特殊條件下擋土墻的變形和強度控制設計

2013-07-04 08:42:22張智亓興軍魏煥衛

山東建筑大學學報 2013年6期

張智，亓興軍* ，魏煥衛

(1.山東建筑大學交通工程學院，山東濟南 250101;2.山東建筑大學土木工程學院，山東濟南 250101)

0 引言

在許多城市建筑物建設過程中，由于場地地勢差別較大，需要設置擋土墻來抵抗側向土壓力，防止墻后土體變形失穩，保證建筑物或者邊坡的安全。為了適應不同地區的建筑條件(如地基、地形等)和不同的使用要求(如建筑高度、穩定性等)，研究開發了多種形式的擋土墻，如懸臂式、扶壁式、加筋土式、錨定板式、錨桿式、土釘式、及卸荷板式等，但在特殊工程要求下，這些常規擋土墻并不能滿足構造上的要求，需要結合具體情況對擋土墻進行特殊處理，隨之而來的就是對擋土墻基礎的要求。大量學者對特殊工程條件下的擋土墻進行了研究，廖翱等針對西部地區特殊地質環境采用擋土墻、托梁以及樁基結合起來的一種新型支擋結構［1］;肖化文等提出了浸水條件下擋土墻的設計計算［2］;郭軍輝等對暴雨條件下的自嵌式加筋擋土墻的穩定性進行數值模擬分析［3］;慕洪生提出了在坡度陡峭的地形上采用懸臂式鋼筋混凝土的高邊坡擋土墻［4］;趙培清為防止填土或山坡土體坍塌、滑移設計出了樁基托梁擋土墻［5］。文章針對場地范圍有限、需跨越管線等復雜環境條件，應用變形和強度雙控設計的思想，對擋土墻及其基礎進行了設計和計算。

1 工程概況

1.1 場地工程概況

濟南某高校運動場東南角部位隧道出入口南側需要建設擋土墻，但擋土墻底部位置有兩個接線箱，從接線箱出來的管線需要在擬設置擋土墻底部通過(如圖1 所示)，因此擋土墻的設計需要保證管線的安全以及其自身的穩定性。

圖1 運動場東南角改造后平面圖

1.2 場地巖土工程條件

現勘察范圍內，場地地層由第四系沖～洪積形成的黃土狀粉質粘土、粘性土、碎石土及殘積土組成，上覆一定厚度的近期人工填土，下伏白堊系閃長巖。其中:①素填土(Qml):黃褐色，稍濕，松散，主要成分為粘性土。層底深度0.20～2.40 m。②黃土狀粉質粘土(Q3+4al+pl):黃褐色～褐黃色，硬塑～堅硬，層厚0.40～2.30 m。③粉質粘土(Q3+4al+pl):黃褐色～褐黃色，可塑，層厚1.70～5.10 m。④粘土(Q3al+pl):淺棕紅色，硬塑，層厚0.50～3.00 m。⑤殘積土(Qel):灰綠色，濕，中密，層厚0.40～5.00 m。⑥全風化閃長巖(K):灰綠色，中密～密實，巖芯呈砂土狀，層厚0.40～4.20 m。⑦強風化閃長巖(K):灰綠色，密實，稍濕～濕，巖芯呈粗砂狀。

2 擋土墻設計的基本原則和思路

2.1 擋土墻設計的基本原則

根據地質條件以及周邊環境，該擋土墻的設計的基本原則如下:(1)保證其基礎底部管線的安全以及其自身的穩定;(2)由于擋土墻底部需要跨越水平管線導致擋土墻底部壓力增大，可能引起較大的沉降，因此需要采取變形控制措施;(3)整個擋土墻基礎范圍內不同部位的荷載不同，局部甚至不受管線的影響，應給予不同考慮。

2.2 擋土墻設計的思路

(1)在兩組水平管線兩側設置三個獨立基礎作為擋土墻基礎，在三個基礎之間采用鋼筋混凝土地梁跨越兩組管線，地梁底部標高高于管線頂部標高，且在二者的空隙之間采用彈性材料充填，避免上部荷載與管線的直接接觸，從而保護了管線。

(2)在三個獨立基礎下設置二次壓漿微型樁，減小擋土墻基礎的沉降。同時根據三個獨立樁基礎分擔荷載性質及其大小的不同采取不同的微型樁布置形式［6］。其中CT2、CT3、CT1 局部(BC 段)承受通過地梁傳遞過來的上部豎向和水平荷載，這些部位的微型樁按照常規樁進行設計;CT1 的AB 部分直接承受上部擋土墻傳遞的荷載(相對較小)，該部位的微型樁按照以減小沉降為目的減沉樁進行設計(如圖2 所示)。

圖2 運動場東南角擋土墻基礎平面圖

(3)上部擋土墻采用重力式混凝土擋土墻，同時由于功能要求，擋土墻外側需要直立。根據不同部位的環境要求擋土墻墻背有所不同(如圖2 所示)。其中AB 段采用仰斜，BCDE 段由于緊靠接線箱，其墻背采用直立。

3 擋土墻的受力和計算分析

該工程擬建擋土墻的結構單元的主要受力構件有擋土墻、地梁、承臺、微型樁。下面對各個構件受力特點進行分析。

3.1 擋土墻的受力和計算

擋土墻上部主要承受由于墻后填土和坡頂地面荷載引起的土壓力作用，由于墻背傾斜且不光滑，其相應的土壓力根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》中的有關規定按照庫侖主動土壓力進行計算［7］，兩端擋土墻土壓力分力計算如下:

式中:δ 為土對擋土墻墻背的摩擦角，°，由于墻背粗糙且排水良好，取δ =0.5φk;φk為墻背填土內摩擦角的標準值，°;α 為擋土墻墻背的傾角，°。AB 段的α 為72.53°，BCDE 段的α 為90°(不考慮接線箱的作用);Ea為主動土壓力，kN;Et為土壓力水平方向的分力，kN;En為土壓力豎直方向的分力，kN。

此外，AB 段每延米擋土墻均受到均布荷載q，自身的重力G 和主動土壓力Ea的作用(如圖3 所示);BCDE 段每延米擋土墻除受到自重和墻后主動土壓力Ea的作用外，墻后接線箱與擋土墻無縫連接，其對擋土墻的作用力F 可以忽略不計(如圖4所示)。

圖3 AB 段擋土墻受力剖面圖

3.2 地梁的受力和計算

由于地梁的跨越作用，其除了承受梁高范圍內的水平土壓力外，還要承受擋土墻上部結構傳來的豎向力和水平力。如圖5～7 所示，地梁的作用在z方向上，地梁和擋土墻自重作為均布荷載qG;在y方向上，墻后填土作用在地梁上的土壓力作為均布荷載qE合，因而在地梁與三個承臺的連接處會產生豎向支反力F 和兩個方向的彎矩My、Mz。

圖4 BCDE 段擋土墻受力剖面圖

圖5 地梁受力剖面圖

圖6 地梁整體受力立體圖

圖7 地梁整體受力立面圖

3.3 微型樁與承臺的受力和計算

圖8 微型樁與AB 段承臺受力剖面圖

圖9 BCDE 段承臺受力剖面圖

4 擋土墻的設計計算

4.1 微型樁的設計計算

微型樁一般采用二次壓漿的方式灌注水泥砂漿或純水泥漿。孫劍平根據實際工程的測試結果［8］，提出微型樁承載力的估算公式為

式中:Rk為單樁豎向承載力標準值，kN;li為樁周第i層土的厚度，m;u 為樁身周長，m;Ap為樁端面積，m2;ks、kp分別為微型樁樁側摩阻力及端阻力修正系數，粘性土、粉土取1.15～1.20;砂土取1.20～1.30;碎石土取1.25～ 1.35。qs、qp按照 JGJ 94—2008《建筑樁基技術規范》中灌注樁的參數取值［9］，kPa。

按照公式(4)，根據土層分布情況可計算得到單樁承載力特征值Ra和極限值Qu，然后根據上部荷載F 通過承載力驗算并根據相關規范相關要求并結合現有環境條件確定所需微型樁樁數n。

式中:Fk為荷載效應標準組合下，作用于承臺頂面的豎向力，kN;Gk為承臺自重標準值，kN;

圖10 各承臺處微型樁布置圖

4.2 承臺的設計計算

根據上述的計算分析，進行承臺的設計，包括承臺的配筋及高度。

4.2.1 配筋計算

可以把承臺頂部的擋土墻及地梁等效為柱，相應的計算可以等效為柱下多樁矩形承臺的配筋計算。根據GB 50007—2011《建筑地基基礎設計規范》，矩形承臺的配筋應按雙向均勻通常布置，并滿足樁基承臺構造上的要求，根據GB 500010—2010《混凝土結構設計規范》［10］，滿足最小配筋率(如圖11 所示)。

圖11 各承臺配筋圖

4.2.2 強度驗算

假定上部結構荷載F 全部由微型樁承擔，強度驗算主要考慮微型樁的沖切問題及角樁對承臺的沖切。相應的沖切計算公式為:

式中:Nl為扣除承臺和其上填土自重后角樁樁頂相應于荷載效應基本組合時的豎向力設計值，kN;β1為角樁沖切系數;c1、c2為從角樁內邊緣至承臺外邊緣的距離，m;a1為從角樁內邊緣引45° 沖切線與承臺頂面處相交點至角樁內邊緣的水平距離，m;βhp為受沖切承載力截面高度影響系數，這里取1.0;ft為承臺混凝土軸心抗拉強度設計值，kN/m2;h0為沖切破壞承臺的有效高度，m。以承臺一的角樁1 受沖切為例(如圖12 所示)。