特殊条件下挡土墙的变形和强度控制设计

2013-07-04 08:42:22张智亓兴军魏焕卫

山东建筑大学学报 2013年6期

张智，亓兴军* ，魏焕卫

(1.山东建筑大学交通工程学院，山东济南 250101;2.山东建筑大学土木工程学院，山东济南 250101)

0 引言

在许多城市建筑物建设过程中，由于场地地势差别较大，需要设置挡土墙来抵抗侧向土压力，防止墙后土体变形失稳，保证建筑物或者边坡的安全。为了适应不同地区的建筑条件(如地基、地形等)和不同的使用要求(如建筑高度、稳定性等)，研究开发了多种形式的挡土墙，如悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚定板式、锚杆式、土钉式、及卸荷板式等，但在特殊工程要求下，这些常规挡土墙并不能满足构造上的要求，需要结合具体情况对挡土墙进行特殊处理，随之而来的就是对挡土墙基础的要求。大量学者对特殊工程条件下的挡土墙进行了研究，廖翱等针对西部地区特殊地质环境采用挡土墙、托梁以及桩基结合起来的一种新型支挡结构［1］;肖化文等提出了浸水条件下挡土墙的设计计算［2］;郭军辉等对暴雨条件下的自嵌式加筋挡土墙的稳定性进行数值模拟分析［3］;慕洪生提出了在坡度陡峭的地形上采用悬臂式钢筋混凝土的高边坡挡土墙［4］;赵培清为防止填土或山坡土体坍塌、滑移设计出了桩基托梁挡土墙［5］。文章针对场地范围有限、需跨越管线等复杂环境条件，应用变形和强度双控设计的思想，对挡土墙及其基础进行了设计和计算。

1 工程概况

1.1 场地工程概况

济南某高校运动场东南角部位隧道出入口南侧需要建设挡土墙，但挡土墙底部位置有两个接线箱，从接线箱出来的管线需要在拟设置挡土墙底部通过(如图1 所示)，因此挡土墙的设计需要保证管线的安全以及其自身的稳定性。

图1 运动场东南角改造后平面图

1.2 场地岩土工程条件

现勘察范围内，场地地层由第四系冲～洪积形成的黄土状粉质粘土、粘性土、碎石土及残积土组成，上覆一定厚度的近期人工填土，下伏白垩系闪长岩。其中:①素填土(Qml):黄褐色，稍湿，松散，主要成分为粘性土。层底深度0.20～2.40 m。②黄土状粉质粘土(Q3+4al+pl):黄褐色～褐黄色，硬塑～坚硬，层厚0.40～2.30 m。③粉质粘土(Q3+4al+pl):黄褐色～褐黄色，可塑，层厚1.70～5.10 m。④粘土(Q3al+pl):浅棕红色，硬塑，层厚0.50～3.00 m。⑤残积土(Qel):灰绿色，湿，中密，层厚0.40～5.00 m。⑥全风化闪长岩(K):灰绿色，中密～密实，岩芯呈砂土状，层厚0.40～4.20 m。⑦强风化闪长岩(K):灰绿色，密实，稍湿～湿，岩芯呈粗砂状。

2 挡土墙设计的基本原则和思路

2.1 挡土墙设计的基本原则

根据地质条件以及周边环境，该挡土墙的设计的基本原则如下:(1)保证其基础底部管线的安全以及其自身的稳定;(2)由于挡土墙底部需要跨越水平管线导致挡土墙底部压力增大，可能引起较大的沉降，因此需要采取变形控制措施;(3)整个挡土墙基础范围内不同部位的荷载不同，局部甚至不受管线的影响，应给予不同考虑。

2.2 挡土墙设计的思路

(1)在两组水平管线两侧设置三个独立基础作为挡土墙基础，在三个基础之间采用钢筋混凝土地梁跨越两组管线，地梁底部标高高于管线顶部标高，且在二者的空隙之间采用弹性材料充填，避免上部荷载与管线的直接接触，从而保护了管线。

(2)在三个独立基础下设置二次压浆微型桩，减小挡土墙基础的沉降。同时根据三个独立桩基础分担荷载性质及其大小的不同采取不同的微型桩布置形式［6］。其中CT2、CT3、CT1 局部(BC 段)承受通过地梁传递过来的上部竖向和水平荷载，这些部位的微型桩按照常规桩进行设计;CT1 的AB 部分直接承受上部挡土墙传递的荷载(相对较小)，该部位的微型桩按照以减小沉降为目的减沉桩进行设计(如图2 所示)。

图2 运动场东南角挡土墙基础平面图

(3)上部挡土墙采用重力式混凝土挡土墙，同时由于功能要求，挡土墙外侧需要直立。根据不同部位的环境要求挡土墙墙背有所不同(如图2 所示)。其中AB 段采用仰斜，BCDE 段由于紧靠接线箱，其墙背采用直立。

3 挡土墙的受力和计算分析

该工程拟建挡土墙的结构单元的主要受力构件有挡土墙、地梁、承台、微型桩。下面对各个构件受力特点进行分析。

3.1 挡土墙的受力和计算

挡土墙上部主要承受由于墙后填土和坡顶地面荷载引起的土压力作用，由于墙背倾斜且不光滑，其相应的土压力根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》中的有关规定按照库仑主动土压力进行计算［7］，两端挡土墙土压力分力计算如下:

式中:δ 为土对挡土墙墙背的摩擦角，°，由于墙背粗糙且排水良好，取δ =0.5φk;φk为墙背填土内摩擦角的标准值，°;α 为挡土墙墙背的倾角，°。AB 段的α 为72.53°，BCDE 段的α 为90°(不考虑接线箱的作用);Ea为主动土压力，kN;Et为土压力水平方向的分力，kN;En为土压力竖直方向的分力，kN。

此外，AB 段每延米挡土墙均受到均布荷载q，自身的重力G 和主动土压力Ea的作用(如图3 所示);BCDE 段每延米挡土墙除受到自重和墙后主动土压力Ea的作用外，墙后接线箱与挡土墙无缝连接，其对挡土墙的作用力F 可以忽略不计(如图4所示)。

图3 AB 段挡土墙受力剖面图

3.2 地梁的受力和计算

由于地梁的跨越作用，其除了承受梁高范围内的水平土压力外，还要承受挡土墙上部结构传来的竖向力和水平力。如图5～7 所示，地梁的作用在z方向上，地梁和挡土墙自重作为均布荷载qG;在y方向上，墙后填土作用在地梁上的土压力作为均布荷载qE合，因而在地梁与三个承台的连接处会产生竖向支反力F 和两个方向的弯矩My、Mz。

图4 BCDE 段挡土墙受力剖面图

图5 地梁受力剖面图

图6 地梁整体受力立体图

图7 地梁整体受力立面图

3.3 微型桩与承台的受力和计算

图8 微型桩与AB 段承台受力剖面图

图9 BCDE 段承台受力剖面图

4 挡土墙的设计计算

4.1 微型桩的设计计算

微型桩一般采用二次压浆的方式灌注水泥砂浆或纯水泥浆。孙剑平根据实际工程的测试结果［8］，提出微型桩承载力的估算公式为

式中:Rk为单桩竖向承载力标准值，kN;li为桩周第i层土的厚度，m;u 为桩身周长，m;Ap为桩端面积，m2;ks、kp分别为微型桩桩侧摩阻力及端阻力修正系数，粘性土、粉土取1.15～1.20;砂土取1.20～1.30;碎石土取1.25～ 1.35。qs、qp按照 JGJ 94—2008《建筑桩基技术规范》中灌注桩的参数取值［9］，kPa。

按照公式(4)，根据土层分布情况可计算得到单桩承载力特征值Ra和极限值Qu，然后根据上部荷载F 通过承载力验算并根据相关规范相关要求并结合现有环境条件确定所需微型桩桩数n。

式中:Fk为荷载效应标准组合下，作用于承台顶面的竖向力，kN;Gk为承台自重标准值，kN;

图10 各承台处微型桩布置图

4.2 承台的设计计算

根据上述的计算分析，进行承台的设计，包括承台的配筋及高度。

4.2.1 配筋计算

可以把承台顶部的挡土墙及地梁等效为柱，相应的计算可以等效为柱下多桩矩形承台的配筋计算。根据GB 50007—2011《建筑地基基础设计规范》，矩形承台的配筋应按双向均匀通常布置，并满足桩基承台构造上的要求，根据GB 500010—2010《混凝土结构设计规范》［10］，满足最小配筋率(如图11 所示)。

图11 各承台配筋图

4.2.2 强度验算

假定上部结构荷载F 全部由微型桩承担，强度验算主要考虑微型桩的冲切问题及角桩对承台的冲切。相应的冲切计算公式为:

式中:Nl为扣除承台和其上填土自重后角桩桩顶相应于荷载效应基本组合时的竖向力设计值，kN;β1为角桩冲切系数;c1、c2为从角桩内边缘至承台外边缘的距离，m;a1为从角桩内边缘引45° 冲切线与承台顶面处相交点至角桩内边缘的水平距离，m;βhp为受冲切承载力截面高度影响系数，这里取1.0;ft为承台混凝土轴心抗拉强度设计值，kN/m2;h0为冲切破坏承台的有效高度，m。以承台一的角桩1 受冲切为例(如图12 所示)。