力iP、iQ、iMkNkNEIEIEIxbbPiii85.46895.120899.143142.32657. 20011kNEIEIEIEIQi06.2599.143889. 084.167912. 00302mkNEIEIEIEIMi82.5384.167889. 099.14341. 10304校核:niiniiiiikNNkNPmkNMmkNnMPxkNHkNnQ11994.10066810066885.46895.120860293.508634 .5086482.53120185.46895.120860768.30072 .30070

23、6.25120符合规范要求。3.4 桩基础强度验算3.4.1 验算单桩轴向承载力按土的支承力确定单桩轴向允许承载力（经验公式法）单桩轴向允许承载力： PGN2max其中：maxN：单桩最大承载力，取 1208.95kNG:为整个桩重，取 G=3020kN41.4243 . 02， 则有 32122001hkAmlUPinii采用旋挖钻进成孔，则 U=m88. 13 . 03 . 0；第一层土为中密卵石土mPaml200,111；第二层土为密实卵石土mPaml300,1922由于67.663 . 020dh，且装底部不透水，则72. 0,67. 13 . 05 . 0dt则取6 . 00m222

24、07. 043 . 04mdA由于基底为密实砂砾，则查表有mPa100000 . 62k329 .21202219201mkNh=20m代入有：2maxGN1208.95+0.52)3 . 0(14. 3412030=1230.155kN kNNkNPh55.123019.2316)320(9 .216100007. 06 . 072. 0)300192001 (88. 15 . 0即有该单桩的轴向承载力满足要求。3.4.2 桩内力及位移计算00iMM=53.82kN.m0Q QI=25.06kN0iPP=1208.95kN3.4.3 计算最大冲刷线以下深度 Z 处桩截面上的弯矩 MZOzmO

25、mQMAM B20011ZXxXaQa MGZAZBbb表 3-2 内力汇总表图 3-5 内力汇总图最大弯矩为 66.18109 kN.m,最大弯矩所在位置是 0.84m3.4.4 桩顶纵向水平位移验算桩顶的水平位移和水平位移转角：查表，得XA=2.044066，XB=1.6210000032xxQMXABa EIa EIZZ=aZhahmAmB0mQAa0mM BzM(kn.m)00401053.8253.820.21052630.240.196960.998065.19559753.7155958.911190.42105260.440.377390.986179.95515153.0756763.030820.63157890.640.539380.9586114.2282851.5923965.820670.84210530.840.645610.9132417.0305149.1505866.181091.0526316140.723050.8508919.073345.794964.86821.26315791.240.7618