箱式挡墙的应用研究

潘升树，谭智杰

（1.重庆市江北区城市建设发展集团有限公司，重庆 400000；2.中机中联工程有限公司，重庆 400039）

0 引言

市政道路穿越城市建筑密集区，周围复杂环境对市政道路的修建影响很大，特别是地下空间的建构筑物[1]，限制了路基支挡结构形式的选择；邻近的建筑物基础，用地范围的地下管网，现状挡墙等都是在选择合适的支挡结构过程中需要考虑的因素。如何在有限的用地范围内最大限度的利用地下空间，保证市政道路的实施，同时对周边建构筑物不造成影响，是路基支挡结构设计需要考虑的问题。

近年来，重力式挡墙、悬臂式挡土墙、锚杆挡墙、桩板挡墙[2-4]等传统的支护结构在工程设计中得到了较多的应用。然而挡墙基础开挖受到周边建构筑物的限制，并且挤占市政管道布置空间。北大道工程道路建设范围内存在现状的加筋土挡墙，周边邻近建筑物，在路基支挡设计过程中，既要考虑现状加筋土挡墙的影响，又要保证路基下新建管网的通行。基于以上论述，传统的支护形式不能满足目前的实际工程需要，因此，有必要开展系列而深入的研究工作，为城市地下空间的结构设计提供参考。

本文基于北大道道路建设项目提出一种市政道路新型挡墙—箱式挡墙[5-7]，其优点在于箱式结构自重轻，替代原挡墙上部结构，减小原挡墙土压力，使原挡墙稳定安全；同时内部空间可保证管网通行的要求，尺寸布置灵活，能很好满足市政工程的复杂空间关系，适用于场地环境复杂的市政工程。

1 工程概况

富力海洋小区配套道路工程位于观音桥商圈北大道终点隧道出口南侧，接富力海洋广场，道路路基部分位于既有加筋土挡墙上方，路基范围侵占现状建筑悬挑结构。本文的箱式挡墙顶部为4m宽辅道，左侧临空面为市政支路，左侧部分挡墙顶部位于地面以下约1.1m，底部位于道路下约4m处。右侧完全临空，挡墙底部及左侧填土均采用加筋挡墙治理，挡墙高约12.0m，全长为57.62m，如图1所示。

图1 箱式挡墙典型设计（单位：cm）

2 结构模型

箱式挡墙的结构计算有两种计算方式，分别为单构件计算和整体建模计算。本文依据实际工程案例，采用有限元分析软件Midas建立箱式挡墙模型[8-9]，结合岩土的基本参数及勘察设计报告进行分析计算。

2.1 模型的建立

有限元建模选取最不利断面，考虑结构的物理特性，选取箱式挡墙在纵向1m长度建模。结构均采用空间梁单元模拟，支座采用节点弹性支承模拟，各类荷载采用线性荷载的方式加载。

在建立有限元模型时，为较准确模拟结构受力每个单元划分不超过1m。箱涵结构断面共离散为98个节点，101个单元，如图2所示。

图2 有限元建模

2.2 边界条件

考虑实际受力情况，土对结构的作用通过节点弹性支承模拟。节点支承的刚度值K=abmz，a为各土层厚度，b为基础的计算宽度，m为地基土的比例系数，z为各土层终点距离地面的距离，取a=1m，b=1m，m=20000kN/m4。

2.3 结构静力计算分析

在结构静力计算中，下文分别给出了箱涵结构在永久作用、可变作用、基本组合及频遇组合作用下的内力如表1所示。

表1 控制内力

3 数值计算结果分析

为验证箱涵结构设计的合理性，本文结合《公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范》（JTG 3362—2018）要求，根据数值模拟的计算结果，采用MATHCAD自编程序对控制截面进行承载能力极限状态和正常使用极限状态的验算，以此来判断本文的箱涵挡墙结构的可行性。

3.1 顶底板截面验算

3.1.1 正截面偏心受压承载能力验算

矩形截面偏心受压构件的正截面抗压承载力计算公式如式（1）～式（5）所示。

依据荷载组合中的基本组合，按式（1）～（5）对顶底板的偏心受压承载能力进行验算，其矩形截面偏心受压构件正截面抗压承载能力Nu为139900N，数值模拟计算的轴向力Nd为66100N，判别是否满足偏心受压构件正截面承载力是否满足要求如下。

通过对比计算结果，可以看出顶底板所有单元的正截面抗弯承载能力均符合要求。

3.1.2 斜截面抗剪承载能力验算

矩形截面的受弯构件，其斜截面抗剪承载力计算应符合下列要求，具体如式（6）～式（10）所示。

依据荷载组合中的基本组合，按式（6）-（10）对顶底板的斜截面抗剪承载能力进行验算，其斜截面抗剪承载能力为332.5kN，数值模拟计算的结果为222.3kN，不难看出，顶底板的所有单元的斜截面抗剪承载能力均符合要求。

3.2 侧墙截面验算

3.2.1 正截面偏心受压承载能力验算

采用荷载组合中的基本组合，按式（1）～（5）对侧墙的偏心受压承载能力进行验算，其矩形截面偏心受压构件正截面抗压承载能力Nu为565400N，数值模拟计算的轴向力Nd为279400N，通过对比计算结果，可以得出侧墙所有单元的正截面偏心受压承载能力满足要求。

3.2.2 斜截面抗剪承载能力验算

如上述步骤，依据荷载组合中的基本组合，按式（6）～式（10）对侧墙的斜截面抗剪承载能力进行验算，其斜截面抗剪承载能力为332.5kN，数值模拟计算的结果为100.4kN，不难看出，侧墙的所有单元的斜截面抗剪承载能力满足要求。

3.3 地基承载力验算

空箱式挡墙的基础持力层为人工填土，该段土层设置有土工格栅，地基承载力特征值为120kPa，基地摩擦系数为0.3，在标准组合作用下，箱式挡墙基础反力合力为917kN，上部基础反力合力为605.9kN，下部基础反力合力为311.1kN。

由此计算箱式挡墙的基底应力如下：上部基底应力N/A=605.9/（8.1×1）=74.8kPa，下部基底应力N/A=311.1/（3.3×1）=94.3kPa，偏于安全考虑，地基承载能力特征值取为100kPa，可完全满足结构地基承载力要求。

3.4 稳定性验算

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB 50330—2013）分别对箱式挡墙进行抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性验算，箱式挡墙底的摩擦系数取为0.3，计算结果如表2所示，验算结果满足要求。

表2 稳定性验算结果

4 结论

通过对箱式挡墙的计算分析及验算，可以得出以下结论。

（1）该结构的偏心抗压承载力、斜截面抗剪承载能力均满足要求。

（2）地基承载力为120kPa，该结构的地基承载能力满足要求。

（3）抗滑移和抗倾覆稳定性满足要求。

综上所述，该箱式挡墙的设计满足要求，进一步验证本项目设计是可行的。市政道路采用箱式挡墙支挡，可以很好地解决场地条件受限和经济性的问题，既保证了路基的实施，又能使市政管网从箱体内部正常通行，同时削减了下部结构荷载，减小其内力，使其更加安全稳定。