箱式擋墻的應用研究

潘升樹，譚智杰

（1.重慶市江北區城市建設發展集團有限公司，重慶 400000；2.中機中聯工程有限公司，重慶 400039）

0 引言

市政道路穿越城市建筑密集區，周圍復雜環境對市政道路的修建影響很大，特別是地下空間的建構筑物[1]，限制了路基支擋結構形式的選擇；鄰近的建筑物基礎，用地范圍的地下管網，現狀擋墻等都是在選擇合適的支擋結構過程中需要考慮的因素。如何在有限的用地范圍內最大限度的利用地下空間，保證市政道路的實施，同時對周邊建構筑物不造成影響，是路基支擋結構設計需要考慮的問題。

近年來，重力式擋墻、懸臂式擋土墻、錨桿擋墻、樁板擋墻[2-4]等傳統的支護結構在工程設計中得到了較多的應用。然而擋墻基礎開挖受到周邊建構筑物的限制，并且擠占市政管道布置空間。北大道工程道路建設范圍內存在現狀的加筋土擋墻，周邊鄰近建筑物，在路基支擋設計過程中，既要考慮現狀加筋土擋墻的影響，又要保證路基下新建管網的通行。基于以上論述，傳統的支護形式不能滿足目前的實際工程需要，因此，有必要開展系列而深入的研究工作，為城市地下空間的結構設計提供參考。

本文基于北大道道路建設項目提出一種市政道路新型擋墻—箱式擋墻[5-7]，其優點在于箱式結構自重輕，替代原擋墻上部結構，減小原擋墻土壓力，使原擋墻穩定安全；同時內部空間可保證管網通行的要求，尺寸布置靈活，能很好滿足市政工程的復雜空間關系，適用于場地環境復雜的市政工程。

1 工程概況

富力海洋小區配套道路工程位于觀音橋商圈北大道終點隧道出口南側，接富力海洋廣場，道路路基部分位于既有加筋土擋墻上方，路基范圍侵占現狀建筑懸挑結構。本文的箱式擋墻頂部為4m寬輔道，左側臨空面為市政支路，左側部分擋墻頂部位于地面以下約1.1m，底部位于道路下約4m處。右側完全臨空，擋墻底部及左側填土均采用加筋擋墻治理，擋墻高約12.0m，全長為57.62m，如圖1所示。

圖1 箱式擋墻典型設計（單位：cm）

2 結構模型

箱式擋墻的結構計算有兩種計算方式，分別為單構件計算和整體建模計算。本文依據實際工程案例，采用有限元分析軟件Midas建立箱式擋墻模型[8-9]，結合巖土的基本參數及勘察設計報告進行分析計算。

2.1 模型的建立

有限元建模選取最不利斷面，考慮結構的物理特性，選取箱式擋墻在縱向1m長度建模。結構均采用空間梁單元模擬，支座采用節點彈性支承模擬，各類荷載采用線性荷載的方式加載。

在建立有限元模型時，為較準確模擬結構受力每個單元劃分不超過1m。箱涵結構斷面共離散為98個節點，101個單元，如圖2所示。

圖2 有限元建模

2.2 邊界條件

考慮實際受力情況，土對結構的作用通過節點彈性支承模擬。節點支承的剛度值K=abmz，a為各土層厚度，b為基礎的計算寬度，m為地基土的比例系數，z為各土層終點距離地面的距離，取a=1m，b=1m，m=20000kN/m4。

2.3 結構靜力計算分析

在結構靜力計算中，下文分別給出了箱涵結構在永久作用、可變作用、基本組合及頻遇組合作用下的內力如表1所示。

表1 控制內力

3 數值計算結果分析

為驗證箱涵結構設計的合理性，本文結合《公路鋼筋混凝土及預應力混凝土橋涵設計規范》（JTG 3362—2018）要求，根據數值模擬的計算結果，采用MATHCAD自編程序對控制截面進行承載能力極限狀態和正常使用極限狀態的驗算，以此來判斷本文的箱涵擋墻結構的可行性。

3.1 頂底板截面驗算

3.1.1 正截面偏心受壓承載能力驗算

矩形截面偏心受壓構件的正截面抗壓承載力計算公式如式（1）～式（5）所示。

依據荷載組合中的基本組合，按式（1）～（5）對頂底板的偏心受壓承載能力進行驗算，其矩形截面偏心受壓構件正截面抗壓承載能力Nu為139900N，數值模擬計算的軸向力Nd為66100N，判別是否滿足偏心受壓構件正截面承載力是否滿足要求如下。

通過對比計算結果，可以看出頂底板所有單元的正截面抗彎承載能力均符合要求。

3.1.2 斜截面抗剪承載能力驗算

矩形截面的受彎構件，其斜截面抗剪承載力計算應符合下列要求，具體如式（6）～式（10）所示。

依據荷載組合中的基本組合，按式（6）-（10）對頂底板的斜截面抗剪承載能力進行驗算，其斜截面抗剪承載能力為332.5kN，數值模擬計算的結果為222.3kN，不難看出，頂底板的所有單元的斜截面抗剪承載能力均符合要求。

3.2 側墻截面驗算

3.2.1 正截面偏心受壓承載能力驗算

采用荷載組合中的基本組合，按式（1）～（5）對側墻的偏心受壓承載能力進行驗算，其矩形截面偏心受壓構件正截面抗壓承載能力Nu為565400N，數值模擬計算的軸向力Nd為279400N，通過對比計算結果，可以得出側墻所有單元的正截面偏心受壓承載能力滿足要求。

3.2.2 斜截面抗剪承載能力驗算

如上述步驟，依據荷載組合中的基本組合，按式（6）～式（10）對側墻的斜截面抗剪承載能力進行驗算，其斜截面抗剪承載能力為332.5kN，數值模擬計算的結果為100.4kN，不難看出，側墻的所有單元的斜截面抗剪承載能力滿足要求。

3.3 地基承載力驗算

空箱式擋墻的基礎持力層為人工填土，該段土層設置有土工格柵，地基承載力特征值為120kPa，基地摩擦系數為0.3，在標準組合作用下，箱式擋墻基礎反力合力為917kN，上部基礎反力合力為605.9kN，下部基礎反力合力為311.1kN。

由此計算箱式擋墻的基底應力如下：上部基底應力N/A=605.9/（8.1×1）=74.8kPa，下部基底應力N/A=311.1/（3.3×1）=94.3kPa，偏于安全考慮，地基承載能力特征值取為100kPa，可完全滿足結構地基承載力要求。

3.4 穩定性驗算

根據《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330—2013）分別對箱式擋墻進行抗滑移穩定性和抗傾覆穩定性驗算，箱式擋墻底的摩擦系數取為0.3，計算結果如表2所示，驗算結果滿足要求。

表2 穩定性驗算結果

4 結論

通過對箱式擋墻的計算分析及驗算，可以得出以下結論。

（1）該結構的偏心抗壓承載力、斜截面抗剪承載能力均滿足要求。

（2）地基承載力為120kPa，該結構的地基承載能力滿足要求。

（3）抗滑移和抗傾覆穩定性滿足要求。

綜上所述，該箱式擋墻的設計滿足要求，進一步驗證本項目設計是可行的。市政道路采用箱式擋墻支擋，可以很好地解決場地條件受限和經濟性的問題，既保證了路基的實施，又能使市政管網從箱體內部正常通行，同時削減了下部結構荷載，減小其內力，使其更加安全穩定。