高大挡墙带矿仓结构分析

孔令炬

紫金（厦门）工程设计有限公司（361005）

0 前言

对于一些露采矿山，矿石通过汽车运输至粗碎车间进行粗碎。为方便汽车倒矿，常利用现有地形高差形成倒矿平台，在平台临空面设置挡墙。挡墙靠土一侧带矿仓用于储矿，因此形成这种特殊的挡墙带矿仓的结构形式。

1 结构简图

本案例采用扶壁式挡墙带矿仓方案。挡墙剖面如图1所示，挡墙底板如图2所示，矿仓为角锥形漏斗如图3所示。

图1 挡墙剖图

图2 挡墙底板

图3 矿仓为锥形漏斗状

2 结构分析

2.1 土压力计算

根据挡墙受力特点可知，土压力为主动土压力。由《建筑地基基础设计规范》[1]（以下简称《地规》）第6.7.5 条，主动土压力Ea=（1/2）ψaγh2ka。 需注意其中的两个系数:主动土压力增大系数ψa和主动土压力系数ka。

由《地规》第6.7.3条条文说明可知，对于高大挡土墙（指墙高大于5m），通常不允许出现达到极限状态时的位移值，因此在土压力计算式中计入增大系数ψa。挡土墙高度小于5m时ψa宜取1.0，高度5～8 m时宜取1.1，高度大于8 m时宜取1.2。

对于地震区挡土墙，主动土压力系数Ka需按《构筑物抗震设计规范》[2]（以下简称 《构抗规》）第25.2.2条的规定采用主动地震土压力系数KEa。

2.2 扶壁式挡墙计算

2.2.1 稳定性验算:按《地规》第6.7.5条进行验算

抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性验算时需注意，当矿仓为空仓时为最不利状态。验算过程中抗倾覆力矩计算稍微复杂些，计算时可对土体和挡墙进行分块和编号，分别算出各块的重量及到墙趾的距离，相乘后代数相加即可得抗倾覆力矩。

整体滑动稳定性可采用圆弧滑动面法进行验算。这个手算比较麻烦，一般配合电算完成。

地基承载力计算可按《地规》5.2节进行，但基底合力的偏心距不应大于0.25倍基础的宽度。计算基底压力时主要难点在于基础底面的抵抗矩W的计算，可根据图2计算出挡墙底板形心，求出形心后通过移轴公式便可算得基础底面惯性矩Ix。当偏心距 e＜b/6 时，采用式 Pk=（Fk+Gk）/A+M×Lx/Ix。 当偏心距 e＞b/6 时，采用式 Pkmax=[2（Fk+Gk）]/3La。 算得的基底反力用于校核地基承载力是否满足要求，乘相关系数后可用于挡墙底板配筋计算。

2.2.2 挡墙立板计算

立板为三边固定、一边自由的板。作用于其上荷载为水平方向上的土压力（有地下水时还有水压力）。计算时，可将立板划分为上、下两部分，在距底板顶面1.5L1（L1为两扶壁之间净距）高度以下的立板，视为三边固定、一边自由的双向板。而以上部分则可沿高度将其划分为单位高的水平板带，以扶壁为支座，按水平单向连续梁计算，作用其上的均布荷载取水平方向土压力的平均值。

上部水平单向连续梁内力可按下式计算:

跨中弯矩:M中=

扶壁处的端部固端弯矩:M端=

扶壁处的端部最大剪力:V端=

式中，M中，M端——板带跨中，扶壁处端截面弯矩；Pi——立板上部某单位宽板带内的平均土压力；L1——两扶壁间净距。

板的下部为三边固定、上边缘自由的矩形板。在梯形荷载作用下，内力计算可查静力手册,分别算出均布荷载和三角形荷载作用下的内力，然后进行叠加。

2.2.3 挡墙扶壁计算

扶壁与立板共同作用组成T型截面。按T型截面悬臂梁计算，T型截面高度和翼缘板厚度均可沿墙高变化。因墙身自重及扶壁宽度上的土重产生的压力很小，常略去不计。故T型截面悬臂梁一般不按偏心受压构件计算，而是按受弯构件计算。由悬臂梁弯矩分布图可知，扶壁配筋沿墙高可分段减少，通常每5 m取一段。

2.2.4 挡墙墙趾板和墙踵板计算

墙趾板按悬臂板计算，墙踵板计算则需考虑下列两种情况:

墙踵板净宽L2与扶壁净距 L1之比 L2/L1＜1.5时，按三边固定、一边自由的双向板计算。在梯形荷载作用下，内力计算可查静力手册,计算出均布荷载和三角形荷载作用下的内力，然后进行叠加。

若L2/L1＜1.5时,则同立板，距立板1.5L1范围的板按三边固定、一边自由的双向板计算。以外部分，按单向连续梁计算。

对立板、扶壁、墙趾板和墙踵板更详细的介绍，可查阅参考文献[3]。

2.3 矿仓验算

2.3.1 矿石对矿仓的压力计算

需根据矿仓内的贮料高度（hn）与矩形筒仓短边（b）之比确定，hn/b＜1.5为浅仓，否则为深仓。两者区别在于，浅仓贮料与仓壁的摩擦力较小，计算中可不考虑，而深仓则需考虑。对矿仓压力计算更详细的描述可查阅参考文献[4]。

2.3.2 仓底角锥形漏斗计算

仓底角锥形漏斗的受力分析是矿仓的难点，从受力特点可知漏斗壁是拉弯构件。

拉力:漏斗壁在贮料法向压力（Pn）及自重作用下，对相邻漏斗壁产生水平拉力Nh，对本身漏斗壁产生斜向拉力Nm，如图4所示。

平面外弯曲:漏斗壁在贮料法向压力（Pn）及自重作用下产生平面外弯曲。计算漏斗壁弯曲时，相邻漏斗壁以及漏斗壁与仓壁之间按固端考虑，卸料口处按简支考虑。另需注意对梯形漏斗壁平行边的短边（a1）与长边（a）之比，当 a1/a＜0.25 按三角形板计算。当 0.25＜a1/a＜0.5 时，按梯形板计算。当 0.5＜a1/a＜1.0时，可简化为矩形板计算，如图4所示。

根据角锥形漏斗的上述受力特点，漏斗壁的水平钢筋面积，由水平拉力和该方向的平面外弯矩，按偏心受拉构件进行计算；漏斗壁的斜向钢筋面积，由斜向拉力和该方向的平面外弯矩，按偏心受拉构件计算。另需注意，当漏斗壁与仓壁及相邻漏斗壁的交接处有不平衡弯矩时，可将不平衡弯矩分配给相邻壁，相应调整跨中弯矩。一般情况下，不平衡弯矩小于20%时，可不作调整而取其大者进行配筋计算。当不平衡弯矩大于20%时，近似取平均值进行配筋计算。

图4 仓底角锥形漏斗

3 结语

文章以实际案例论述了高大挡墙带矿仓的设计过程及结构特点。对这种特种结构一般无相应的计算软件进行计算，因此在设计过程中，需根据结构方案、受力特点和相关的手册进行手算。为方便修改及对比分析，可借助EXCEL将分析计算过程编成EXCEL计算书。这样修改某些数据便能立刻得到结果，判断修改后方案是否更优、更合理。