衡重式樁板擋墻的應(yīng)用與研究

劉永春，王石磊

(中國鐵道科學(xué)研究院 深圳研究設(shè)計(jì)院，廣東 深圳 518034)

1 衡重式樁板擋墻簡介

衡重式樁板擋墻作為一種新型擋墻，首次應(yīng)用于深圳地區(qū)邊坡工程，結(jié)構(gòu)形式及使用效果如圖1所示［1］。該擋墻結(jié)合了衡重式擋墻和樁板擋墻的優(yōu)點(diǎn)，結(jié)構(gòu)形式新穎，發(fā)揮了樁板擋墻直立護(hù)坡有效利用土地、開挖空間小、卸荷板結(jié)構(gòu)安全可靠、耐久性好等特點(diǎn)。

圖1 衡重式樁板擋墻結(jié)構(gòu)形式及使用效果

帶衡重臺的擋土墻，稱為衡重式擋土墻，其主要穩(wěn)定條件仍憑借于墻身自重，但由于衡重臺上填土的重量使全墻重心后移，增加了墻身的抗傾覆穩(wěn)定性。衡重式擋土墻一般用于6 m以下的邊坡，但由于其基底面積較小，對地基承載力要求較高，一般設(shè)置在堅(jiān)實(shí)的地基上［4］。

帶卸荷板的重力式擋墻很早即應(yīng)用于碼頭工程中［6］，設(shè)計(jì)人員考慮了卸荷板對下墻的減壓作用，能對下墻土壓力起到遮簾作用，發(fā)揮卸荷的作用，但不考慮卸荷板對墻身產(chǎn)生的彎矩，故不影響下墻的彎矩分布，因而卸荷板的效果不能完全發(fā)揮。

衡重式樁板擋墻利用衡重臺的卸荷作用，減小了卸荷板下墻的土壓力，與下墻整體澆筑的卸荷板對肋柱提供一個與土壓力作用相反的彎矩，改變下部擋墻的彎矩分布，優(yōu)化了擋墻的內(nèi)力分布。

卸荷板下的土壓力分布情況較復(fù)雜，在卸荷板剛度較大的情況下，卸荷板變形較小，板上土壓力不能傳到板下，卸荷板下部擋墻相當(dāng)于在卸荷板寬度B外側(cè)作用有均布荷載的擋墻，采用局部荷載作用下墻背的土壓力分布形式，如圖2所示。墻后土壓力在 c點(diǎn)處突變，一直影響到深度d處。圖2中的θ角在文獻(xiàn)［2］中取(45°+φ/2)，在文獻(xiàn)［5］中則從工程經(jīng)驗(yàn)與計(jì)算簡易性考慮取45°。

圖2 填土表面有局部荷載作用下土壓力分布

2 工程應(yīng)用

2.1 工程概況

深圳地區(qū)的地勢東南高、西北低，屬于丘陵、臺地地貌，市內(nèi)有眾多的住宅小區(qū)邊坡支擋結(jié)構(gòu)。擬建的深圳地鐵三號線運(yùn)營配套公寓與培訓(xùn)基地邊坡支擋工程位于龍崗區(qū)橫崗街道，場地北側(cè)邊坡高差約10 m，為了充分利用建筑紅線內(nèi)土地，北側(cè)邊坡采用直立式擋墻。

2.2 場地工程地質(zhì)條件

場地原始地貌單元為谷地，現(xiàn)狀地表為填土。地層從上到下性質(zhì)及參數(shù)見表1。

表1 地層參數(shù)

本工程設(shè)計(jì)中，為了減小墻后土壓力，降低墻身的內(nèi)力，墻后填料選用粗砂石料［2］，材料的重度 γ=18 kN/m3，材料內(nèi)摩擦角 φ=36°。結(jié)構(gòu)布置斷面形式如圖3所示。墻后土壓力計(jì)算中采用砂石料的土工參數(shù)，整體穩(wěn)定性計(jì)算中采用原位地層土工參數(shù)。

圖3 現(xiàn)場擋墻布置示意

2.3 結(jié)構(gòu)選型

抗滑樁采用人工挖孔樁，擬定樁徑為1.4 m，樁距2.4 m。

上墻的彎矩較小，初定上墻高h(yuǎn)1=4.0 m。下墻高h(yuǎn)2=6.0 m，由肋柱承擔(dān)彎矩，肋柱內(nèi)側(cè)設(shè)有擋土板，按水平單向板計(jì)算。卸荷板寬度 B=3.5 m，厚度0.5 m，按水平單向板計(jì)算。

冠梁截面0.8 m×1.5 m(高×寬)，冠梁頂面與地面平齊。

樁長取H=7.0 m。

擋墻尺寸參數(shù)依據(jù)經(jīng)驗(yàn)取值，通過建立模型計(jì)算后可進(jìn)行一定程度的優(yōu)化。

擋墻為鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，計(jì)算參數(shù)參考勘察資料及設(shè)計(jì)規(guī)范。

2.4 結(jié)構(gòu)計(jì)算

2.4.1 土壓力計(jì)算

衡重式樁板擋墻的上墻水平土壓力采用朗肯主動土壓力，卸荷板上豎向土壓力為填土自重加地面荷載P。

下墻水平土壓力考慮卸荷板的卸荷作用，對下墻而言視為卸荷板右側(cè)作用均布荷載，采用填土表面有均布荷載的土壓力計(jì)算方法［3］，此處應(yīng)力擴(kuò)散角采用較為常用的45°［5］。地面均布荷載取 P=20 kPa。荷載及節(jié)點(diǎn)彎矩如圖4所示。其中:E1為上墻水平土壓力，E2為卸荷板下土體對下墻水平土壓力，E3為卸荷板右側(cè)土體對下墻土壓力，E4為卸荷板上豎向土壓力;M1u、M1r、M1d分別為卸荷板端部點(diǎn) 1處擋墻上側(cè)、右側(cè)、下側(cè)的彎矩，M2u為肋柱與冠梁交點(diǎn)2處擋墻上側(cè)彎矩;h′2為卸荷深度。

圖4 衡重式樁板擋墻荷載及節(jié)點(diǎn)彎矩

各項(xiàng)土壓力的計(jì)算

式中，Ka為主動土壓力系數(shù)。

2.4.2 擋墻節(jié)點(diǎn)的彎矩計(jì)算

上下墻連接點(diǎn)1和冠梁頂點(diǎn)2處(圖4)彎矩的計(jì)算

2.4.3 采用sap2000計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力

樁前抗力采用彈性地基梁m法

其中，φ、c分別為土層的固結(jié)不排水剪的內(nèi)摩擦角和黏聚力標(biāo)準(zhǔn)值;Δ為基坑底面位移量(mm)，無經(jīng)驗(yàn)值時，一般取10 mm。經(jīng)計(jì)算粉質(zhì)黏土中 m取12 000 kN/m4，而全風(fēng)化凝灰?guī)r的m值可根據(jù)地質(zhì)勘察報(bào)告取30 000 kN/m4。

衡重式樁板擋墻為新型支擋結(jié)構(gòu)，現(xiàn)有的有限元軟件如中國建筑科學(xué)研究院基坑與邊坡支護(hù)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)軟件及理正巖土設(shè)計(jì)軟件均無法考慮卸荷板的作用，本次設(shè)計(jì)采用sap2000結(jié)構(gòu)有限元軟件計(jì)算，對結(jié)構(gòu)施加已知荷載來計(jì)算結(jié)構(gòu)內(nèi)力，計(jì)算模型如圖 5(a)，結(jié)構(gòu)彎矩如圖5(b)。

圖5 sap2000計(jì)算擋墻荷載分布及彎矩

2.4.4 采用G-slope計(jì)算擋墻整體穩(wěn)定性

計(jì)算結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，現(xiàn)有的基坑及邊坡軟件無法考慮卸荷板的增穩(wěn)作用，現(xiàn)采用G-slope計(jì)算結(jié)構(gòu)整體穩(wěn)定性，土層參數(shù)取用地層原狀土體參數(shù)，計(jì)算整體穩(wěn)定系數(shù)為1.8，滿足規(guī)范要求，結(jié)果如圖6所示。

圖6 擋墻整體穩(wěn)定計(jì)算結(jié)果

3 影響因素分析

施工工序如下:放坡開挖→施工人工挖孔樁→施工冠梁→整體澆筑肋柱及擋土板→整體澆筑卸荷板及上部擋墻。

3.1 考慮施工工況的影響

當(dāng)填土到卸荷板下，施工卸荷板和上部擋墻時，驗(yàn)算如下:

當(dāng)肋柱和擋土板澆筑，墻后回填到卸荷板下表面時，擋墻為懸臂狀態(tài)，為不利工況，應(yīng)驗(yàn)算擋墻肋柱的彎矩是否滿足結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)抗彎強(qiáng)度。此時不考慮地表附加荷載，墻后土壓力為

冠梁頂部2點(diǎn)上側(cè)彎矩為

擋墻要滿足施工工況和正常使用狀態(tài)的強(qiáng)度要求，須有

經(jīng)計(jì)算，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)滿足此項(xiàng)要求。

3.2 考慮外荷載P的影響

外荷載P為可變荷載，設(shè)計(jì)時按照20 kPa計(jì)算。P對結(jié)構(gòu)的上墻和卸荷板為不利荷載，增加了這部分的內(nèi)力。對于卸荷板下墻體，荷載P對冠梁頂部2點(diǎn)處產(chǎn)生的正彎矩和負(fù)彎矩分別為

經(jīng)過驗(yàn)算，得

可見，本工程中外荷載P對擋墻下部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生的負(fù)彎矩大于正彎矩，為不利荷載。

4 結(jié)語

衡重式樁板擋墻作為直立式支擋結(jié)構(gòu)，克服了錨拉式樁板擋墻對墻后錨索施工空間要求高、錨索長期工作的應(yīng)力松弛及錨索防腐等問題，在城市空間愈發(fā)狹小的情況下，有很大的應(yīng)用價值。設(shè)計(jì)中不僅要按照正常使用狀態(tài)驗(yàn)算結(jié)構(gòu)強(qiáng)度，而且要考慮施工工況，校核不利工況下的結(jié)構(gòu)強(qiáng)度。它作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，其受力及變形情況還沒有成熟的計(jì)算方法，本文所采用的只是衡重式擋墻和樁板擋墻計(jì)算方法的簡單疊加，墻后土壓力的分布沒有考慮擋墻位移的影響，也沒有考慮墻土相互作用對結(jié)構(gòu)內(nèi)力的影響。衡重式樁板擋墻受力及變形特征有待試驗(yàn)驗(yàn)證。

［1］劉國楠.深圳地鐵三號線運(yùn)營配套公寓與培訓(xùn)基地邊坡支擋工程［Z］.深圳:中國鐵道科學(xué)研究院深圳研究設(shè)計(jì)院，2009.

［2］陳仲頤，周景星，王洪瑾.土力學(xué)［M］.北京:清華大學(xué)出版社，1994.

［3］楊位洸，地基及基礎(chǔ)(第三版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，1988.

［4］尉希成，周美玲.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(第二版)［M］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

［5］GEORGIADIS M，ANAGNOSTOPOULOS C.Lateral Pressure On Sheet Pile Wall Due To Strip Load［J］.Journal Of Geotechnical And Geoenvironmental Engineering，1998(1):95-98.

［6］孫經(jīng)龍.帶卸荷板空心方塊碼頭設(shè)計(jì)中若干問題探討［J］.水運(yùn)工程，1981(7):33-34.