中图分类号：U416.1        文献标志码：A    文章编号：

Application Analysis of Pile Foundation Support Beam Retaining Wall Considering Flood Level in Riverside Highways

Abstract：This article takes a certain riverside highway project as the object, considering two working conditions of normal water level and flood level, and simulates and analyzes the application of pile foundation support beam retaining wall in filling engineering through finite element software. The analysis results show that the minimum stability coefficient of the roadbed slope is 1.81, and the maximum settlement of the pavement is 15.05cm, which meets the design requirements of the specifications. Improving the quality of roadbed filling can reduce the structural displacement of pile foundation support beam retaining walls, while controlling the plastic zone distribution of roadbed slopes, which has strong practical significance for improving the stability of roadbed slopes.

Key words: pile foundation-trimmer beam-retaining wall; riverside highway; stability; plastic zone; settlement;

1 引言

随着我国公路建设大力推进，山区公路规模越来越大，建设条件也变得越来越多样、复杂。在山区公路建设过程中，不可避免地遇到沿河公路工程。这类工程往往具有施工地形陡峭、工程造价高等诸多问题。在沿河公路建设中，如何因地制宜，选用经济合理的路基支挡方案，保证沿河道路路基工程的安全性和耐久性，是众多工程建设者研究的重点。

在沿河公路路基工程的长期研究中发现，该工程的重难点在于如何同时保证路基的稳定性，同时支挡结构具有良好的工程可实施性。常规挡墙具有承载能力要求高、占地面积大、同时可能侵占河道等众多问题。采用传统桥梁方案具有造价高，无良好的施工作业平台等问题。因此选用一种合适的支挡方案具有极其重要的意义。

桩基托梁挡土墙的结构形式分为上下两部分，下部为桩基，上部为重力式或衡重式挡土墙。作为一种组合式结构，通过下部的桩基提供竖向承载力，降低了对天然地基的力学要求。上部结构为挡墙，在减小桩长的同时依靠挡墙自重及侧向抗力来抵抗土体的侧向压力，降低了工程造价和施工难度，具有较好的应用前景，因此得到了大量学者的研究。

凡明杰等人在水库塌案处治工程中，通过对比分析了桩基托梁挡墙、固结灌浆等方案的优缺点，选用桩基托梁挡墙作为路基支挡方案，并进行了路基稳定性计算和施工验证，结果表明桩基托梁挡土墙对保证路基安全稳定起到了重要的作用^[1]。龚熙维以襄渝线某区间路基工程为对象，也分析了坍岸路基中采用了桩基托梁挡土墙和桩板墙复核结构的效果，工程实践显示效果良好^[2]。张晓龙在某高填方边坡工程支护工程中，利用有限元软件分析了预应力锚索桩基托梁挡墙的力学响应，并通过实际施工监测，得到了桩基托梁挡墙的位移特性，结果表明该支挡结构支护效果良好，为山区边坡支护工程提供了重要的参考^[3]。杨建国则在高陡填方路堤工程中，分析了桩基托梁挡墙在高陡路堤支挡中沉降等指标的变化规律，为类似工程提供了一定的参考价值^[4]。姚广以某城市快速路半填半挖路基工程为对象，从结构受力和施工难度等多个方面对比分析了桩板墙、重力式挡墙等结构形式，比选采用桩基托梁挡土墙作为支护结构并进行了结构配筋计算，提出了桩基托梁挡土墙的施工要点，解决了陡坡路基失稳等多个工程问题，为类似工程提供了一定的参考^[5]。

沿河公路工程的逐年增加对路基支护方案的要求也日益提高。从现有的研究可以看出，目前在沿河公路中桩基托梁挡墙应用较少，还有待进一步完善。

因此本文以某沿河公路路基工程为研究对象，探讨桩基托梁挡土墙在沿河路基工程中的应用效果，以期为类似工程提供一定的参考。

2 工程概况

2.1地质概况

某山区沿河公路根据总体规划，在桩号范围K2+380~K2+985段拟顺河岸建设沿河公路。公路所处地形陡峭，东侧山体自然坡角约为24°。西侧为既有生态河流，河床较平整，按照五十年一遇洪水水位考虑，水位年变化幅度高达为3m。

根据地勘揭露，工程场地范围内主要为表层覆土和下伏基岩的二元结构。具体地质情况描述如下：

（1）场地表层范围内为素填土，平均厚度约为2.8m，褐黄色，稍湿，含大量植物根茎。素填土表层覆盖绿植和灌木。

（2）素填土下为强风化砂质泥岩和中风化砂质泥岩地层。强风化砂质泥岩层厚3.1~4.5m，岩体完整程度为破碎，呈层状、碎块状，手捏易碎，岩石结构已大部分破坏，构造层理不清晰，岩体被节理、裂隙分割成碎块状。

（3）中风化砂质泥岩层厚较大，钻孔未揭穿，节理裂隙一般发育，部分岩石被节理、裂隙分割，呈块状。RQD值约为70~80。

各层参数如下表1所示。

表1. 岩层参数表

注：括号内数据为饱和状态下的地层参数。

2.2工程概况

根据线路总体设计，在公路K2+380~K2+585段临近既有河流。该段河流平均水深3.5m。

该段道路平均设计高程高出河床底标高26m。线路总体平行于河流走向，道路中心线距离河床中心水平距离为45m~48m。

3 方案比选

根据总体水土保持要求，结合该地段的工程地质条件及地形地貌，初步拟定了锚索桩板墙、桥梁方案和桩基托梁挡土墙方案。

锚索桩板墙作为一种常见的桩支护结构，具有支护高度大、占地面积小等优点。但在支护刚度较大时，其桩基钢筋用量大，锚索设置较多，对锚索的施工质量和耐久性提出了较大的考验，一旦锚索失效会造成严重的工程事故。桥梁方案具有安全可靠、施工工艺成熟等多个优点。但本项目中道路设计标高较大，存在桥梁柱过长、景观效果差等缺点。桩基托梁挡土墙利用悬臂桩自身抗弯刚度较大的特点，能够支挡较大的高度，利用桩顶挡墙提高支护高度，既在一定程度上提高了支挡的高度和可靠度，同时提高了施工的便捷性。挡墙顶路基填方边坡坡面可做绿化和垂蔓，保证了景观效果。

综合各方面因素，本项目拟采用桩基托梁挡土墙进行防护支挡。步拟定采用φ1000@3000的桩基作为主要承载结构，桩长11m。桩顶设置1.5m×5m的托梁，托梁与桩顶之间设置厚度20cm的垫层。托梁上设置底宽3m的折背式挡墙，挡墙坡比为1:0.2，折背墙坡比为1:0.75，全部采用选用C30混凝土，其中桩基采用水下混凝土进行灌注。

4有限元模型建立

本文将建立有限元计算模型，分析路基边坡的稳定性系数等指标，得到桩基托梁挡墙的支挡效果，为类似的沿河路基边坡支挡提供参考。

选用合理的边界条件、设置正确的属性对提高模拟精度和准确性具有重要的意义。为了充分保证支挡结构的安全性，按照《公路路基设计规范》相关规定，路基支挡应满足50年一遇洪水设防标准。本工程中50年一遇洪水位设计深度为6.5m。因此本文拟采用常水位和洪水位两种工况进行模拟，常水位标高和洪水位标高高差3m。根据水位高度对土体等参数进行折减，即水位以下采用饱和土体参数。

根据工程经验和相关研究结果，本项目选择的有限元模型尺寸为200m×80m。

参数和边界条件如下表2所示。其中填筑完毕后考虑20KPa的均布车辆荷载。根据施工过程按照桩基施工→垫层和托梁施工→挡土墙施工→路基分层回填碾压→通车等阶段进行模拟。

模型参数表

注：括号内数据为洪水位工况下参数值。

5 有限元结果分析

根据前文建立的模型，分析桩基托梁挡土墙作为沿河公路支挡工程中的应用效果。

5.1稳定性分析

提取主要施工阶段下的路基边坡稳定性系数变化趋势如下图1所示。

图1 路基边坡稳定性系数变化曲线

从图1可以看出，两种工况下路基边坡的稳定性系数变化规律比较一致，均表现出先增大后减小的变化趋势，其中在第二级边坡填筑后边坡的整体稳定性系数最大，洪水位下的稳定性系数为1.81，相比于常水位下的稳定性系数2.46降低了0.65，降低幅度为26.4%。随着路基填筑增高，路基边坡的稳定性系数逐渐下降，最终路基边坡的稳定性系数在两种工况下分别为1.53和1.85。究其原因，在第二级边坡填筑时，桩基托梁挡墙已施工的桩基基础深入中风化岩层中，阻断了原始边坡潜在的边坡滑动面，从而使得边坡的稳定性系数得到较大幅度的提高。之后随着路基逐层填土，路基填料对桩基托梁挡土墙的侧向土压力增大，总下滑力增大，使得路基边坡的稳定性系数逐渐减小，直到通车后路基边坡稳定性系数取得较小值，因此总体呈现出先增加后逐渐减小的变化趋势。但均满足《公路路基设计规范》的路基边坡稳定性要求。

5.2塑性区分布

为了进一步分析路基边坡的稳定性，提取有限元模型极限平衡条件下的潜在滑动面分布云图如下图2所示。

图2（1） 常水位路基边坡塑性区分布云图（K=1）

图2（2） 洪水位路基边坡塑性区分布云图（K=1）

从图2可以看出，两种工况下路基边坡均存在两处明显的塑性区分布，分别位于天然边坡的岩土分界面处和路基填土范围内。分析岩土分界面处的塑性区分布规律可知，两种工况下的塑性区分布基本从坡脚处延伸至坡顶，其中在桩基附近，由于桩基的水平抗力作用，桩基附近的土体位移较小，对应产生的塑性变形较小，阻断了天然边坡形成贯通的潜在滑动面，从而提高了天然边坡岩土体的稳定性。这说明桩基不仅起到了支撑上部挡墙等结构的支撑作用，同时对边坡抗滑也起到了重要的作用。

路基填土范围内也形成了较大范围的塑性区，最大塑性应变均位于靠近天然坡面的路基填土范围内。常水位工况下的塑性应变最大值为1.62，洪水位下的塑性应变最大值为4.50，这是因为洪水位工况下，土体抗剪强度相对较低，从而产生了更大的塑性应变。

从整个塑性区分布云图可以看出，在桩基托梁挡土墙结构的支护下，整个路基边坡的最不利滑面位于路基边坡范围内，因此实际工程中应加强对路基填料的设计要求和施工质量，从而整体提高边坡的稳定性。

5.3位移分析

位移是表示路基边坡变形情况的重要指标。提取桩基拖梁挡土墙结构的位移云图如下图3所示。

图3（1）常水位桩基托梁挡土墙水平位移云图

图3（2）洪水位桩基托梁挡土墙水平位移云图

从图3可以看出，两种工况下桩基托梁挡土墙位移分布规律一致。挡墙整体向坡外发生水平位移，桩基总体呈现出上部桩顶位移较大、下部桩底位移的分布规律。

通过图3（1）可以看出，墙身最大位移为10.49cm，最小位移为10.20cm，位于挡墙背坡侧。同时可以看出在洪水位工况下，挡墙的最大最小位移为19.40m和19.34cm，分别比常水位下增加了8.91cm和9.14cm。常水位下桩身最大最小位移依次为11.21cm和0.45cm，洪水位工况下桩基位移值分别比常水位下增大了7.97cm和0.01cm。由此可以看出，洪水位工况下结构上部位移变形增加较多，结构下部位移变形增加较小。分析其原因，墙后路基填土和车辆荷载对结构上部产生了较大的侧向水平推力，随着结构埋深的增加，土体抗力逐渐增大、桩体自身抵抗变形的能力逐渐增强，因此随着结构埋深的增加，整体抵抗变形的能力增强。同时洪水位工况下，表层土体含水量比下部基岩高，抗剪强度更小，使得下部土体的自身稳定性远高于上部土体，从而产生的下滑力更小。两种因素耦合综合影响，使得结构呈现出下部位移小于上部结构的总体变化趋势。

5.4路面沉降

路面沉降是新建道路设计的重要指标。提取道路的路面沉降结果如下图4所示。

图4（1） 常水位下路面沉降位移云图

图4（2） 洪水位下路面沉降位移云图

从图4可以看出，两种水位工况下路面的沉降分布规律均表现出外侧沉降大、内侧沉降下的分布趋势。其中常水位下的路面最大最小沉降值依次为12.52cm和4.81cm，洪水位工况下路面的最大最小沉降值依次为15.05cm和6.23cm，分别增大了2.53和1.42cm，增加幅度为20.2%和29.5%，但均满足相关规范对路面沉降的要求。由此可见，即使洪水位工况下，土体强度降低，但在桩基托梁挡土墙的防护下，有效地抑制了路面的侧向变形，减小了路面沉降，起到了良好的应用效果。

6 结论

本文以某沿河公路工程为背景，利用有限元软件模拟分析了桩基托梁挡土墙作为支挡结构的应用效果，得到了以下主要结论：

（1）洪水位工况下，路基边坡的最小稳定性系数为1.81，满足公路路基设计规范要求。

（2）天然边坡岩土分界面和路基填土范围内均存在塑性区分布，桩基托梁挡土墙不仅起到了支撑上部结构的作用，同时阻断了天然边坡的潜在滑动面。

（3）土体抗剪强度和桩身抗力共同作用，使得桩基托梁挡土墙呈现出上部结构位移大、下部结构位移小的位移规律。

（4）两种工况下，桩基托梁挡土墙防护有效地抑制了路面的侧向变形，减小了路面沉降。

参考文献

[1]凡明杰,原学明.桩基托梁挡墙在库区道路塌岸治理中的应用[J].黄河水利职业技术学院学报,2022,34(01):29-32.

[2]龚熙维.桩基托梁和桩板墙复合结构在坍岸路基中的应用[J].路基工程,2012,(05):141-144+148.

[3]张晓龙.预应力锚索桩基托梁挡墙设计与施工分析[J].江西建材,2024,(04):175-177.

[4]杨建国.桩基托梁挡土墙在高陡填方路堤中的应用模拟分析[J].北方交通,2024,(06):66-69.

[5]姚广.桩基托梁挡土墙在高速公路沿河路堤支挡工程中的应用[J].山西交通科技,2020,(03):62-65.

作者简介

第一作者：马研，男，大学本科，助理工程师，从事道路、桥梁、场站施工管理工作。

通讯作者：张利，男，大学本科，高级工程师，从事公路工程、岩土工程设计工作。