关于钢筋混凝土变异挡墙应用的探讨

林 涛 黄慧君

在工程实践中,我们经常会遇到需要设置挡土墙的情况。本文主要是通过理论分析和比较适用范围接近、较有可比性的圬工挡墙和钢筋混凝土挡土墙,特别是变异挡墙各自的特性和优缺点,并结合实践(工程实例)探讨变异挡墙的应用,希望能为广大设计工作者提供一点值得参考或借鉴的设计思路。

1 圬工挡墙和钢筋混凝土挡墙的理论分析和比较

圬工挡墙按照墙背形式的不同,可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线或衡重式五种。根据挡土墙的标准图并结合设计工作中的经验,在一般情况下,墙身高不大于4 m时通常采用圬工挡墙,墙身高超过6 m时再用圬工挡墙将不经济且不安全,故不宜用圬工挡墙而应该采用钢筋混凝土挡墙,且宜采用扶壁式挡土墙。在4 m～6 m范围内一般采用悬臂式挡土墙。墙身高在这个范围内的挡墙是最多见的,设计工作中经常会碰到,也正是本文要重点讨论的,即此时应该采用何种形式的挡墙。即使是指定了4 m～6 m的范围,因为墙趾处的地形、地质、水文等条件千差万别,不可能有完全一模一样的挡土墙构造。所以,我们要具体问题具体分析,需要更多、更慎重的思考和比较,不能一概而论。

2 钢筋混凝土变异挡墙的形式和一般构造要求

在墙身高4 m～6 m范围内,通常采用钢筋混凝土悬臂式挡土墙。一般的悬臂式挡墙是由墙身、墙趾板、墙锺板三部分组成,其形式和一般构造尺寸见图1。当然,在实际应用时的具体尺寸应通过验算后确定。墙身的面坡通常采用1∶0.02～1∶0.05,背坡则可直立。墙身顶部的最小宽度为15 cm。墙身、墙趾板和墙锺板内的钢筋布置需要通过计算确定,并应满足规范要求。

其实上述构造要求只是一个弹性框架,具体的需要我们自己把握。对一个具体的挡土墙工程来说,我们要充分考虑到墙址处的各种影响因素或者约束。为了满足它的各种要求,我们可以在充分理解规范,确保安全的前提下对挡土墙的各部尺寸进行灵活的调整,而不是死搬规范。下面我们将结合工程实例来共同探讨一下变异挡墙的灵活应用。

3 工程实例

某桥原设计上部构造为2×13 m简支钢筋混凝土空心板,下部构造采用钢筋混凝土薄壁轻型桥墩,3φ1.2 m钻孔灌注桩基础,3φ1.2 m桩基接盖梁桥台。施工时由于施工单位未能充分理解设计意图,盲目开挖河床以及其他原因,原设计紧挨地面线的桥台盖梁底面高出目前实际河床地面线达4 m之多。地面线变化前后桥梁的立面如图2所示。

图2中虚线所示地面线为原设计地面线,实线为变化后的地面线。可以看出,在这种情况下如果继续按照原设计图纸施工,台后填土将无法稳定,桥台桩基的受力状态也会受到较大影响。从现场勘察的实际情况和施工进度来看,当时0号桥台设计15 m长的桩基只余下不到4 m的出土部分未浇筑,1号桥墩桩基已按设计全部浇筑完毕,2号桥台的三根桩基按设计长15 m也已经浇筑完毕,桩顶到地面的高差近4 m。为了支挡两岸桥台桩顶至地面近4 m高差的台后填土,承担其产生的土压力,必须结合原设计和实际的施工进度情况重新考虑桥台的构造,进行变更设计。顾及原设计的桥台桩基是直接与盖梁连接,可以说几乎不考虑台后土压力,其强度、配筋很难满足承受台后土压力的要求,故此台前必须设置既不侵占河道,又能承担台后土压力的构造物,即挡土墙。此挡土墙需设置在桥台盖梁下,其临水面需直立。墙后的台背填土顶面要比挡墙顶面高出盖梁加背墙的高度约1.6 m。为了保证有一定的埋置深度,墙身高约为4.5 m。如果采用圬工挡墙中的俯斜式挡墙,在填土高6 m多的情况下,其基底承载力要达到300 k Pa。但是根据地质报告,在目前地面线下1.5 m～5 m范围内均为碎石,其承载力容许值仅有260 k Pa,虽然碎石层下面的强风化粉砂岩承载力容许值可达400 kPa,但是圬工挡墙不可能埋深5 m以上,因为其体积如此庞大,施工时势必会影响桥台桩基的稳定性,且还未计及其造价的昂贵。因此采用圬工挡墙的方案是不可行的,这时我们想到了钢筋混凝土挡墙。

考虑保持桥台桩基接盖梁构造不变,在桥台盖梁下、桩基间设置钢筋混凝土悬臂式挡墙,挡墙面坡(临水面)需齐平桩基向河心的最外边缘线。但是考虑台后填土完全由挡土墙承担,故此挡土墙与桩基间应断开。而基底持力层为碎石,其承载力容许值仅为260 k Pa,偏小。我们需根据这些约束条件来进行计算。

从计算可以看出,必须对初拟尺寸进行针对性的调整,尽量将基底最不利应力减小到260 k Pa以下。

根据分析,我们可以通过以下方式调整以使设计更趋合理:将墙身厚度由1.2 m减为0.6 m,墙身高由4 m改为 4.5 m,墙趾板和墙锺板的厚度由1.5 m改为1.2 m,并将它们均加长到2.8 m,在墙趾板和墙锺板下各增设一条0.5 m宽、0.6 m高的抗滑齿(凸榫)。下面我们再根据调整后的尺寸,按照前述同样的步骤进行挡墙自身稳定性和基底承载力的验算。

验算结果表明,我们的调整是成功而有效的,设计是可行的。如果下一步就按照既定尺寸对挡墙自身进行强度验算,进行结构配筋设计、钢筋布置等细部工作也是可以的,但是笔者认为设计可行并不代表它就没有缺陷,就没有进一步优化的可能性。

所以,我们要再审视一下原定的设计,考察它是否绝对安全,是否有遗漏的不利因素,它的用材是否省,施工难度是否大等等。通过这样的自我审查,确定拟定的尺寸合理后,就可以放心大胆地进行挡墙自身的强度验算,计算挡墙各部构造受力最不利的截面,进行配筋设计、钢筋布置等细部设计等等。

在本例中,还有一个需要注意的问题就是抗滑齿(凸榫)的设置,它应该设在何处为最佳,又如何进行计算,分析挡土墙在墙后填土压力作用下变形的趋势是整体滑移和绕墙趾板边缘转动,墙下最大应力发生在墙趾板边缘处,那么抗滑齿是否就设置在此处。根据前述带齿混凝土底板与地基土之间抗滑试验分析齿墙与土体的相互作用,增设齿墙后改变了底板与地基土的接触面及基底应力分布,目前还没有能精确表述出齿墙的受力状态及应力分布的理论和计算公式。为简化计算,在齿墙不太高(1 m以下)时可以偏安全地将其视作悬臂构件,墙后土推力由墙身传递到基底后由齿墙对墙一侧土的被动土压力平衡,则齿墙上也会受到同样大小的反作用力。分析土体的应力状态,在墙趾板下的土体应力显然要比外围土体大,对有利于抗滑的土体被动土压力能起到增益作用,而且挡土墙基底应力分布偏向于墙趾板下,故此抗滑齿应该布置在墙趾板下,与墙趾边缘和墙锺板都应有一定的距离,一般到墙趾边缘的距离与墙趾板的长度在一定的比例范围内(1/4～1/2)较为合理。

最终经过反复的计算和研究,此桥的变更设计在保持桥台桩基接盖梁构造不变的情况下,在桥台盖梁下、桩基间设置钢筋混凝土变异挡墙,其形状呈倒“T”形。

4 变异挡墙应用时应注意的问题及处理方法

变异挡墙在工程实践中是大有用武之地的,只是在具体应用时还需注意以下问题:1)采用薄壁变异式挡土墙时,对墙后填土的计算宜按楔形计算。2)当地基应力值偏大时,也可采取拉锚锁定的方式,减小水平推力。具体做法是:在墙体H/2高度处设拉锚筋与填土侧的锚块连接,锚块尺寸为1.5 m×0.75 m×0.2 m,取上下两个摩擦面,摩擦系数为0.2,锚块上填土厚度为2.0 m,则每个锚块可增加2.0 t的摩擦阻力,有效地改善了地基应力值和抗滑的问题。3)设计阶段对施工阶段的工程质量提出具体要求:a.基础开挖后要及时填筑,以免因地基回弹产生负面影响。b.如果墙背侧需设置反滤层及排水口,就要保证其体积及粒径要求,防止土、料混合使用等。

5 结语

钢筋混凝土变异挡土墙钢筋由于采用了受压、弯、拉、剪性能同样好的钢筋混凝土材料,可以应用在各种情况复杂、有特殊要求的场合,有比圬工挡墙更好的适应性。实践证明,钢筋混凝土变异挡土墙具有抗倾、抗滑、平衡地基应力值、降低工程造价的特点,值得推广应用。

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