卸荷平臺在空箱式擋土墻中的應用比較

唐 潔

（上?？睖y設計研究院 200434）

1 前言

擋土墻在水電站、水閘、泵站及各種渠系建筑物工程中有著廣泛的應用，幾乎在所有的水工建筑物設計中都會遇到擋土墻的設計內容。水工擋土墻有多種結構型式,其主要和常用的結構型式有重力式、衡重式、半重力式、懸臂式、扶臂式、U形結構、板樁式和空箱式等。在墻后擋土較高的土質地基往往采用空箱式，通過調節(jié)空箱內的填土可以減少地基平均應力及應力比。

因墻后擋土高度大，產生的土壓力較大，設計時往往將底板加寬，這將增大基底的開挖寬度，擴大開挖的影響范圍，增加工程量。如果將卸荷平臺應用于空箱式擋土墻中，可以大大減少墻后土壓力，在保證工程安全的條件下，達到減少底板寬度、節(jié)約工程量的目的。

下面以某工程的下游空箱式翼墻為參照，按照相同的設計參數(shù)分析卸荷空箱式擋土墻，并計算工程量。

2 基本資料

2.1 地質資料

某泵站進水池寬50.7m，底板頂高程3.85～5.00m，兩岸填土高程為16.00m。進水池兩岸直線對稱布置下游翼墻，下游翼墻底板頂高程設為4.00m，底板厚0.7m，墻后擋土高度為12.7m。屬1級建筑物。

底板地基土為⑦層粉質粘土，粘聚力C=41kPa、內摩擦角φ=15°。墻后采用混合土回填，填土指標見表1?？障鋬忍钔涟次磯簩嵖紤]，取17kN/m3。

2.2 計算工況及水位組合

工程位于6度地震區(qū)，根據(jù)以往工程經驗分析，選取低水位、完建期作為控制工況。對結構進行穩(wěn)定分析，計算工況及水位組合見表2。

表1 墻后回填土基本資料

表2 計算工況

3 原空箱擋土墻設計

3.1 設計剖面

原方案下游翼墻為普通空箱式翼墻，空箱內填土至高程12.00m，空箱前墻和后墻的排水孔用排水管連通，空箱內不進水。設計平、剖面圖見圖1。

3.2 設計荷載計算

完建期的荷載包括自重、土重和墻后土壓力，低水位工況的荷載包括自重、土重、水重、靜水壓力、揚壓力和土壓力。荷載簡圖見圖2，計算結果見表3。

4 帶卸荷平臺空箱擋土墻設計

4.1 設計剖面

為減少墻后土壓力，帶卸荷平臺的空箱式擋土墻在原方案的臨土側懸挑出卸荷平臺。為減少空箱的地基承載力，便于調節(jié)地基應力比，以卸荷平臺以下、底板以上部分作為空箱，空箱臨水側設通水孔和排氣孔，臨土側設排水孔，在運行工況下空箱內可進水，以調節(jié)不同工況下地基的應力比和抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)。根據(jù)設計低水位，考慮卸荷平臺下部空箱運行期內全部充水，卸荷平臺的底面高程為10.5m，板厚0.5m。通過計算，將底板調至13m寬，底板厚度與原空箱相同。設計平、剖面圖見圖3。

圖1 下游翼墻平、剖面圖（空箱式）

表3 下游翼墻（單米）荷載計算結果 單位：kN

根據(jù)朗肯土壓力理論，當擋土墻背離土體移動時，墻后填土內將相應地產生剪力，墻后土體中的應力處于主動極限平衡狀態(tài)，土體內產生的剪切面（破裂面）與水平面的夾角θ＝45°+φ/2（φ為墻后填土內摩擦角）。為達到完全卸荷的目的，卸荷平臺懸挑出長度為 L＝H擋土tan（45°－φ/2）＝6.7×tg（45°－25°/2）＝4.27m，取4.3m。

圖2 下游翼墻荷載圖（空箱式）

4.2 設計荷載圖

在計算土壓力時（見圖4），平臺以上Hl高度內，可按朗肯理論計算土壓力分布。由于平臺以上土重已由卸荷臺承擔，故平臺以下墻背所受的主動土壓力只與平臺以下填土重量有關。故平臺下的土壓力為

式中 γ——墻后填土容重，地下水位以下取浮容重；

H2——卸荷平臺下的擋土高度；

Ka——朗肯主動土壓力系數(shù)。

完建期與低水位工況下作用在擋土墻上的荷載類別與原普通空箱相同。荷載簡圖見圖5，計算結果見表 4。

5 穩(wěn)定及地基應力計算對比分析

基礎底面與土質地基之間的摩擦角φ0＝0.9φ（φ為地基土內摩擦角）；基礎底面與土質地基之間的粘聚力C0＝0.25C（C為地基土粘聚力）。兩方案計算的穩(wěn)定及地基應力計算結果見表5、表6。

圖3 下游翼墻平、剖面圖（卸荷式）

圖4 帶卸荷臺的擋土墻土壓力

表4 下游翼墻（單米）荷載計算結果 單位：kN

從計算結果可知，與普通空箱擋土墻相比，卸荷式空箱擋土墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)更大，平均地基應力小。雖然卸荷式應力比超過允許值，但擋土墻重心偏臨土側，在考慮被動土壓力的情況下，亦可滿足要求。

圖5 下游翼墻荷載圖（卸荷式）

表5 穩(wěn)定及地基應力計算結果（空箱式）

表6 穩(wěn)定及地基應力計算結果（卸荷式）

6 工程量計算對比分析

根據(jù)當?shù)厥┕そ涷?，土方開挖邊坡為1∶3。鋼筋按照含筋率80kg/m3計算。通過計算可知，卸荷式方案單米工程費用比原空箱式方案節(jié)省7%。工程量計算見表7、表 8。

7 結語

通過計算對比可以看出：在完全卸荷的情況下，帶卸荷平臺的空箱擋土墻能將墻后土壓力減少近50%，底板的寬度減少3m，工程費用節(jié)約7%。卸荷式方案在同等條件下優(yōu)于空箱式方案，尤其是在施工場地受到限制的情況下，則更顯優(yōu)越性。

表7 下游翼墻單米工程量（空箱式）

表8 下游翼墻單米工程量（卸荷式）