重力式路肩挡土墙设计及基础处理

　　摘要：挡土墙是支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的墙式构造物。本文介绍了某工程一段浆砌片石重力式路肩墙的设计过程，同时介绍了该挡墙底地基采用CFG桩进行加固处理的方案。
　　关键词：重力式挡土墙，土压力，CFG桩，地基处理，复合地基承载力
　　
　　实践证明，挡土墙的破坏，大多是由于基础处理不当而引起的。因此，设计时应对基底条件作充分的调查（包括钻孔、挖探），再确定基础类型和埋置深度。
　　1工程场地概况
　　本段道路为一条互通式立交匝道，路基宽度为8.5m。该路基左侧边坡紧邻一条现状排水河道，路肩至河道底面高差约5.8m。为避免路基边坡侵入河道，压缩河床断面，设计考虑在该侧设置路肩挡土墙。该墙同时作河道护岸之用。
　　根据钻探揭露地层，该挡墙基础将置于素填土、淤泥质土等地层中，而素填土及淤泥质土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、透水性差、力学性质差等特征，不可直接作为基础持力层，应进行软弱下卧层验算后进行有针对性的地基处理。
　　2挡土墙结构设计
　　2.1挡土墙类型
　　墙身的断面形式应根据墙的用途，墙高和墙趾处地形、地质、水文等条件，在满足稳定性和强度要求的前提下，按结构合理、断面经济和施工便利的原则比较确定。
　　根据场地现状，路肩墙埋置深度按不小于1m考虑，总墙高约7m。根据工程经验，可采用重力式挡土墙，设计采用浆砌片石作为本挡墙的砌体材料。
　　2.2挡土墙设计
　　（1）墙身尺寸方案
　　根据沿线地形，设计选取最大墙高处断面进行验算，该处墙顶至墙趾高为7m。设计初拟了仰斜、垂直和俯斜三种断面形式进行验算。墙身尺寸如下：
　　
　　a)仰斜式b)垂直c)俯斜式
　　图1挡土墙断面方案
　　（2）土压力计算
　　计算物理参数取值如下:圬工砌体容重:23.0kN/m3，圬工之间摩擦系数:0.4，地基土摩擦系数:0.5，砂浆标号:M7.5，石料强度:30MPa，墙后填土内摩擦角:35o，墙后填土粘聚力:不计，墙后填土容重:19.0kN/m3，墙背与墙后填土摩擦角:17.5o，地基土容重:18.0kN/m3，修正后地基土容许承载力:[б]=150kPa，地基土容许承载力提高系数:墙趾值提高系数:1.2，墙踵值提高系数:1.3，平均值提高系数:1.0，墙底摩擦系数:0.5(墙底换填碎石)，地基土内摩擦角:30.0o，土压力计算方法:库仑，挡墙节段长度:10m。
　　计算活载按2004路基规范挡土墙车辆荷载，在车行道7m宽范围内满布考虑。结构重要性系数1.1，对挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、墙顶与第二破裂面间有效荷载、填土侧压力、车辆荷载引起的土侧压力等进行荷载组合。
　　经计算等代均布土层厚度为0.724m。因基础埋置较浅，不计墙前被动土压力。库仑主动土压力计算结果如下表：

　　
　　表1主动土压力计算成果表

　　
　　由上述计算结果可知，俯斜式挡墙墙背主动土压力、墙身重量均为三种墙型中最大者，仰斜式最小，垂直墙介于二者之间。
　　（3）滑动稳定性验算
　　重力式挡土墙沿基底的滑动稳定系数Kc，按式（1）求算：
　　Kc=（W+Ey）f/Ex（1）
　　式中：W为挡土墙重力，Ex、Ey为主动土压力的水平和垂直分力，f为基底摩擦系数。计算结果见下表：
　　表2滑动稳定计算成果表

　　由上述计算结果可知，三种墙型均满足滑动稳定性要求，其中俯斜式挡墙滑动稳定性最好，最安全，仰斜式次之，垂直墙滑动稳定性系数最小。
　　（4）倾覆稳定性验算
　　挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数K。，按式（2）求算：
　　K。=（WZw+EyZy）/ExZx（2）
　　式中：Zx为Ex对墙趾点的力臂；Zy为Ey对墙趾点的力臂；Zw为W对墙趾点的力臂。计算结果见下表：
　　表3倾覆稳定计算成果表
　　
　　由上述计算结果可知，三种墙型均满足倾覆稳定性要求，其中俯斜式挡墙滑动稳定性最好，最安全，垂直墙次之，仰斜式倾覆稳定性系数最小。
　　（5）基底应力及偏心验算
　　作用于基底的合力偏心距e为：
　　e=B/2-Zn=B/2-（WZw+EyZy-ExZx）/（W+Ey）（3）
　　当e≤B/6时，墙趾或墙踵处的压应力按式（4）计算：
　　б1,2=(W+Ey)(1±6e/B)/B≤[б]（4）
　　当e＞B/6时，基底出现拉应力，一般均不考虑地基能承受此拉力，则基底应力重分布，此时按式（5）确定最大压应力。
　　б1=2(W+Ey)/3Zn≤[б]（5）
　　基底合力偏心距e及基底应力计算结果见下表：
　　表4基底应力及偏心计算成果表
　
　　由上述计算结果可知，三种墙型中垂直墙基底平均压应力最小，俯斜式次之，仰斜式最大。
　　2.3墙型选择
　　上述计算与比较表明，俯斜式挡墙抗滑稳定性和抗倾覆稳定性均最优，但其断面尺寸过大，势必造成工程造价偏高；仰斜式挡墙具有圬工体积小的优点，但其倾覆稳定性相对较差，且基底平均压应力较大，对地基承载力要求稍高；相对前两种墙型，垂直墙工程量介于二者之间，稳定性安全系数也较为适宜，且基底平均应力最小，对地基处理有利。通过对垂直墙墙底及台顶截面强度的验算，均满足要求。
　　因此，设计选择安全稳定性较好，且工程量适中的垂直墙背的挡墙作为实施墙型。
　　3挡墙底地基处理
　　3.1挡土墙的基础类型
　　挡土墙的基础类型主要有明挖基础和桩基础两类：明挖基础宜设置在地质情况较好的地基上，当地基为松软土层时，可采用换填、砂桩、搅拌桩等方法处理。
　　由于本工程场区表层素填土及淤泥质土承载力较低，且分布厚度较大，根据当地施工经验及场地施工条件，设计选择CFG桩（水泥粉煤灰碎石桩）长螺旋成孔法施工对挡墙底地基进行加固处理。
　　路基处理措施具体如下：CFG桩按正方形布置，桩间距1.5m，桩径50cm，桩长考虑打穿软弱层，进入粉细砂层至少50cm，取4.0m；桩顶铺筑30cm厚碎石垫层。
　　3.2地基处理计算
　　经计算，CFG桩单桩承载力[Ra]=196.3kPa。
　　根据本段挡土墙的结构计算结果，挡墙底最大压应力为179.028kPa，最小压应力为64.693kPa，平均压应力为121.861kPa。修正后复合地基容许承载力[б]应不低于150kPa。
　　计算总沉降量：s=0.4x220.25=88.10(mm)
　　3.3地基处理结论
　　根据上述计算成果，设计采用的CFG桩进行地基加固处理的措施是合理的。同时设计要求CFG桩施工前应进行配合比试验，保证成桩后桩身强度等级达到C15混凝土的强度。CFG桩单桩承载力特征值不小于200KN，加固后的复合地基承载力不小于150kPa。
　　4结语
　　重力式挡土墙在公路工程建设中应用普遍，对加强边坡稳定和减少占地都具有重要意义。而搞好挡土墙，尤其是高挡墙的设计是保证路基稳定和道路安全的首要环节。挡土墙设计的核心内容则是做好挡土墙结构安全性验算以及根据场地条件选择适宜的地基加固处理方案。
　　
　　参考文献
　　[1]黄生文.公路工程地基处理手册.北京:人民交通出版社,2005.6
　　[2]中交第二公路勘察设计研究院有限公司.公路挡土墙设计与施工技术细则.北京:人民交通出版社，2008
　　[3]中华人民共和国行业标准.建筑地基处理技术规范（JGJ79-2002）.北京:中国建筑工业出版社，2002
　　[4]交通部第二公路勘察设计院.公路设计手册/路基（第二版）.北京:人民交通出版社，1996        发表论文