卸荷平台在空箱式挡土墙中的应用比较

唐 洁

（上海勘测设计研究院 200434）

1 前言

挡土墙在水电站、水闸、泵站及各种渠系建筑物工程中有着广泛的应用，几乎在所有的水工建筑物设计中都会遇到挡土墙的设计内容。水工挡土墙有多种结构型式,其主要和常用的结构型式有重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶臂式、U形结构、板桩式和空箱式等。在墙后挡土较高的土质地基往往采用空箱式，通过调节空箱内的填土可以减少地基平均应力及应力比。

因墙后挡土高度大，产生的土压力较大，设计时往往将底板加宽，这将增大基底的开挖宽度，扩大开挖的影响范围，增加工程量。如果将卸荷平台应用于空箱式挡土墙中，可以大大减少墙后土压力，在保证工程安全的条件下，达到减少底板宽度、节约工程量的目的。

下面以某工程的下游空箱式翼墙为参照，按照相同的设计参数分析卸荷空箱式挡土墙，并计算工程量。

2 基本资料

2.1 地质资料

某泵站进水池宽50.7m，底板顶高程3.85～5.00m，两岸填土高程为16.00m。进水池两岸直线对称布置下游翼墙，下游翼墙底板顶高程设为4.00m，底板厚0.7m，墙后挡土高度为12.7m。属1级建筑物。

底板地基土为⑦层粉质粘土，粘聚力C=41kPa、内摩擦角φ=15°。墙后采用混合土回填，填土指标见表1。空箱内填土按未压实考虑，取17kN/m3。

2.2 计算工况及水位组合

工程位于6度地震区，根据以往工程经验分析，选取低水位、完建期作为控制工况。对结构进行稳定分析，计算工况及水位组合见表2。

表1 墙后回填土基本资料

表2 计算工况

3 原空箱挡土墙设计

3.1 设计剖面

原方案下游翼墙为普通空箱式翼墙，空箱内填土至高程12.00m，空箱前墙和后墙的排水孔用排水管连通，空箱内不进水。设计平、剖面图见图1。

3.2 设计荷载计算

完建期的荷载包括自重、土重和墙后土压力，低水位工况的荷载包括自重、土重、水重、静水压力、扬压力和土压力。荷载简图见图2，计算结果见表3。

4 带卸荷平台空箱挡土墙设计

4.1 设计剖面

为减少墙后土压力，带卸荷平台的空箱式挡土墙在原方案的临土侧悬挑出卸荷平台。为减少空箱的地基承载力，便于调节地基应力比，以卸荷平台以下、底板以上部分作为空箱，空箱临水侧设通水孔和排气孔，临土侧设排水孔，在运行工况下空箱内可进水，以调节不同工况下地基的应力比和抗滑稳定安全系数。根据设计低水位，考虑卸荷平台下部空箱运行期内全部充水，卸荷平台的底面高程为10.5m，板厚0.5m。通过计算，将底板调至13m宽，底板厚度与原空箱相同。设计平、剖面图见图3。

图1 下游翼墙平、剖面图（空箱式）

表3 下游翼墙（单米）荷载计算结果 单位：kN

根据朗肯土压力理论，当挡土墙背离土体移动时，墙后填土内将相应地产生剪力，墙后土体中的应力处于主动极限平衡状态，土体内产生的剪切面（破裂面）与水平面的夹角θ＝45°+φ/2（φ为墙后填土内摩擦角）。为达到完全卸荷的目的，卸荷平台悬挑出长度为 L＝H挡土tan（45°－φ/2）＝6.7×tg（45°－25°/2）＝4.27m，取4.3m。

图2 下游翼墙荷载图（空箱式）

4.2 设计荷载图

在计算土压力时（见图4），平台以上Hl高度内，可按朗肯理论计算土压力分布。由于平台以上土重已由卸荷台承担，故平台以下墙背所受的主动土压力只与平台以下填土重量有关。故平台下的土压力为

式中 γ——墙后填土容重，地下水位以下取浮容重；

H2——卸荷平台下的挡土高度；

Ka——朗肯主动土压力系数。

完建期与低水位工况下作用在挡土墙上的荷载类别与原普通空箱相同。荷载简图见图5，计算结果见表 4。

5 稳定及地基应力计算对比分析

基础底面与土质地基之间的摩擦角φ0＝0.9φ（φ为地基土内摩擦角）；基础底面与土质地基之间的粘聚力C0＝0.25C（C为地基土粘聚力）。两方案计算的稳定及地基应力计算结果见表5、表6。

图3 下游翼墙平、剖面图（卸荷式）

图4 带卸荷台的挡土墙土压力

表4 下游翼墙（单米）荷载计算结果 单位：kN

从计算结果可知，与普通空箱挡土墙相比，卸荷式空箱挡土墙抗滑稳定安全系数更大，平均地基应力小。虽然卸荷式应力比超过允许值，但挡土墙重心偏临土侧，在考虑被动土压力的情况下，亦可满足要求。

图5 下游翼墙荷载图（卸荷式）

表5 稳定及地基应力计算结果（空箱式）

表6 稳定及地基应力计算结果（卸荷式）

6 工程量计算对比分析

根据当地施工经验，土方开挖边坡为1∶3。钢筋按照含筋率80kg/m3计算。通过计算可知，卸荷式方案单米工程费用比原空箱式方案节省7%。工程量计算见表7、表 8。

7 结语

通过计算对比可以看出：在完全卸荷的情况下，带卸荷平台的空箱挡土墙能将墙后土压力减少近50%，底板的宽度减少3m，工程费用节约7%。卸荷式方案在同等条件下优于空箱式方案，尤其是在施工场地受到限制的情况下，则更显优越性。

表7 下游翼墙单米工程量（空箱式）

表8 下游翼墙单米工程量（卸荷式）