桩基托梁挡土墙结构托梁内力的合理计算
浅议桩基托梁挡土墙结构的设计与应用
浅议桩基托梁挡土墙结构的设计与应用作者：黄古诚余鹏何莉赵鹏来源：《科技资讯》2015年第14期摘要：该文从桩基托梁挡土墙结构的特性出发，探讨了该结构的设计理论，并对托梁、桩基的设计计算方法进行了分析，并提出了具体的设计思路及方法建议。
关键词：桩基挡土墙设计应用中图分类号：TU75 文献标识码：A 文章编号：1672-3791（2015）05（b）-0086-03支挡结构是支撑填土体、山坡土体防止土体失稳变形的一种常用的结构措施。
经过多年的工程实践和理论研究，一些新型的结构类型如桩板墙、悬（扶）壁式挡墙、加筋土挡墙等都得到了大量的应用。
但是，重力式支挡结构由于其施工工艺简单、取材方便、标准化设计程度高等优势，在公路、铁路、工民建工程建设中仍是应用范围最为广泛的支挡结构形式。
尤其是重力式挡墙改进形式的衡重式挡墙，其特殊的结构形式使得其能采用较陡的面墙坡率，特别适用于地形陡峭的山区。
在实际应用中，重力式挡墙、衡重式挡墙对地基的要求较高，在地基持力层埋置深度较大的地区，提出了在挡墙下部设置桩基托梁结构体系解决挡墙的承载力不足的问题。
该文将从桩基托梁挡土墙结构体系的荷载受力分析出发，结合实际工程应用情况，对该结构的设计和应用提出个人的观点和建议。
1 桩基托梁挡土墙的一般结构形式桩基托梁挡土墙结构体系由挡土墙、托梁和桩基构成。
挡土墙所承担的土压力及其他荷载、自重等通过托梁传递至桩基，如图1。
桩基托梁挡土墙体系中一般情况下采用衡重式作为上部挡墙结构，其受力情况与一般路段的所应用的衡重式挡土墙没有区别，都是利用自身的重力来维持稳定，并通过衡重台的设置增强挡墙的抗倾覆、减小基底偏心的能力。
托梁作为连接挡墙和桩基的结构，其作用于一般的桩基承台类似，但由于其上连接的是以承担横向的土压力为主的挡墙，所以挡墙托梁较一般的桥梁、房屋桩基承台相比所承担的横向弯矩、剪力大，且一般为条形布置。
桩基为体系的主要基础结构，在一般情况下，其作用与其他结构物的桩基无二。
考虑桩-梁协调作用的桩基托梁计算理论分析
１ 概 述
桩基 托梁 结构作 为重 力式挡 土墙 和桩 基础 的组 合
地 段 ， 到 收坡 的作 用 ， 而 有效减 小路 堤填方 边坡 高 起 从
度， 节省 投 资 。铁 路部 门在 ２ ０世 纪 ６ ０年 代 就 开始 采
用桩 基托 梁挡 土墙 ， 期 的 宝成 二 线 、 成 铁 路 ， 后 达 以及 目前 正在 修建 的长 昆 、 云桂 、 广等 高速铁 路上 均广 泛 贵
中图 分 类 号 ： ２３ １ Ｕ １． 文献标识码 ： Ａ
Ｔ ｅ ｒ ｔ ａ ａ ｙ ｉ ｏ ｌｕ ａ ｉｎ ｏ ｉ ｏ ｎ ａ ｉ ｎ Ｊ ｉｔｏ ｎ ｉ ｅ ａ ｉｎ ｈ ｏ ｅｉ ｌＡｎ ｌｓｓ ｆＣａ ｃ ｌ ｔ ｆＰ ｌ Ｆ ｕ ｄ ｔ ｏｓ ｎ Ｃｏ ｓ ｒ ｔ ｃ ｏ ｅ ｏ ｄ ｏ
桩基 托 梁结 构作 为 挡 土墙 和 桩 基 础 的组 合 形 式 ， 受 力情 况复 杂 ， 目前 的设 计 中 ， 墙 与 托梁 非 固结 ， 挡 故
将 挡墙 与下 部托 梁 、 固桩 分开计 算 ， 文 主要讨 论下 锚 本
为对 称结 构 ， 计 荷 载 一 般 为正 对 称 力 ， 一 般 桩 设 故 基 托梁 的 内力 和位 移 是 正对 称 的。 因此 内力计 算 ， 分
（） ３ 计算 图 ２所 示 的 超 静 定 结 构 内力 ， 以采 用 可
（ ） 照 简 支 梁 计 算 ｂ 按
位移 法 、 值分析 方法 等 ； 数 （） ４ 计算 桩所 承受 的弯矩 ； （） ５ 将 代入 抗 滑 桩计 算程 序 中计 算桩 身弯 矩 ，
即可得到 在此 弯矩作 用下 的桩 身反弯 点位 置 Ｈ ； （） ６ 比较 日和 ， 如果 两者差别 大 于 １ｍ， 则用 日 。 代替 重复 步骤 （ ）～（ ） ２ ６。
吕临支线碛口站桩基托梁挡土墙设计
吕临支线碛口站桩基托梁挡土墙设计摘要：桩基托梁是挡土墙与桩的组合形式，通过桩基，解决承载力不足的矛盾，扩大了重力式挡墙的适用范围。
选择相应的计算模型，对托梁、锚固桩进行受力计算，从而对桩基托梁挡土墙进行结构设计。
关键词：桩基托梁挡土墙结构设计内力荷载Abstract: pile Joist combination in the form of retaining walls and piles, pile, to solve the problem of insufficient bearing capacity to expand Gravity Retaining the scope. Select the appropriate calculation model, joists, Anchor Pile force calculation, structural design pile Joist retaining walls.Keywords: pile Joist retaining wall structure design of the internal force load1．引言桩基托梁挡土墙是一种利用托梁连接桩基于挡土墙形成的新型支挡结构，主要工作原理是将挡土墙传来的荷载通过托梁传递给桩基，再由桩通过桩周围土的摩阻力及桩端反力把荷载传递到土层中去，托梁将桩连成一个整体共同承担荷载。
主要用于河岸冲刷严重、稳定性较差的陡坡覆盖土、陡坡岩堆、基岩埋藏较深、紧邻既有建筑物地段。
2．工程概况工程所经路段表层为新黄土，浅黄色，坚硬，湿陷系数δs＝0.016～0.022，为I级非自重湿陷场地。
其下为砂泥岩互层，全风化～弱风化，层状构造，节理裂隙发育，全风化岩体呈碎屑状，强风化、弱风化岩体较完整。
为避免占压既有房屋，需采取措施收坡，而普通重力式挡墙，地基承载力无法满足要求，故考虑于坡脚处设桩基托梁挡土墙。
桩基托梁挡土墙结构托梁内力的合理计算
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桩基托梁挡墙完整计算书
纳黔高速公路K58+412.3-K58+465左侧桩基托梁路肩墙结构计算书1、衡重式挡土墙土压力计算本次考虑采用本项目提供的《衡重式一般挡墙标准图》中容许承载力500kpa，f=0.4，φ=35，γ=21的13m高挡墙对应尺寸（墙身自身倾覆稳定性不再计算），同时为了便于结构的设计取消原标准图中的基底坡度。
土压力计算式行车荷载按照2004年《公路路基设计规范》规定采用10KN/m2，其他荷载分项系数均按照规范要求取用。
土压力计算采用“理正挡土墙设计程序”完成，其结果如下：=============================================组合系数: 1.0001. 挡土墙结构重力分项系数 = 0.900 √2. 填土重力分项系数 = 1.000 √3. 填土侧压力分项系数 = 1.400 √4. 车辆荷载引起的土侧压力分项系数 = 1.400 √=============================================[土压力计算] 计算高度为 13.000(m)处的库仑主动土压力计算上墙土压力无荷载时的破裂角 = 27.500(度)按假想墙背计算得到:第1破裂角： 28.050(度)Ea=248.401(kN) Ex=88.634(kN) Ey=232.049(kN) 作用点高度 Zy=1.867(m) 因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面存在：第2破裂角=27.501(度) 第1破裂角=27.510(度)Ea1=197.151(kN) Ex1=91.031(kN) Ey1=174.876(kN) 作用点高度 Zy1=1.867(m) 计算下墙土压力无荷载时的破裂角 = 34.449(度)按力多边形法计算得到:破裂角： 34.780(度)Ea2=246.668(kN) Ex2=246.218(kN) Ey2=14.903(kN) 作用点高度 Zy2=3.371(m)墙身截面积 = 41.143(m2) 重量 = 946.289 kN第二破裂面与墙背间填料重= 145.336(kN)由此分析，采用第二破裂面法计算出挡墙所受的水平土压力合力为Eax=91.031+246.67=337.25(kN/m)。
桥梁下桩基托梁挡土墙的设计与稳定计算
２ ． 场 地 工 程 地质 条 件
工程 区位于重庆向斜东南翼 ． 构造活动不强烈 根据勘探钻孔揭 示场地覆盖层 （ 人 工填土 、 粉质粘土 ） 厚 １ Ｏ ． ３ ～ ２ ７ ． ９ ｍ． 厚度大 ， 不 均匀 ， 计算。 ５ ． 挡土墙的稳定计算 不宜直接作 为地基持力层 ； 基岩埋藏深 度大 ， 强风化带厚 ０ ． ５ ～ ４ ． Ｏ ｍ． 厚 现重点针对挡土墙进行下列稳定计算 度较小 ． 岩质软 ， 不宜作为地基持 力层 ； 中风化带基岩整体稳定 ． 力学 ５ ． １ 衡重式挡土墙土压力计算 性质好 ． 是场地 良好的持力层 上墙土压力 的计算公式 （ 第二破 裂面数篇法 ） ： ３ ． 工 程 难 点 及 方案 选 型
１ ． 工 程 概 况 本 工程位于重庆市箭滩河河 Ｖ Ｉ 处， 为一损毁堤防修复工程 该堤 防上方为鱼洞滨江大桥 ， ２ ０ ０ ６ 年 同时开始建设 ，同年建成投入使用 。 ２ ０ １ ２ 年 ７月洪水期间 ． ３ ＃ 桥 台前靠长江侧重力式挡土墙发生垮 塌 ． 其 范围长 ２ ２ ｍ。
作用。本文结合 重庆市某损毁堤 防修复工程 ， 着重探讨 了桩基托梁挡土墙 的设计思路、 作用机理 ， 并重点对衡 重式挡土墙进行 了稳定计算。
【 关键词 ｌ 桩基托梁挡土墙 ； 工程特点 ； 作用机理 ； 稳定计算
０ ． 前 言
在地 质灾害治理 中． 衡重式挡 土墙以结构简单 、 施工方便等优 点 在工程 中应用广泛。但衡重式挡土墙对地基的要 求较 高 ． 为了解决地 基承载力不足这一难题 ． 这时通 常利用桩基托梁结构将作 用力传 递给 深层地基 ， 来满足对地基承载 力的要求 因此桩基 、 托梁和挡土墙 常常 作为一种支挡结构体系出现在工程实际 中Ⅲ 。 本文结合工程实例 ， 针对 其设计理论作出探讨 ． 分析其 受力特 点 ． 为以后的设计计算 提供 参考 资料。
挡土墙计算公式
挡土墙计算公式挡土墙是一种用于支撑填土或山坡土体，防止其变形失稳的结构物。
在工程设计中，准确计算挡土墙的各项参数至关重要，这需要依靠一系列的计算公式。
下面我们就来详细介绍一下常见的挡土墙计算公式。
一、土压力计算土压力是作用在挡土墙上的主要荷载之一，常见的土压力计算方法有朗肯土压力理论和库仑土压力理论。
1、朗肯土压力理论朗肯主动土压力强度计算公式为：＄e_a ＝＼gamma z tan^2(45°＼frac{＼varphi}｛2}） 2c tan(45°＼frac{＼varphi}｛2}）＄朗肯被动土压力强度计算公式为：＄e_p ＝＼gamma z tan^2(45°＋＼frac{＼varphi}｛2}）＋ 2ctan(45°＋＼frac{＼varphi}｛2}）＄其中，＄＼gamma$为填土的重度，＄z$为计算点深度，＄＼varphi$为填土的内摩擦角，＄c$为填土的粘聚力。
2、库仑土压力理论库仑主动土压力系数：＄K_a ＝＼frac{cos^2(＼varphi ＼alpha)｝｛cos^2\alpha cos(＼alpha ＋＼delta)1 ＋＼sqrt{＼frac{sin(＼varphi ＋＼delta) sin(＼varphi ＼beta)｝｛cos(＼alpha ＋＼delta) cos(＼alpha ＼beta)｝｝＾2}＄库仑被动土压力系数：＄K_p ＝＼frac{cos^2(＼varphi ＋＼alpha)｝｛cos^2\alpha cos(＼alpha ＼delta)1 ＼sqrt{＼frac{sin(＼varphi ＋＼delta) sin(＼varphi ＋＼beta)｝｛cos(＼alpha ＼delta) cos(＼alpha ＋＼beta)｝｝＾2}＄主动土压力：＄E_a ＝＼frac{1}｛2}＼gamma H^2 K_a$被动土压力：＄E_p ＝＼frac{1}｛2}＼gamma H^2 K_p$其中，＄＼alpha$为墙背与水平面的夹角，＄＼beta$为填土面与水平面的夹角，＄＼delta$为墙背与填土之间的摩擦角，＄H$为挡土墙的高度。
桩基托梁挡土墙的运用研究
Ｅ — — 下 墙竖 向土压 力 ；
ｗ ——挡墙 自重 ； ｗ ——衡重台以上第一破裂面和墙背之间土 体 的自重 ； ｅ ——挡土墙合力偏 心矩 ；
桩 基 托 梁 挡 土 墙 的受 力 结 构 就 托 梁 挡土 墙在 不 同地质 地 形 条 件 下 的运用效果
２ ． １ 在 地 质 不 良地 区的 运 用
的土压力传 给托梁 ，再 由托梁所受 的力传 给抗滑 桩 。挡 土墙 所 受 的土 压 力 比较 简 单 ， 这 里便 不 再 赘 述 。托梁除受挡墙传来的力外 ， 自身也承受一部分 土压力 和基底土 ， 它将这些力传到抗滑桩上 。 １ ． １ 传 递 到 托 梁 上 每 延米 的水 平推 力 、竖 向力 和
比较 ， 得 出这种 结构形式 安全 系数 高 、 适用 范 围广 ， 而且造价 不高 。
关键 词 ： 桩 基托梁挡土 墙 ； 运用研 究 ； 边坡 支挡
中图分类号 ： Ｕ ４ １ ７ ． １ ＋ １ 文献标识码 ： Ｂ 文章编 号 ： １ ０ ０ ９ — ７ ７ １ ６ （ ２ ０ １ ３ ） ｏ ４ — ０ １ １ ４ — ０ ２
范 围 内最 大剪 力 ： Ｑ ｏ ＝ ｑ Ｌ ／ ２ －ｑ Ｌ 。 ；
水平 内力 ： ｑ ＝ ｑ ｘ ＝ Ｅ ｘ ／ Ｌ 。
１ ． ３ 抗 滑 桩 计 算
弯矩 ： Ｍ０ ＝ （ Ｍ＋ Ｅ ｘ ｈ ） ／ ２ ；
剪力 ： ｑ ＝ Ｅ ｘ ／ ２ 。
１ 桩基 托梁挡 土墙 的设 计计算原 理
（ １ ） 水平 推 力 ： Ｅ ｍ ＝ Ｅ ＋ Ｅ 。
（ ２ ） 竖 向力 ： Ｎ ｍ ＝ Ｅ ｙ ｌ ＋ Ｅ ｖ ２ 十 Ｗ ＋ Ｗ 。 （ ３ ） 托梁 顶 中点 弯矩 ：
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载也呈一次线形分布 ,给实际仍然带来不便 ,所以现
以图 3 为基础提出托梁上荷载分布形式为阶梯形 ,
图 3 托梁沿 z 轴的应力曲线
三种不同荷载分布形式的托梁内力图如图 5 所 示 。从图中可以看出 : 31211 剪 力
剪力分布形式大致相同 , 最大值出现在桩轴线 上 ,以均布荷载的最大 , 为 3 300kN , 另外两种约为 3 000kN 。 31212 弯 矩
水电站设计
第
21
卷
第
3
期
D H P S 2005年9月
桩基托梁挡土墙结构托梁内力的合理计算
刘 黎 ,何昌荣 ,谯春丽 ,孙丽梅
(四川大学 水利水电学院 ,四川 成都 610065)
摘 要 :采用三维有限元计算了岩基情况下桩基托梁挡土墙结构托梁上的应力分布 ,提出了托梁上应力分布的新假设 。通过对计 算结果的分析比较 ,指出了在托梁设计中应注意的问题 。 关键词 :挡土墙 ; 桩基托梁 ; 内力计算 ; 有限元法 中图法分类号 :U417111 ; TU47311 文献标识码 :B 文章编号 :1003 - 9805 (2005) 03 - 0026 - 03
4 结 论
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图 4 托梁上荷载分布简化 (kPa)
图 5 托梁内力
(1) 在岩基情况下 , 托梁上应力集中较为明显 , 因此应考虑局部加强托梁或调整结构的连接形式与 尺寸 。
本次 研 究 的 桩 基 托 梁 挡 土 墙 结 构 的 挡 墙 高 12m ,上下墙墙高比 4∶6 ,由浆砌块片石组成 ; 托梁厚 度 016m ,由钢筋混凝土组成 ; 桩是人工挖孔灌注的 钢筋混凝土桩 , 尺寸为 115m ×2m 。对整个结构取 一跨 10m 长为研究对象 , 墙前地面为水平 , 墙后填 土水平 ,没有考虑墙后水压力 。计算简图见图 1 。
共划分了 22 867 个节点 , 20 580 个单元 。各材料的 物理力学计算参数见表 1 。
表 1 各材料物理力学参数
参数
挡土墙
托梁
桩
填土 基岩
E/ kPa
110 ×107 310 ×107 310 ×107
μ
0123
012
012
γ/ kN·m - 3
23
25
25
19
23
</ (°)
25
35
适当减薄托梁的厚度 ,达到节约工程成本的目的 。 (3) 桩基与托梁的连接简化为固端结构更符合
工程的情况 ,计算的弯矩较铰支座小 。
参考文献 :
[1 ] 魏永幸 1 内昆铁路岩堆路基工程技术研究 [ J ] 1 铁道勘察 , 2004 , (2) :27 - 301
[ 2 ] 张学岩 1 岩土塑性力学[ M ]1 北京 :人民交通出版社 ,19931
(2) 托梁顶部的压应力并非常规计算中的均布 分布 ,而是呈曲线分布 , 其分布规律大致为 : 在两桩 头对称的位置应力集中明显 ,达到最大值 ,往两边逐 渐减小 ,在跨中趋于零 。可将其简化为一次曲线 (折 线三角形) 或常数 (阶梯形) ,较均布分布更符合实际 情况 ,据此计算的托梁剪力和弯矩明显减小 ,因此可
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三角形荷载的两个极值弯矩均为最小 , 分别为 1 875kN·m 和 458kN ·m , 阶梯形荷载的两个极值弯 矩分别为 2 021kN·m 和 728kN·m , 均布荷载的两个 极值弯矩分别为 2 200kN·m 和 2 750kN·m 。
可见 , 桩基托梁结构的内力计算简图对托梁内 力影响很大 。依据工程实际情况和上述分析认为 , 桩基托梁作为固端 ,托梁荷载以总荷载为基准 ,分布 形式以三角形或阶梯形更合理 ,相比而言 ,阶梯形更 简单 。
图 2 托梁正应力分布 (MPa)
简化图如图 4 (b) 所示 ; 而在实际工程中 , 为了方便 , 常把托梁上的荷载以总荷载为基准简化为均布荷 载 ,桩基托梁连接简化为铰支座 (见图 4 (c) ) 。
图 1 计算简图 (cm)
托梁顶面与底面的正应力分布见图 2 (a) 、( b) 。
从图中可以看出 , 托梁顶面的正应力最大值出现在
2 计算模型及计算参数
211 有限元计算范围及模型 采用“ANS YS”有限元分析软件对结构进行计
算 。以托梁顶部 0 点 (如图 1 所示) 为原点 , 以一跨 10m 作计算 , 挡墙后填土取 16m 宽 、挡墙前地基取 12m 宽 、桩基以下地基取 10m 深作为计算范围 。在 结构离散中 , 所有实体单元均采用 8 结点 SOLID45 六面体单元模拟 。在挡土墙和其后填土之间设置了 面 - 面接触的接触面单元 ,挡土墙被当作“目标面”, 用 TARGE170 模拟 ; 填土被当作“接触面”, 用 CON2 TAC174 来模拟 。计算域除了地基地面和填土边界 是三向约束外 ,其余边界切开面均取法向位移约束 。
σ2 = - z + 415 (2 ～ 5m)
(4)
σ3 = + 1215 (8 ～ 10m)
桩基与托梁的连接简化为固端 , 荷载的简化如
图 4 (a) 所示 。基于图 2 托梁顶部应力分布情况 , 大
部分墙底压力都集中在桩基附近 , 图 4 (a) 简化的荷
中较为明显 。
312 托梁上的剪力和弯矩
为了计算托梁上的剪力和弯矩 , 在托梁顶面正
应力分布图上沿 x 方向切出几条与 z 轴平行的分布
曲线 (如图 3 所示) , 以应力最大的曲线为基础简化
托梁上的竖向分布荷载 , 并用以下分段函数模拟该 应力曲线 (σ表示托梁上的正应力) :
σ1 = 1125 z (0 ～ 2m)
3 成果分析
311 托梁上的应力
收稿日期 :2004 - 11 - 12 作者简介 :刘 黎 (1982 - ) ,女 ,重庆人 ,硕士研究生 ,研究方向为岩土工程 。
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α, k ———与材料摩擦系数 tanφ和凝聚力
C 有关 ,由下式计算 :
α = tanφ/ 9 + 12tan2φ
(2)
k = 3 C/ 9 + 12tan2φ
(3)
213 荷 载
分析中考虑了墙身重力和挡土墙上的列车荷
载 ,将列车荷载换算成 316m ×314m 的土柱作用于
墙后填土表面 。
C/ kPa
25 1 000
212 弹塑性计算模型
本次计算分析采用理想弹塑性模型 。按常用的
Druker - Prager 屈服准则[2] 判断材料是否进入塑性
状态 :
f ( I1 , J 2) = J 2 - αI1 - k
(1)
式中 I1 和 J2 ———分别为应力张量的第一不变量 和应力偏张量的第二不变量 ;
1 前 言
桩基托梁挡土墙结构是铁路交通等工程中广泛 应用的一种支挡结构形式[1] 。一般情况下挡土墙长 度非常大 ,如能减薄托梁厚度 ,将大大降低成本 。在 实际工程中 ,常把托梁上的应力分布简化为均布荷 载形式 ,桩基与托梁之间的连接简化为铰支座 ,这种 简化方式不甚合理 。本次研究的目的是要模拟出托 梁上的受力情况 ,提出托梁的合理受力模式 。
桩基支承部位 , 位置靠近墙后 ( 填土侧) , 量值达到
218MPa ,应力向四周逐渐扩散降低 , 靠近墙前趋于
零 ,两桩之间的应力从桩往中间逐渐减小 。
托梁底面与顶面的正应力分布趋势总体上基本
一致 ,但量值比顶面大 ,最大正应力达到 415MPa , 两
桩之间有一较大范围应力为零的区域 。托梁应力集