论文部分内容阅读
摘要：根据挡土墙传到托梁上的竖向压力和水平推力、托梁的刚度、地基土的性质，选择相应的计算模型计算托梁的内力，进行托梁的结构设计；根据托梁传至桩顶的水平推力和弯矩按一端固定的悬臂梁计算锚固点以上桩身内力和变形，按弹性地基梁计算锚固段的桩身内力和变形，进行桩的结构设计。
关键词：桩基托梁挡土墙内力变形结构设计
中图分类号：S611文献标识码： A
1工程概况
本工点位于xx铁路增建第二线DKxxx+xxx～DKxxx+xxx段左线绕行地段，路基从xxx水库北岸以填方形式通过，线路中心距水库边缘约30～60m，地形起伏较大，地面横坡较陡。为降低路堤边坡高度，增加路堤稳定性，线路左侧采用桩基托梁挡土墙收坡。所处场地地表为砂质黄土：黄褐色，坚硬，具湿陷性，湿陷系数δs=0.015～0.152，为Ⅱ级非自重湿陷场地；以下细圆砾土：黄褐色，稍密，潮湿；以下泥岩：棕黄色，全风化，原岩结构已基本被破坏，岩芯呈土柱状、散块状，手掰不易碎，含大量砂粒；以下片麻岩：强风化，灰黄色，中粗粒粒状变晶结构，片麻状构造，岩芯呈短柱状，局部为碎块状，锤击声闷易碎。
2桩基托梁挡土墙设计理论
2.1挡土墙的土压力计算
计算方法与一般的挡土墙一样，根據边界条件按库仑土压力计算。
2.2传递到托梁上每延米的水平推力、竖向力和弯矩
水平推力：，为挡土墙水平土压力。
竖向力：，为挡土墙竖向土压力，为挡墙自重。
托梁顶中点弯矩：，为挡土墙合力偏心距。
2.3托梁的内力计算方法
托梁的计算根据托梁下桩基的布置情况一般可分为按连续梁设计和按支端悬出的简支梁设计两种情况。
（1）按连续梁设计
图1中，为由挡墙传到每一跨（两桩中至中距离，长）的弯矩，每延米弯矩乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的水平推力，每延米水平推力乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的竖向压力，每延米竖向力乘以跨长。
图1桩基托梁挡土墙托梁以上外荷载分布图（一）
忽略基底土的支承作用，按一般的连续梁计算，如图2所示。
竖直面内水平面内
图2连续梁内力计算简图
桩基托梁连续梁内力计算公式
支座弯矩：
跨中弯矩：
最大剪力：
式中：——计算跨度，；
——两相邻桩之间的净距；
——托梁底面上的均布荷载；
——水平面以内的均布荷载，。
考虑基底的支承作用，桩与托梁的交点视为固定，每一净跨之间按弹性地基梁计算。水平面内的计算中，摩擦力近似的按均布考虑。按以上公式计算出支座处的最大弯矩和剪力后，按文克尔假定（弹性地基梁的地基反力与沉降成正比）计算弹性地基梁，如图3所示。
竖直面内水平面内
图3弹性地基梁内力计算简图
文克尔假定又称基床系数法，可归纳为两点：
1）梁的每一点挠度与地基的变形相等，且两者之间没有缝隙存在，即梁的挠度曲线与地基变形相一致，在出现负地基反力时，也不发生分离，这一点在实际上是可行的，因为结构重量对地基施加了一个初始预压力。
2）假定地基的变形只与该点受力大小成正比，地基相邻点之间不存在相互作用，而是起着一系列独立弹簧似的作用。因此，地基的变形只发生在基底范围内，而基底以外的变形则等于零，这就不需考虑边载对基础地基反力的影响。
均布荷载作用下，竖直面内梁中各点的挠度、转角、弯矩和剪力的一般解：
式中：——混凝土的弹性模量；
——梁的截面惯性矩；
——梁底的宽度；
——地基的基床系数；
——梁的弹性特征长度；
——梁的弹性特征；
——自梁上计算截面到梁顶左端的距离；
——梁上计算截面处的挠度，左侧端点处的挠度以表示；
——梁上计算截面的转角（弧度），转角与方向一致时取为正值；
——梁上计算截面的弯矩；
——梁上计算截面处的剪力；
——梁上的均布荷载；
——梁底地基反力，按基床系数法的假定，；
，，，——克雷洛夫函数。
均布荷载作用下，水平面内梁中各点的内力和变位计算如图3所示。
为水平推力载在水平面内沿梁长的分布，为托梁底的摩擦力在水平面内沿梁长的分布，其计算如下：
式中：为托梁底的摩擦系数。
如果，则托梁不会在水平面内弯曲；反之，托梁在水平面内的均布荷载为，可按连续梁计算水平面内各点的内力和变位。
（2）按支端悬出的简支梁计算
图4中，为由挡土墙传到每一跨（一个托梁的长度）上的弯矩，每延米弯矩乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的水平推力；为由挡土墙传到每一跨上的竖向压力。
竖直面内 水平面内
图4桩基托梁挡土墙托梁以上外荷载分布图（二）
忽略基底土的支承作用，按一般的支端悬出的简支梁计算，如图5所示。
竖直面内水平面内
图5支端悬出简支梁内力计算简图
桩基托梁支端悬出简支梁内力计算公式：
支座弯矩：
跨中弯矩：
悬出端最大剪力：
范围内最大剪力：
注：1）平面内的内力，当托梁底部的摩擦力小于托梁上的水平推力时，应进行水平面内的内力计算；当托梁底部的摩擦力大于托梁上的水平推力时，不计算水平面内的内力。
2）水平面内的计算公式形式与竖直面内力计算一样，但==。
2.4桩的内力计算方法
桩的计算不考虑托梁底的支承和摩擦，认为挡土墙的水平推力和竖直力及弯矩通过托梁全部传至桩顶。桩内力计算按桩顶部作用有弯矩和横向推力，锚固点以上两侧土压力忽略不计的悬臂桩计算。
桩顶以上的外力计算
弯矩：
剪力：
竖向压力：
桩身可按埋式桩、悬臂桩计算其长度和内力，锚固段按弹性地基梁计算。
桩基托梁的竖向力一般较小，单桩竖向的地基承载力一般能满足要求。
3桩基托梁挡土墙设计
桩基托梁挡土墙断面见图6，设计步骤：
（1）根据地形确定挡墙和托梁的高度分别为和；根据墙的底宽确定托梁的宽度为。结合地形和墙高确定托梁长度。
（2）初步拟定桩的截面尺寸，，。根据每延米的水平推力和弯矩及土层的物理力学性质确定桩的间距为。
（3）根据挡土墙传到托梁上的竖向压力和水平推力、托梁的刚度、地基土的性质，选择按支端悬出的简支梁的计算模型计算托梁的内力，按《混凝土结构设计规范》（GB50010）进行托梁的结构设计。
（4）根据每跨托梁传至桩顶的水平推力和弯矩计算锚固点以上的内力和变形，按弹性地基梁计算锚固段的桩身内力和变形。按《混凝土结构设计规范》（GB50010）进行桩的结构设计。
依据库仑土压力理论挡土墙墙背土压力水平分力，挡土墙竖向土压力，挡土墙自重，偏心距。
混凝土强度等级（，），混凝土强度系数；混凝土受压区等效应力矩形应力图系数，；界限相对受压区高度；
箍筋为钢筋，，受力纵筋为钢筋，。
3.1托梁斜截面受剪承载力计算
（1）竖向均布荷载
（2）剪力设计值
悬出端最大剪力：
范围内最大剪力：
故剪力设计值
为荷载分项系数。
（3）验算截面尺寸
托梁截面有效高度，托梁属于厚腹梁。
托梁截面符合要求。
（4）验算是否需要配置箍筋
混凝土抗剪强度
只需按照构造配置箍筋即可，选用16@ 200。
3.2托梁正截面受弯承载力计算
（1）判断托梁在水平面内是否进行内力计算
摩擦力：
所以，不进行水平面内的内力计算，只进行竖直方向的内力计算。
（2）弯矩设计值
支座弯矩：
图6桩基托梁挡土墙断面图（单位：m）
跨中弯矩：
故弯矩设计值
（3）计算纵向受拉钢筋截面面积
计算系数：相对受压区高度：，符合要求。
故需要纵向受拉钢筋截面面积
所以，选用钢筋，
（4）验算适用条件
1），满足要求。
2）配筋率
同时，故托梁应按照不小于0.2%进行配筋。
所以，托梁最后选用配筋，。
3.3桩截面受剪、受弯承载力计算
（1）换算桩悬臂段长度
假设桩悬臂段荷载矩形分布，分布荷载，根据弯矩、剪力平衡条件
故得出：，
（2）桩顶初始弯矩、剪力
弯矩： 剪力：
（3）桩截面尺寸验算及受剪、受弯承载力计算
桩的截面尺寸，，；经检算，悬臂段处位移，桩顶位移且小于桩悬臂长度的
故截面尺寸符合要求
纵向受力筋：计算，所以，选用钢筋，
配筋率：
。
箍筋：验算是否按計算配置箍筋：
故箍筋按照构造要求配置，选用双肢
配箍率：
最小配箍率：（可以）。
4结语
桩基托梁挡土墙是一种新型的支挡结构，是一种挡土墙与桩的组合形式，由托梁或承台相连接，桩基托梁主要用于解决地基承载力较低的问题。20世纪60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，使用效果明显，技术可靠，节省投资。20世纪90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。桩基托梁挡土墙主要应用于填方区较厚、覆盖土层稳定性较差、基岩埋藏又较深的情况，也适用于紧临既有线、陡坡岩堆、河岸支挡、陡坡拦石墙等地段。同时，在河岸严重冲刷、高路堤陡坡地段，采用桩基托梁挡土墙，也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，当地表覆盖为松散体、堆积体，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，节省巧工，减少对坡体干扰，同时节约了大量的资金。
参考文献
[1]GB50010—2002.混凝土结构设计规范[S]
[2]TB10025—2006.铁路路基支挡结构设计规范[S]
[3]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社.2011
关键词：桩基托梁挡土墙内力变形结构设计
中图分类号：S611文献标识码： A
1工程概况
本工点位于xx铁路增建第二线DKxxx+xxx～DKxxx+xxx段左线绕行地段，路基从xxx水库北岸以填方形式通过，线路中心距水库边缘约30～60m，地形起伏较大，地面横坡较陡。为降低路堤边坡高度，增加路堤稳定性，线路左侧采用桩基托梁挡土墙收坡。所处场地地表为砂质黄土：黄褐色，坚硬，具湿陷性，湿陷系数δs=0.015～0.152，为Ⅱ级非自重湿陷场地；以下细圆砾土：黄褐色，稍密，潮湿；以下泥岩：棕黄色，全风化，原岩结构已基本被破坏，岩芯呈土柱状、散块状，手掰不易碎，含大量砂粒；以下片麻岩：强风化，灰黄色，中粗粒粒状变晶结构，片麻状构造，岩芯呈短柱状，局部为碎块状，锤击声闷易碎。
2桩基托梁挡土墙设计理论
2.1挡土墙的土压力计算
计算方法与一般的挡土墙一样，根據边界条件按库仑土压力计算。
2.2传递到托梁上每延米的水平推力、竖向力和弯矩
水平推力：，为挡土墙水平土压力。
竖向力：，为挡土墙竖向土压力，为挡墙自重。
托梁顶中点弯矩：，为挡土墙合力偏心距。
2.3托梁的内力计算方法
托梁的计算根据托梁下桩基的布置情况一般可分为按连续梁设计和按支端悬出的简支梁设计两种情况。
（1）按连续梁设计
图1中，为由挡墙传到每一跨（两桩中至中距离，长）的弯矩，每延米弯矩乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的水平推力，每延米水平推力乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的竖向压力，每延米竖向力乘以跨长。
图1桩基托梁挡土墙托梁以上外荷载分布图（一）
忽略基底土的支承作用，按一般的连续梁计算，如图2所示。
竖直面内水平面内
图2连续梁内力计算简图
桩基托梁连续梁内力计算公式
支座弯矩：
跨中弯矩：
最大剪力：
式中：——计算跨度，；
——两相邻桩之间的净距；
——托梁底面上的均布荷载；
——水平面以内的均布荷载，。
考虑基底的支承作用，桩与托梁的交点视为固定，每一净跨之间按弹性地基梁计算。水平面内的计算中，摩擦力近似的按均布考虑。按以上公式计算出支座处的最大弯矩和剪力后，按文克尔假定（弹性地基梁的地基反力与沉降成正比）计算弹性地基梁，如图3所示。
竖直面内水平面内
图3弹性地基梁内力计算简图
文克尔假定又称基床系数法，可归纳为两点：
1）梁的每一点挠度与地基的变形相等，且两者之间没有缝隙存在，即梁的挠度曲线与地基变形相一致，在出现负地基反力时，也不发生分离，这一点在实际上是可行的，因为结构重量对地基施加了一个初始预压力。
2）假定地基的变形只与该点受力大小成正比，地基相邻点之间不存在相互作用，而是起着一系列独立弹簧似的作用。因此，地基的变形只发生在基底范围内，而基底以外的变形则等于零，这就不需考虑边载对基础地基反力的影响。
均布荷载作用下，竖直面内梁中各点的挠度、转角、弯矩和剪力的一般解：
式中：——混凝土的弹性模量；
——梁的截面惯性矩；
——梁底的宽度；
——地基的基床系数；
——梁的弹性特征长度；
——梁的弹性特征；
——自梁上计算截面到梁顶左端的距离；
——梁上计算截面处的挠度，左侧端点处的挠度以表示；
——梁上计算截面的转角（弧度），转角与方向一致时取为正值；
——梁上计算截面的弯矩；
——梁上计算截面处的剪力；
——梁上的均布荷载；
——梁底地基反力，按基床系数法的假定，；
，，，——克雷洛夫函数。
均布荷载作用下，水平面内梁中各点的内力和变位计算如图3所示。
为水平推力载在水平面内沿梁长的分布，为托梁底的摩擦力在水平面内沿梁长的分布，其计算如下：
式中：为托梁底的摩擦系数。
如果，则托梁不会在水平面内弯曲；反之，托梁在水平面内的均布荷载为，可按连续梁计算水平面内各点的内力和变位。
（2）按支端悬出的简支梁计算
图4中，为由挡土墙传到每一跨（一个托梁的长度）上的弯矩，每延米弯矩乘以跨长；为由挡土墙传到每一跨上的水平推力；为由挡土墙传到每一跨上的竖向压力。
竖直面内 水平面内
图4桩基托梁挡土墙托梁以上外荷载分布图（二）
忽略基底土的支承作用，按一般的支端悬出的简支梁计算，如图5所示。
竖直面内水平面内
图5支端悬出简支梁内力计算简图
桩基托梁支端悬出简支梁内力计算公式：
支座弯矩：
跨中弯矩：
悬出端最大剪力：
范围内最大剪力：
注：1）平面内的内力，当托梁底部的摩擦力小于托梁上的水平推力时，应进行水平面内的内力计算；当托梁底部的摩擦力大于托梁上的水平推力时，不计算水平面内的内力。
2）水平面内的计算公式形式与竖直面内力计算一样，但==。
2.4桩的内力计算方法
桩的计算不考虑托梁底的支承和摩擦，认为挡土墙的水平推力和竖直力及弯矩通过托梁全部传至桩顶。桩内力计算按桩顶部作用有弯矩和横向推力，锚固点以上两侧土压力忽略不计的悬臂桩计算。
桩顶以上的外力计算
弯矩：
剪力：
竖向压力：
桩身可按埋式桩、悬臂桩计算其长度和内力，锚固段按弹性地基梁计算。
桩基托梁的竖向力一般较小，单桩竖向的地基承载力一般能满足要求。
3桩基托梁挡土墙设计
桩基托梁挡土墙断面见图6，设计步骤：
（1）根据地形确定挡墙和托梁的高度分别为和；根据墙的底宽确定托梁的宽度为。结合地形和墙高确定托梁长度。
（2）初步拟定桩的截面尺寸，，。根据每延米的水平推力和弯矩及土层的物理力学性质确定桩的间距为。
（3）根据挡土墙传到托梁上的竖向压力和水平推力、托梁的刚度、地基土的性质，选择按支端悬出的简支梁的计算模型计算托梁的内力，按《混凝土结构设计规范》（GB50010）进行托梁的结构设计。
（4）根据每跨托梁传至桩顶的水平推力和弯矩计算锚固点以上的内力和变形，按弹性地基梁计算锚固段的桩身内力和变形。按《混凝土结构设计规范》（GB50010）进行桩的结构设计。
依据库仑土压力理论挡土墙墙背土压力水平分力，挡土墙竖向土压力，挡土墙自重，偏心距。
混凝土强度等级（，），混凝土强度系数；混凝土受压区等效应力矩形应力图系数，；界限相对受压区高度；
箍筋为钢筋，，受力纵筋为钢筋，。
3.1托梁斜截面受剪承载力计算
（1）竖向均布荷载
（2）剪力设计值
悬出端最大剪力：
范围内最大剪力：
故剪力设计值
为荷载分项系数。
（3）验算截面尺寸
托梁截面有效高度，托梁属于厚腹梁。
托梁截面符合要求。
（4）验算是否需要配置箍筋
混凝土抗剪强度
只需按照构造配置箍筋即可，选用16@ 200。
3.2托梁正截面受弯承载力计算
（1）判断托梁在水平面内是否进行内力计算
摩擦力：
所以，不进行水平面内的内力计算，只进行竖直方向的内力计算。
（2）弯矩设计值
支座弯矩：
图6桩基托梁挡土墙断面图（单位：m）
跨中弯矩：
故弯矩设计值
（3）计算纵向受拉钢筋截面面积
计算系数：相对受压区高度：，符合要求。
故需要纵向受拉钢筋截面面积
所以，选用钢筋，
（4）验算适用条件
1），满足要求。
2）配筋率
同时，故托梁应按照不小于0.2%进行配筋。
所以，托梁最后选用配筋，。
3.3桩截面受剪、受弯承载力计算
（1）换算桩悬臂段长度
假设桩悬臂段荷载矩形分布，分布荷载，根据弯矩、剪力平衡条件
故得出：，
（2）桩顶初始弯矩、剪力
弯矩： 剪力：
（3）桩截面尺寸验算及受剪、受弯承载力计算
桩的截面尺寸，，；经检算，悬臂段处位移，桩顶位移且小于桩悬臂长度的
故截面尺寸符合要求
纵向受力筋：计算，所以，选用钢筋，
配筋率：
。
箍筋：验算是否按計算配置箍筋：
故箍筋按照构造要求配置，选用双肢
配箍率：
最小配箍率：（可以）。
4结语
桩基托梁挡土墙是一种新型的支挡结构，是一种挡土墙与桩的组合形式，由托梁或承台相连接，桩基托梁主要用于解决地基承载力较低的问题。20世纪60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，使用效果明显，技术可靠，节省投资。20世纪90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。桩基托梁挡土墙主要应用于填方区较厚、覆盖土层稳定性较差、基岩埋藏又较深的情况，也适用于紧临既有线、陡坡岩堆、河岸支挡、陡坡拦石墙等地段。同时，在河岸严重冲刷、高路堤陡坡地段，采用桩基托梁挡土墙，也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，当地表覆盖为松散体、堆积体，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，节省巧工，减少对坡体干扰，同时节约了大量的资金。
参考文献
[1]GB50010—2002.混凝土结构设计规范[S]
[2]TB10025—2006.铁路路基支挡结构设计规范[S]
[3]李海光.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社.2011