對(duì)《超高擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》一文的商榷

龔昌基

(福建省建筑設(shè)計(jì)研究院 福建福州 350001)

《建筑結(jié)構(gòu)》2010.7刊登Z總工《超高擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)》一文(以下簡(jiǎn)稱“Z文”)。其中墻后主動(dòng)土壓力計(jì)算方法似可商榷。讓我們先了解Z文論述的工程背景，再進(jìn)一步探討Z文介紹的土壓力計(jì)算方法。

工程背景:深圳某培訓(xùn)基地為在山坳填土形成室外停車場(chǎng)，須建擋土墻，墻后擋土最大高度為22m。原設(shè)計(jì)為二級(jí)臺(tái)階形式的重力式漿砌片石擋土墻，第1階擋土墻建于中風(fēng)化花崗巖上，第2階置于新近回填土上，于2005年4月施工完畢。由于6月數(shù)日暴雨，誘發(fā)該邊坡滑坡將上部第2階擋土墻全部沖毀，下部第1階擋土墻部分沖毀，墻后人工填土向公路傾瀉，地下水順倒塌的墻基滲出，淹沒(méi)了路面，對(duì)建筑場(chǎng)地、公路交通和周圍環(huán)境產(chǎn)生不利影響。

文章分析事故原因是:(1)墻身泄水孔堵塞，墻后排水不暢，第1階擋土墻在其墻后土壓和水壓共同作用下產(chǎn)生的彎矩和剪力遠(yuǎn)大于其設(shè)計(jì)值，發(fā)生了彎曲和剪切破壞;(2)第2階擋土墻基礎(chǔ)直接置于未經(jīng)地基處理的填土上，在雨水沖刷下基礎(chǔ)下陷失穩(wěn)而整體垮塌。

因此重新制定了新?lián)跬翂Ψ桨?(1)10m～22m高度的擋土墻采用扶壁式鋼筋混凝土擋土墻;(2)設(shè)置減壓平臺(tái)，有效地降低墻后土壓力;(3)加強(qiáng)墻后排水構(gòu)造措施。

新方案第(1)點(diǎn)中，10m～22m高度的擋土墻采用扶壁式擋土墻，已超出規(guī)范的適用范圍了——見(jiàn)《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》GB 50330－2013第12.1.2條，應(yīng)經(jīng)專項(xiàng)技術(shù)論證。不過(guò)，Z文標(biāo)題已點(diǎn)明是“超高擋土墻”，也許已經(jīng)通過(guò)專題論證。這是題外話。

圖1 (摘自Z文圖1)擋土墻平、剖面示意圖

疑問(wèn)在于第(2)點(diǎn):設(shè)置減壓平臺(tái)是否能“有效地降低墻后土壓力”(按Z文表1:未設(shè)置減壓平臺(tái)前，墻后總土壓力2833kN，設(shè)置后降低為996kN，僅為前者的35%)，值得商榷。

如所周知，土中某一點(diǎn)的側(cè)壓力強(qiáng)度σ可以表達(dá)為該點(diǎn)深度h的函數(shù):

式中γ——人工填土的容重kN/m3，

Ra——土的側(cè)壓力系數(shù)，根據(jù)朗金理論，可表達(dá)為:

地面超載q產(chǎn)生的土側(cè)壓力也可以等代為土層厚度h1=q/γ，疊加在地面以上計(jì)算。

扶壁式擋土墻是重力式(包括懸臂式)擋土墻的一個(gè)特例。除墻身結(jié)構(gòu)外，別無(wú)二致。

顯然，對(duì)于扶壁式擋土墻，墻后總的主動(dòng)土壓力也僅與土質(zhì)和墻后地面以下墻高以及地面超載大小有關(guān)。誠(chéng)然，未超出滑裂面范圍的“減壓平臺(tái)”可以改變墻面板的內(nèi)力分布(因?yàn)椤皽p壓平臺(tái)”以下的墻面板由三邊支承板改變?yōu)樗倪呏С邪澹鍍?nèi)彎矩大小及圖形隨之改變，這對(duì)墻板受力是有利的;況且平臺(tái)板以下的部分土壓力經(jīng)平臺(tái)板及護(hù)壁直接傳走，也減小了墻面板所受土壓力)，但這改變不了擋土墻總的土側(cè)壓力及傾覆力矩。總體而言，土壓力圖形仍如圖2(a)所示，而圖2(b)有誤。

圖2 (摘自Z文圖2)設(shè)置減壓平臺(tái)前、后的墻背土壓力

反過(guò)來(lái)說(shuō)，如果加兩道“減壓平臺(tái)”能把墻后水平土壓力減至35%，那么再多加幾道“減壓平臺(tái)”，土壓力豈不趨于零?然而事實(shí)上，只要“減壓平臺(tái)”的寬度沒(méi)有延伸到墻后土體的破裂面范圍以外，無(wú)論加多少道“減壓平臺(tái)”，都改變不了水平土壓力總值。假如減壓平臺(tái)有足夠多道，以至于可把圖一(c)中砼面板至土工布之間看成一個(gè)實(shí)體，則土壓力圖形就應(yīng)該如圖2(a)那樣。

Z文關(guān)于“設(shè)置減壓平臺(tái)后，由于其上的土壓力不能傳到平臺(tái)以下，可以有效地減小土壓力”的論斷，是參考了《地基與基礎(chǔ)工程施工計(jì)算》一書[1]。經(jīng)查閱，該書第120～121頁(yè)闡述了“重力式擋土墻墻背設(shè)置卸荷平臺(tái)后，可起到減少平臺(tái)下H2段內(nèi)土壓力的作用”;并指出其“減壓范圍，一般認(rèn)為至滑裂面與墻背交點(diǎn)E處為止。”(參看圖3，即文獻(xiàn)[1]圖3－b)。

圖3 帶卸荷平臺(tái)的擋土墻壓力(摘自文獻(xiàn)[1]圖3－22)

按文獻(xiàn)[1]，卸荷平臺(tái)以下至滑裂面與墻背交點(diǎn)E，土壓力圖形存在一個(gè)三角形的缺口，它代表減壓部分;而E點(diǎn)以下的土壓力圖形即恢復(fù)到不設(shè)卸荷平臺(tái)時(shí)的狀態(tài);這和圖2(b)(即Z文圖2(b)是大不一樣的。

關(guān)于卸荷板式擋土墻的墻背土壓力計(jì)算，還可以參照李海光《新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例》[2]，該書第55頁(yè)圖3－2及相關(guān)文字與上述文獻(xiàn)[1]完全一致。

即使是上述三角形缺口所代表的減壓部分土壓力，對(duì)墻背B－C－E段而言固然不起作用，但它并沒(méi)有消失，而是通過(guò)土的自然拱作用，轉(zhuǎn)移到上下端去。

就(圖1)所示的扶壁式擋土墻而言，在扶壁寬度范圍內(nèi)的土壓力圖形，無(wú)疑還是如圖1(a)一樣，至于兩道扶壁之間，因存在減壓平臺(tái)而減小的土壓力，將通過(guò)土的自然拱作用，轉(zhuǎn)移到“缺口”的四周去;對(duì)整體擋土墻而言，土壓力并無(wú)損益。

Z文另引楊太生《地基與基礎(chǔ)》(中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2004)一書，筆者還沒(méi)有找到這本書，未知是否有更充分的理由。

至于前述背景工程之所以成功，筆者以為主要得益于Z文論述的新方案第(3)點(diǎn)措施——加強(qiáng)墻背排水構(gòu)造措施。如圖1(c)示，墻背填筑寬達(dá)5m的“砂礫石濾水層”，并設(shè)置多排的泄水管，這不但基本消除了墻背積水壓力，而且大幅度降低了墻背填土及原狀土的含水量，從而提高了墻背土的c、φ值，這才是減輕墻背土壓力的真正原因。如果把它歸因于設(shè)置減壓平臺(tái)的作用，可能產(chǎn)生誤導(dǎo)。

本文初稿曾與Z總交流，原不打算發(fā)表，但在此后施工圖審查工作中屢見(jiàn)類似算法，覺(jué)得這個(gè)問(wèn)題還值得研討，特將此稿整理奉上，以期引起同行關(guān)注與討論。

以上管見(jiàn)，不敢自是;曾請(qǐng)福建省建筑設(shè)計(jì)研究院勘察分院丁勝生副院長(zhǎng)、林勝天總工、吳銘炳總工、福州市開(kāi)發(fā)區(qū)建筑設(shè)計(jì)研究院應(yīng)高飛總工審閱并提出寶貴意見(jiàn)，在此一并致謝。

[1]席永慧、徐偉，地基與基礎(chǔ)工程施工計(jì)算[M].北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2008.

[2]李海光，新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].北京:人民交通出版社，2004.