扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設(shè)計(jì)

張偉

摘要:根據(jù)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，依據(jù)規(guī)范，對(duì)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻在設(shè)計(jì)中如何選擇合理的模型、如何分析各部分內(nèi)力計(jì)算及各部位構(gòu)造要求等問(wèn)題提出的建議，可供工程設(shè)計(jì)參考。

關(guān)鍵詞:扶壁式鋼筋混凝土擋土墻;滑移穩(wěn)定;傾覆穩(wěn)定;復(fù)合樁基;

一、 適用條件和構(gòu)造要求：

當(dāng)墻身高度大于或等于8m時(shí)，若采用懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，往往墻身過(guò)厚，很不經(jīng)濟(jì)，此時(shí)若采用扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，常常能收到滿意的經(jīng)濟(jì)效果。

扶壁式鋼筋混凝土擋土墻由垂直墻身、基礎(chǔ)底板和扶壁組成，基礎(chǔ)底板劃分為外挑板和內(nèi)挑板，如圖1所示。

圖1扶壁式擋土墻

扶壁式擋土墻各部分尺寸的一般構(gòu)造要求如下：墻高H≥8m，基礎(chǔ)寬度l?。?/3-1/2）H，扶壁間距L?。?/3-1/2）H，扶壁厚度≥300-400mm，扶壁頂寬≥300-400mm，基礎(chǔ)底板外挑板厚度不應(yīng)小于200mm，基礎(chǔ)底板內(nèi)挑板厚度不應(yīng)小于250mm，垂直墻身頂部厚度不宜小于150mm，墻身底部厚度由計(jì)算確定，但不小于150mm。

為了降低水壓的影響，減少墻背面的水平壓力，墻后應(yīng)做好排水措施。當(dāng)墻后填料是砂礫土?xí)r，可以在墻背底部設(shè)置一層卵石排水層，在墻身中每隔3m左右設(shè)置10-15cm孔徑的泄水孔;當(dāng)墻后填料為粘土或其他低孔隙率土?xí)r，在墻背面應(yīng)先鋪設(shè)一層厚度為300mm以上的卵石濾水層，然后再在卵石外面分層夯填粘土。

基礎(chǔ)埋深不小于1m，凍脹類土不應(yīng)小于凍結(jié)深度以下0.25m。

擋土墻應(yīng)每隔25m左右設(shè)置一條30mm寬的伸縮縫，縫內(nèi)填瀝青麻絲或?yàn)r青木絲板。

二、 荷載及水平土壓力計(jì)算

擋土墻荷載除自重外，主要為土壓力。土壓力又分為垂直土壓力和水平土壓力，垂直土壓力的計(jì)算較為簡(jiǎn)單，而水平土壓力可采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50007—2002的公式、庫(kù)倫理論或朗金理論計(jì)算，本次設(shè)計(jì)推薦朗金理論進(jìn)行計(jì)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算及偏于安全起見(jiàn)，可忽略墻身前被動(dòng)土壓力的影響，只考慮主動(dòng)土壓力，并忽略墻身后面的填土與墻身間的摩擦力。

計(jì)算擋土墻的強(qiáng)度用設(shè)計(jì)值，計(jì)算地基承載力、滑移穩(wěn)定和傾覆穩(wěn)定時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)荷載。荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下：對(duì)于自重、土，r=1.2;對(duì)于地面均布活荷載和地下水r=1.3-1.4。

取擋土墻單位長(zhǎng)度1m進(jìn)行計(jì)算，擋土墻水平土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算（圖2）：

圖2

墻身頂部處： q1=PKtg2(45o-φ/2)(1)

地下水位頂面處：q2=[PK+rt(H1-Hw)]tg2(45o-φ/2)(2)

墻身底部處：

q3=[PK+rt(H1-Hw)+(rt-0.7rw)Hw]tg2(45o-φ/2)+rwHw(3)

式中：

Pk-地面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值(KN/m2)

rt-土的標(biāo)準(zhǔn)重度(KN/m3)

φ-墻后填土的內(nèi)摩擦角

rw-水的標(biāo)準(zhǔn)重度(KN/m3)

H1-擋土墻墻身頂面到其底面的距離(m)

Hw-地下水位頂面至墻身底面的距離(m)

三、 內(nèi)力計(jì)算

1. 垂直墻身和基礎(chǔ)底板內(nèi)挑板( 墻趾板)

均按三邊支承一邊自由板計(jì)算。

2. 底板外挑板(墻踵板)

按單向懸挑板計(jì)算

3. 扶壁

扶壁為墻身的支座，求出墻身板邊緣的剪力，就可得到扶壁所受的水平荷載，然后再按懸臂梁計(jì)算扶壁的內(nèi)力。墻身板的邊緣剪力系數(shù)可查表求得。

四、 滑移穩(wěn)定計(jì)算

按下式計(jì)算(圖3)：

[μ(Wk+Gk)cosα0+μXksinα0]/[Xkcosα0-(Wk+Gk)sinα0]≥1.3(4)

Wk=W1k+W2k

Xk=X1k+X2k

式中：

W1k--墻身自重的標(biāo)準(zhǔn)值(KN)

W2k--底板自重的標(biāo)準(zhǔn)值(KN)

Gk--底板DE段范圍內(nèi)地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值和土自重標(biāo)準(zhǔn)值之和(KN)

X1k--地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的水平壓力(KN)

X2k--土自重標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的水平壓力(KN)

μ--擋土墻基礎(chǔ)底面與地基土的摩擦系數(shù)

α0--基礎(chǔ)底面與水平面的夾角(度)，對(duì)于砂土或粘性土一般不宜大于6°，對(duì)于碎石土和巖石一般不宜大于11°。

五、 傾覆穩(wěn)定計(jì)算

按下式計(jì)算(圖3)

Mzk/Mqk≥1.60 (5)

Mzk=∑Wikxi+Gkxf

Mqk=∑Xikyi

式中:

Mzk—標(biāo)準(zhǔn)荷載W1k、W2k、Gk對(duì)C點(diǎn)的穩(wěn)定力矩總和(KN-m)

Mqk—標(biāo)準(zhǔn)荷載X1k、X2k對(duì)C點(diǎn)的傾覆力矩總和(KN-m)

圖 3

六、 地基承載力計(jì)算

1、 地基壓力P(KN/m2)計(jì)算

偏心距e0(m)

e=(Mz-Mq)/[(W+G)cosα0](6)

e0=B/2-e(7)

當(dāng)e0≤B/6時(shí)：

Pmax min={[(W+G)cosα0]/B}(1±6e0/B)(8)

當(dāng)e0＞B/6時(shí)：

Pmax=[2(W+G)cosα0]/3e

Pmin=0 (9)

式中：

e—垂直于基礎(chǔ)底板面的合力到最大應(yīng)力Pmax邊緣的距離(m)

B—基礎(chǔ)底板的寬度(m)

P—地基壓力設(shè)計(jì)值在垂直于基礎(chǔ)底板底面方向的分力(KN/m2)

G—底板DE段范圍內(nèi)地面活荷載設(shè)計(jì)值和土自重設(shè)計(jì)值的總和(KN)

W—擋土墻長(zhǎng)1m的自重設(shè)計(jì)值(KN)

Mz—垂直荷載設(shè)計(jì)值對(duì)C點(diǎn)的力矩總和(KN-m)

Mq—水平荷載設(shè)計(jì)值對(duì)C點(diǎn)的力矩總和(KN-m)

2、 地基承載力

地基承載力應(yīng)滿足下式要求：

Pmax≤1.20f(10)

式中：f—修正后地基承載力特征值(KN/m2)，當(dāng)α0≠0時(shí)，宜乘以折減系數(shù)K后使用：α0=0時(shí) K=1，α0=6°時(shí) K=0.90，α0=11°時(shí) K=0.80

e0≤B/4

七、 設(shè)計(jì)實(shí)例

下面是神華北電勝利能源有限公司勝利一號(hào)露天煤礦煤生產(chǎn)系統(tǒng)破碎站工程，采用的是扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，于2006年3月設(shè)計(jì)?；A(chǔ)數(shù)據(jù)

扶壁式擋土墻的總高度為16.5m，其截面尺寸如圖4所示。墻頂面均布活載Pk=36KN/m2，擋土墻基礎(chǔ)埋深為3.0米，基礎(chǔ)底面座落于細(xì)砂層上，地基承載力特征值fk=150kPa，基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ)，持力層為砂礫層，基礎(chǔ)底板底面與水平面的夾角為α0=0°，底板底面與地基土的摩擦系數(shù)μ=0.4。扶壁間距為4.0m，扶壁厚為0.6m。墻后用粉土回填，填料的標(biāo)準(zhǔn)重度rt=18KN/m3。填土的內(nèi)摩擦角φ=300。根據(jù)上述條件設(shè)計(jì)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻。

圖 4

1、穩(wěn)定計(jì)算：用標(biāo)準(zhǔn)值

1)滑移穩(wěn)定計(jì)算：

WK+Gk=W1k+W2k+Gk=3452.7KN

Xik=X1k+X2k=906.75KN

(Wk+Gk)u/Xik=3452.7X0.4/906.75=1.52>1.3

2)傾覆驗(yàn)算：

Mzk=W11kX1+W2kX2+Gkxf=20414.835KN?m

Mqk=X1ky1+X2ky2=6096.15KN?m

Mzk/Mqk=20144.835/6092.15=3.4>1.6(滿足要求)

3、地基承載力：

1)采用設(shè)計(jì)荷載：荷載分項(xiàng)系數(shù)r確定如下

地面均布荷載r=1.3 土荷載r=1.2

2)計(jì)算偏心距e0：垂直力對(duì)C點(diǎn)力矩設(shè)計(jì)值總和：

Mz=28428.57 KN?m

水平荷載對(duì)C點(diǎn)力矩設(shè)計(jì)值總和Mq：

Mq=7478.13 KN?m

W+G=6620.76KN

e=(Mz-Mq)/(W+G)=(28428.57-7478.13)/6620.76=3.2m

e0=B/2-e=2.7<11.8/4=2.95m（滿足要求）

3)地基壓力P：

Pmax(Pmin)=(W+G)/B(1±6e0/B)=615(68.3)KN/m2

4、基礎(chǔ)計(jì)算：

1)采用復(fù)合樁基：

樁徑選為1m，樁距為2.5m，采用滿堂紅的方式布置：

Φp=1m2 Ap=0.785m2 qpk=3500Kpa rp=1.65

R=1665.2KN

2)復(fù)合樁基承載力：

R=Qpk/rc+ηcQck/rc=3917KN

地基反力：

N=f?A=3562.5KN

ηc=ηci(Ai/Ac)+ ηce(Ace/AC)=0.4 R>N （滿足設(shè)計(jì)要求）

注：文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。