研究ＲｅｓｅａｒｃｈａｎｄＤｅｓｉｎ ｇ 与设计桩基托梁挡土墙支护结构在边坡工程中的应用
２２１
王伟光１， 杨 彪， 张景生， 李郑阳（）四川成都６空军工程大学机场建筑工程系，陕西西安７１．１００３８；２．９５５３８，１１４３０
摘 要：桩基托梁挡土墙支护结构适用于复杂地形条件下的边坡工程，不仅能有效提高地基承载力，还能抵抗
边坡的水平推力，在相关工程中得到了很好的应用。结合某复杂地质条件下的填方工程边坡进行设计，明确了该类支护形式的计算原理，在自然、地震等工况下对抗滑桩的内力计算进行了详细介绍。工程已正式投入使用，设计结果用于相应工程中取得了较好的治理效果。关键词：桩基托梁；抗滑桩；衡重式挡土墙；内力计算：／ＯＩ１０．１３２１９．ａｔ．２０１９．０４．００２Ｄｊｇｊｇｙ
（）中图分类号：ＵＡ 文章编号：１３００４１６．１４ 文献标识码：６７２９５３２０１９０４００６０４－－－随着我国交通强国重大战略的制定和西部大开发战略的深入推进，工程所面临的地质条件更加复杂，形成了大量的岩土体边坡工程，其安全隐患也日益凸显。为了支撑路基填土或坡土以防止其变形失稳，通常采用挡土墙。但当地形或者地基承载力不符合要求时，如何进行边坡支护设计是工程人员面临的重要难题。桩基托梁挡土墙对复杂地形适应能力强，工程造价经济合理，被广泛应用于公路、
１］
。铁路、工民建和边坡支护中［
场地类别为Ⅱ类，边坡的安全等级为Ⅱ级，结构重要，）施抗震设防烈度为８度（性系数γ０＝１．０．０，２０ｇ工质量控制等级为Ｂ级。
原有边坡主要由废弃矿渣填筑而成，主要依托于旧铁路路基作为支挡结构，路基主要由砂石垫层和砂卵石层填筑。路基下部为旧河床和沟谷冲积，物，下伏花岗岩。该边坡运行时间４属整体稳定０ａ边坡。然而考虑到继续弃渣堆积工况，拟对其进行加固处理。结合工程实际，采用了桩基－托梁－锚索－挡土墙支护结构形式，其挖孔桩、挡土墙断面如图１所示。
工程中桩基托梁挡土墙中桩的受力情况多变，仅采用抗滑桩的计算理论并不全面。工程条件不同，计算理论也不尽相同。如果仅用于解决基础承载力不足，桩不承受滑坡推力；如果边坡中存在穿过桩的滑面或潜在滑面，则桩承受滑坡推力。因此针对不同的受力情况，需要进一步合理的探讨桩基托梁挡墙的计算模式，在使用该类支护形式时需要进一步分析实际工况。本文结合某存在潜在危险的边坡工程，首先明确了该类支护结构的设计原理和设计依据，而后采用了既提高承载力又承受水平荷载的桩基托梁计算模型，对自然和地震等工况下的抗滑桩的内力计算进行了详细介绍。本问题的研究对同类工程提供了理论支持以及设计参考。
１ 工程概况
拟建工程边坡高度在１１．５４～１６．６４ｍ之间，
场地为非湿陷性黄土建筑场地。地基土属中硬土，
２０２０１９２６ 收稿日期：－－，男，硕士研究生，王伟光（研究方向为岩１９９６—） 第一作者简介：
土工程技术与应用。１６３．ｃｏｍ８３９２３７１６３７＠１
图１ 挖孔桩及挡土墙组合断面图（单位：ｍｍ）
２ 支护计算原理
１ 桩基内力２．
）（０１９年７月 １７，４０６ ２
国防交通工程与技术
·研究与设计· 桩基托梁挡土墙支护结构在边坡工程中的应用 王伟光等
在工程应用中，桩基的受力状况各异。承载桩主要用于解决基础承载力不足的工况，承受竖向荷载；抗滑桩用于边坡有滑面或者潜在滑面穿过桩或挡土墙使结构易于整体失稳时，其在提供承载力的同时还需要抵抗滑坡推力。本文根据桩的受力特性将桩基托梁挡土墙分为承载桩基托梁挡土墙和抗滑桩基托梁挡土墙，如图２所示。
图２ 桩基托梁挡土墙的计算模型
计算判断方法如下：
（１
）边坡中存在潜在滑面穿过桩身，则支挡结构应采用抗滑桩基托梁挡土墙，如图２（ａ
）所示。（２
）边坡中不存在穿过桩的潜在滑面，则需对衡重式挡土墙的整体稳定性系数Ｋｍｉｎ和设计安全系数
进行比较。当Ｋｍｉｎ＞Ｋ时，
支护结构稳定，桩主要承受上部结构传来的荷载，不存在滑坡推力的作用，故采用承载桩基托梁挡土墙的结构形式；Ｋｍｉｎ＜Ｋ时，衡重式挡土墙将发生整体失稳，桩存在滑坡推力的作用，故结构采用抗滑桩基托梁挡土墙的结构形式。
．２ 托梁内力
托梁可分连续梁和支端悬出简支梁，其具体设计理论根据桩基布置情况而定。在本工程中托梁为～３跨一断缝，故本设计中托梁采用支端悬出的简支梁理论进行设计，不考虑地基反力作用，抗滑桩与托梁连接处按固接处理，支端悬出的简支梁则为一
简单超静定结构［２］
。内力计算公式见表１，计算模
式如图３所示。图３（ｂ）中：Ｍ为由挡土墙传到每一
跨上的弯矩；Ｅｘ为水平推力；Ｎ为竖向压力。．３ 挡土墙土压力
设计方案中挡土墙采用衡重式挡土墙，第２破裂面的存在对上墙土压力的计算至关重要，需首先判断。当第２破裂面不存在时，上墙土压力采用库仑土压力理论计算；当第２破裂面存在时，考虑第２
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７表１ 托梁内力计算公式
计算项目
内力计算公式
计算项目内力计算公式
支座
ｑｌ２
弯矩Ｍ－
１２
最大剪力Ｑ１
ｑｌ１０
跨中ｑｌ０（ｌ０／２＋ｌ１）
Ｌ０范围内ｑｌ弯矩Ｍ－ｑｚ４２最大剪力Ｑ０
２
－ｑｌ１图３ 外荷载分布示意图
破裂面。衡重式挡土墙下墙土压力可按照力多边形法计算。由于钢筋混凝土托梁可为挡土墙提供充足
承载力，满足设计要求，可以不作验算，挡土墙主要进行抗滑稳定性和抗倾覆稳定性验算。
抗滑桩设计计算
桩的内力计算首先要确定桩所受荷载，荷载一部分为土体和挡土墙的自重，其通过托梁传递至桩顶，荷载形式为水平推力和弯矩及竖向荷载；另一部分荷载来自桩后滑体产生的滑坡推力。通过计算判断，本工程采用抗滑桩计算模型。以滑动面穿过桩身的位置作为锚固点，锚固点以上的桩身部分为桩基的非锚固段，可视为固定悬臂梁，按照悬臂梁的计算方法计算内力；锚固点以下的桩身部分为桩基锚固段，按照弹性地基梁理论进行设计计算，按“Ｋ”法或“ｍ”法计算其内力。桩基自由段承受滑坡推力的作用，其通过桩身将推力传递给桩基锚固段，最终由稳定地层承担桩身锚固段的荷载，其受力模型如图所示。
．１ 滑坡推力计算
滑坡推力按矩形分布处理，桩后滑坡推力计算需首先确定滑体范围。滑坡推力采用传递系数法进行计算，模型见图５。其具体计算公式如下：
Ｔｉ＝ＫＷｉｓｉｎα＋ΨＴｉ－１－Ｗｉｃｏｓαｉｔａｎφｉ－ｃｌｉｉΨ＝ｃｏｓ（αｉ－１－αｉ）－ｓｉｎ（αｉ－１－αｉ）ｔａｎφｉ式中：Ｔｉ为第ｉ个条块末端的滑坡推力（ｋＮ／ｍ）；为安全系数；Ｗｉ为第ｉ个条块滑体的重力（ｋＮ
／ｍ）；Ｔｉ－１为ｉ－１个条块末端的滑坡推力（ｋＮ／ｍ）；ｉ为第ｉ个条块所在滑动面的倾角（°）；αｉ－
１为第ｉ－１ ２
０１９年７月 １７，（０４）３４３Ｋ２２２Ｋα·研究与设计· 桩基托梁挡土墙支护结构在边坡工程中的应用 王伟光等
图４ 桩基计算模型示意图 图５ 滑坡推力计算简图
个条块所在滑动面的倾角（°）；φｉ为第ｉ个条块所在滑动面的内摩擦角（°）；ｃｉ为第ｉ个条块所在滑动面的单位粘聚力（ｋＮ）；ｌｉ为第
ｉ个条块所在滑动面的长度（ｍ）
。模型滑坡推力计算共分为３种工况，分别是天然状态、暴雨状态和暴雨＋地震组合状态。经理正岩土软件计算可得天然状态剩余下滑力为１４１．３９Ｎ／ｍ，暴雨状态剩余下滑力为３５２．７３ｋＮ／ｍ，
暴雨＋地震状态剩余下滑力为２２７．６６ｋＮ／ｍ。暴雨状态下为最不利组合，将其换算为矩形分布，则均布荷
载ｑｏ＝Ｆ／（ｈｏ
ｒγ），其中ｈｏ为自由端长度。对于无锚杆抗滑桩则ｑｏ＝３５２．７３ｋＮ／ｍ／４＝８８．１８ｋＮ／ｍ。．２ 桩顶外力确定
计算桩顶外力时，假定托梁底的摩擦力为零，挡土墙的水平荷载、竖直荷载及弯矩通过托梁全部传至桩顶。托梁传至桩顶的外力计算公式见表２。
表２ 托梁传至桩顶的外力计算公式
连续梁
支端悬出的简支架
弯矩Ｍ＋Ｅｘｈ（Ｍ＋Ｅｘ）
２水平推力ＥｘＥｘ／
２竖向压力
Ｎ
Ｎ／２
本工程按照支端悬出的简支梁计算，
使用理正岩土软件计算可得弯矩Ｍｔ＝６
７４３．５１ｋＮ·ｍ，水平推力Ｆｔ＝１ ７７４．０５ｋＮ，竖向压力Ｎｔ＝５ ２１４．４Ｎ。图６表示在荷载作用下桩体所受的弯矩、剪力以及在荷载作用下的位移。
．３ 桩体设计
抗滑桩计算分为滑坡推力一般组合、库仑土压力一般组合、滑坡推力＋地震组合和库仑土压力＋地震组合４种情况。通过计算，对比各种工况进行最不利组合，结构设计见图７。
锁扣结构如图８所示。
国防交通工程与技术 ８图６ 荷载作用下桩体所受的弯矩、剪力以及位移
图７ 抗滑桩结构设计图（单位：ｍｍ）
图８ 锁扣结构图（单位：ｍｍ）
锁扣护壁计算时，取单位宽度ｂ＝１ ０００ｍｍ，锁口截面厚度ｈ＝２００ｍｍ；支座弯矩最大值Ｍｍａｘ１＝４．０８３ｋＮ·ｍ，跨中弯矩最大值Ｍｍａｘ２＝
２７．９５８ｋＮ·ｍ，外侧弯矩设计值Ｍ＝６４．０８３ｋＮ·ｍ，内侧弯矩设计值Ｍ＝２７．９５８ｋＮ·ｍ。外侧钢筋计算面积Ａｓ１＝
２
０１９年７月 １７，（０４）ｋ３ｋ３６·研究与设计· 桩基托梁挡土墙支护结构在边坡工程中的应用 王伟光等
２２，。内侧钢筋计算面积Ａｓ１１０５ｍｍ５９ｍｍ ２＝４
显著，证明了该方案设计的合理性以及有效性。
参考文献
［］邱延峻．斜坡软弱地基填方工程数值仿蒋 鑫，魏永幸，１
４ 结束语
本文结合某堆积高边坡工程，对其进行了桩基托梁挡土墙的支护结构设计。工程已正式投入使用，设计结果用于相应工程中取得了较好治理效果，挡土墙沉降控制在合理范围之内，对边坡支护作用
：］（）真［交通运输工程学报，４Ｊ．２００２，２０３１７４－［］舒海明，喻邦江，王曙光．桩基托梁挡土墙加固弃土场的２
：］（）应用［公路交通技术，８１Ｊ．２０１３０２２－ｈｅＡｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅＳｕｏｒｔＳｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅＰｉｌｅｏｕｎｄａｔｉｏｎＴＦ －－ｐｐｐｐ
ｏｉｓｔＲｅｔａｉｎｉｎＷａｌｌｔｏＳｉｄｅｌｏｅＰｒｏｅｃｔｓＪＳ －ｇｐｊ
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（，，；１．ＴｈｅＡｉｒｆｉｅｌｄＣｏｎｓｔｒｕｃｔｉｏｎＥｎｉｎｅｅｒｉｎＤｅａｒｔｍｅｎｔｏｆｔｈｅＥｎｉｎｅｅｒｉｎＵｎｉｖｅｒｓｉｔｏｆｔｈｅＡｉｒＦｏｒｃｅｏｆｔｈｅＰＬＡｏｆＣｈｉｎａＸｉ＇ａｎ７１００３８Ｃｈｉｎａ ｇｇｐｇｇｙ
）２．Ｕｎｉｔ９５５３８，Ｃｈｅｎｄｕ６１１４３０，Ｃｈｉｎａ ｇ
：ｂｓｔｒａｃｔＴｈｅｓｕｏｒｔｓｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅｉｌｅｏｕｎｄａｔｉｏｎｉｓｔｒｅｔａｉｎｉｎｗａｌｌｉｓａｌｉｃａｂｌｅｔｏｓｉｄｅｌｏｅｒｏｅｃｔｓｉｎｃｏｍｌｅｘｔｏｏｏＡｆｓ －－－－ｐｐｐｇｐｐｐｐｊｐｐｇｊ ，ｒａｈｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓ．Ｉｔｃａｎｎｏｔｏｎｌｅｆｆｅｃｔｉｖｅｌｉｍｒｏｖｅｔｈｅｂｅａｒｉｎｃａａｃｉｔｏｆｔｈｅｆｏｕｎｄａｔｉｏｎｂｕｔａｌｓｏｒｅｓｉｓｔｔｈｅｈｏｒｉｚｏｎｔａｌｔｈｒｕｓｔ ｐｙｙｙｐｇｐｙ ，ｌｏｅｆｉｌｌｉｎｓｏｆｔｈｅｓｌｏｅｏｗｉｎｔｏｗｈｉｃｈｉｔｉｓｗｉｄｅｌａｎｄｗｅｌｌａｌｉｅｄｔｏｔｈｅｃｏｒｒｅｓｏｎｄｉｎｒｏｅｃｔｓ．Ｗｉｔｈｔｈｅｄｅｓｉｎｏｆａｓｉｄｅ － ｐｇｐｇｙｐｐｐｇｐｊｇ ，ｒｏｅｃｔｕｎｄｅｒｃｏｍｌｅｘｅｏｌｏｉｃａｌｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓａｓａｒａｃｔｉｃａｌｅｘａｍｌｅｃｌａｒｉｆｉｅｄｉｎｔｈｅｒｅｓｅｎｔａｅｒｉｓｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｒｉｎｃｉｌｅｆｏｒ ｐｊｐｇｇｐｐｐｐｐｐｐ，ｓｕｃｈｔｅｓｏｆｓｕｏｒｔｆｏｒｍｓｗｉｔｈｔｈｅｃａｌｃｕｌａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｉｎｔｅｒｎａｌｆｏｒｃｅｓｏｆｔｈｅａｎｔｉｌｉｄｅｉｌｅｉｎｎａｔｕｒａｌａｎｄｓｅｉｓｍｉｃｃｏｎｄｉｔｉｏｎｓｉｎｓ －－ｙｐｐｐｐ，ｒｏｄｕｃｅｄｉｎｄｅｔａｉｌｉｎｔｈｅａｅｒ．Ｔｈｅｒｏｅｃｔｉｓａｌｒｅａｄｕｔｉｎｔｏｕｓｅａｎｄｔｈｅａｌｉｃａｔｉｏｎｏｆｔｈｅｒｅｓｕｌｔｏｆｔｈｅｄｅｓｉｎｔｏｔｈｅｃｏｒｒｅｔ －ｐｐｐｊｙｐｐｐｇ ｎｄｉｎｒｏｅｃｔｓａｃｈｉｅｖｅｓｖｅｒｏｏｄｉｍｒｏｖｉｎａｎｄｒｅａｉｒｉｎｅｆｆｅｃｔｓ．ｓｏ ｇｐｊｙｇｐｇｐｇｐ
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（下接第５８页）
［］刘 高，马军海，等．中国桥梁技术的现状与展望张喜刚，２
［］］伊 凯．深水急流裸岩钢栈桥施工技术研究［铁道建４Ｊ．
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［］（）：建筑机械，Ｊ．２０１７０６３７４０１１－ｅｉｎｆｏｒｃｉｎＴｅｃｈｎｉｕｅｓｆｏｒＳｔｅｅｌＴｒｅｓｔｌｅｓＵｎｄｅｒｔｈｅＣｏｍｌｅｘＲ ｇｑｐ
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（，）ＴｈｅＦｉｆｔｈＥｎｉｎｅｅｒｉｎＣｏ．Ｌｔｄ．ｏｆｔｈｅ１８ｔｈＢｕｒｅａｕＧｒｏｕｏｆＣｈｉｎａＲａｉｌｗａＴｉａｎｉｎ３００４５１，Ｃｈｉｎａ ｇｇｐｙｊ
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国防交通工程与技术 ）（０１９年７月 １７，４０９ ２
