軟土地基上高擋墻設(shè)計研究

彭常青，胡東亮，楊小康

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江　杭州　310002)

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軟土地基上高擋墻設(shè)計研究

彭常青，胡東亮，楊小康

(浙江省水利水電勘測設(shè)計院，浙江杭州310002)

通過對軟土地基上高擋墻的斷面設(shè)計、基礎(chǔ)處理設(shè)計和地基整體穩(wěn)定等3個問題的分析，得出軟土地基上高擋墻的抗滑穩(wěn)定主要靠增大擋土墻的斷面和提高地基與底板間的摩擦系數(shù)解決，通過樁基承擔(dān)高擋墻的水平力,既不經(jīng)濟,也無必要，同時還要重視墻后高填方引起的地基整體穩(wěn)定問題，采取合適的地基處理措施。

軟土地基；高擋墻；設(shè)計研究

1　問題的提出

軟土具有含水率高、孔隙比大、承載力低等特點，修筑在軟土地基上的擋墻往往由于地基承載力和沉降量不能滿足要求而需要采取地基處理措施。樁基由于其既可以解決豎向承載力和沉降變形，與底板剛性連接后還能承擔(dān)水平荷載，且樁基具有施工簡單、質(zhì)量容易保證等優(yōu)點，因此在軟土地基擋墻地基處理設(shè)計上有著廣泛的應(yīng)用[1-2]。然而，隨著擋墻高度增加，墻后填土也隨著增高，水平力和地基整體穩(wěn)定問題將越發(fā)突出，設(shè)計者如果只考慮地基的豎向承載力問題，而忽視擋墻的水平力和地基整體穩(wěn)定問題，盲目將樁基與底板剛性連接，按樁基承擔(dān)全部水平力設(shè)計，不夠經(jīng)濟，失事的概率也較大。本文通過對擋墻的斷面設(shè)計、基礎(chǔ)處理設(shè)計及地基整體穩(wěn)定3個問題的分析，并以軟土地基上某泵站進水口高擋墻為例，闡述軟土地基上高擋墻設(shè)計的要點。

2　擋土墻的斷面設(shè)計問題

擋土墻斷面設(shè)計的核心思想是充分利用擋墻與地基土之間的摩擦力抵抗墻后填土和地下水引起的水平推力。擋土墻斷面的確定需通過抗滑穩(wěn)定計算分析，其計算公式如下：

式中：KC為擋土墻沿基底面的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用在擋土墻上全部垂直于水平面的荷載，kN；∑T為作用在擋土墻上全部平行于基底面的荷載，kN；f為擋土墻基底面與地基之間的摩擦系數(shù)。

以某扶壁式擋墻為例，不考慮地下水位和地面超載等影響，當擋墻的寬高比分別為0.6，0.7，0.8，0.9，1.0時，擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與擋墻高度H之間的關(guān)系見表1和圖1。

表1　不同寬高比下?lián)鯄Ω叨扰c安全系數(shù)的關(guān)系表

注：表中上標1～5的數(shù)據(jù)分別為寬高比B/H=0.6，0.7，0.8，0.9，1.0的數(shù)據(jù)。

圖1　不同寬高比下?lián)鯄Ω叨扰c安全系數(shù)關(guān)系圖

由表1和圖1可知，當不考慮其他外部荷載時，特定地基條件下，擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)與寬高比關(guān)系密切，寬高比越大，其抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)越大，與擋土墻的高度沒有關(guān)系。因此在擋土墻設(shè)計時，需根據(jù)地質(zhì)條件確定擋土墻的斷面大小，并且軟土地基上扶壁式擋土墻的寬高比一般要大于0.8～1.0，地質(zhì)條件越差，寬高比要越大[3]。

3　擋土墻的基礎(chǔ)處理問題

隨著擋土墻高度的增加，其基底應(yīng)力也隨著增加，以扶壁式擋墻為例，當擋土墻高度由6.00 m增加至14.00 m時，其基底平均應(yīng)力由90.0 kPa增加至230.0 kPa，而軟黏土地基承載力一般僅60.0 kPa左右，顯然不能滿足高擋墻豎向承載力的要求，需進行地基加固處理。

樁基礎(chǔ)由于其施工簡單、質(zhì)量容易保證等優(yōu)點，是最常用的地基處理措施。然而當樁基與擋墻底板嵌固時，擋墻的受力條件發(fā)生了變化，在底板壓力的作用下，軟土的壓縮性大于樁的壓縮性，而可能會出現(xiàn)底板脫空[4]，因此SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》要求“當擋土墻采用樁基礎(chǔ)時，樁的根數(shù)和尺寸宜按承擔(dān)底面以上的全部荷載確定，其抗滑穩(wěn)定性應(yīng)按樁體材料的變形限制條件控制，并考慮擋土墻底板對樁頂?shù)那豆套饔茫慈簶队嬎銟痘脑试S水平承載力”[5]。天然地基擋土墻和采用樁基礎(chǔ)的擋土墻其受力情況見圖2。

圖2　天然地基與樁基礎(chǔ)地基下?lián)跬翂Φ氖芰η闆r圖

以某扶壁式擋墻為例，假定樁基長度按水平力完全發(fā)揮作用確定，豎向承載力按相應(yīng)樁基長度計算確定，不同高度擋墻每延米按水平力和豎向力分別所需樁基數(shù)量見表2。

表2　擋土墻高度與每延米所需樁基數(shù)量關(guān)系表

由表2可知，利用樁基來承擔(dān)擋土墻的水平力所需樁基的數(shù)量是承擔(dān)豎向力所需數(shù)量的2.30～1.59倍。假定樁基為直徑0.80 m的鉆孔灌注樁，SL 379—2007《水工擋土墻設(shè)計規(guī)范》要求樁中心間距須小于2.5倍樁徑，按本例計算結(jié)果，當擋土墻高度為8.00 m時，由樁基承擔(dān)水平力所需灌注樁的間距為1.98 m，已不滿足規(guī)范不小于2.5倍樁徑2.00 m的要求[5]。而事實上通過前一節(jié)擋墻抗滑穩(wěn)定分析可知，當擋土墻的斷面確定得較合理時，擋土墻的水平力完全可以由擋墻底板與地基土的摩擦力來抵抗，因此再試圖通過樁基承擔(dān)水平力，以增加擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全裕度既無必要，也不經(jīng)濟。

4　地基整體穩(wěn)定問題

軟土地基的承載力是有限的，一般而言在軟土上一次堆載超過3.00 m時，軟土?xí)捎趶姸炔蛔愣a(chǎn)生剪切破壞，進而引起整體滑動。然而擋墻墻后填土一般與擋墻同高，因此對軟土地基上的高擋墻而言，其整體穩(wěn)定的問題將越發(fā)突出，軟土地基上高擋墻失事絕大部分是由于擋墻整體失穩(wěn)引起的。解決軟土地基上過度堆載引起的地基整體穩(wěn)定問題的方法較多，比較常見的方法有深層攪拌法、碎石樁法、加筋法等。

碎石樁法是指在地基中設(shè)置由碎石體組成的豎向樁體，設(shè)置碎石樁后，樁體與樁間土形成復(fù)合地基，一方面碎石樁置換了部分軟土，改善了地基土的性能，提高了地基的承載力；另一方面碎石樁在軟土中增加了豎向排水通道，加快了軟土的固結(jié)[6]。

深層攪拌法是利用水泥作為固化劑的主劑，通過攪拌機械，在地基深處將軟土和固化劑強制攪拌，利用固化劑和軟土之間產(chǎn)生的一系列物理化學(xué)反應(yīng)，使軟土硬結(jié)成具有整體性、水穩(wěn)定性和一定強度的優(yōu)質(zhì)地基[7]。

加筋法是指在墻后填土中每隔一定高度鋪設(shè)水平向的加筋帶，將土體分層壓實后，土體與加筋帶組成一復(fù)合體，即加筋土。由于加筋帶與周圍土之間有較大的摩阻力，限制了土的側(cè)向變形，進而提高了土體的整體穩(wěn)定性[8]。

5　工程案例分析

某泵站[9]進水池翼墻為3級建筑物，采用扶壁式結(jié)構(gòu)，墻頂高程為7.10 m，底板頂高程-2.00 m，底板厚1.00 m，面板厚0.60 m，前趾長1.50 m，后趾長7.60 m，寬高比0.96，設(shè)計斷面見圖3。翼墻基礎(chǔ)為深厚淤泥，淤泥底面高程約-9.70 m，天然含水率60.3%，地基承載力標準值60.0 kPa；以下為粉質(zhì)黏土，底面高程約-20.00 m，天然含水率25.2%，地基承載力標準值160.0 kPa。

高程以m計，其他均以cm計圖3　某擋墻設(shè)計斷面圖

設(shè)計擋墻基礎(chǔ)采用碎石墊層，計算擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)為1.33，最大基底應(yīng)力為213.8 kPa，最小基底應(yīng)力為119.6 kPa。擋墻抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)滿足規(guī)范要求，即墻后水平力可以由地基與擋墻基礎(chǔ)之間的摩擦力來抵抗，但天然地基豎向承載力不能滿足要求，需進行地基處理。

設(shè)計擋墻基礎(chǔ)采用D80鉆孔灌注樁處理，樁底高程-18.00 m，單樁豎向承載力特征值為955.0 kN，單樁水平承載力特征值180.0 kN。若考慮灌注樁承擔(dān)水平力，則每延米擋墻所需灌注樁為2.35根，若僅考慮灌注樁承擔(dān)豎向力，則每延米擋墻所需灌注樁為1.69根，承擔(dān)水平力所需樁數(shù)是承擔(dān)豎向力所需樁數(shù)的1.4倍。而事實上擋土墻的水平力完全可以由地基與底板之間的摩擦力來抵抗，因此不需考慮灌注樁承擔(dān)水平力。

本例擋墻墻后填土高度超過10.00 m，若墻后不采取地基處理，擋墻整體抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)僅0.54，與規(guī)范要求相差較大。設(shè)計采取在墻后增設(shè)高強土工格柵，并適當考慮豎向承載灌注樁的阻滑作用，擋墻整體穩(wěn)定安全系數(shù)提高到了1.12，能滿足規(guī)范要求。

6　結(jié)　語

(1)由于高擋墻的水平力較大，因此在軟土地基上高擋土墻設(shè)計時應(yīng)盡量依靠增大擋墻斷面和提高地基與底板之間的摩擦系數(shù)，滿足擋土墻的抗滑穩(wěn)定要求，試圖依靠樁基來承擔(dān)高擋墻的水平力既無必要，又不經(jīng)濟。

(2)軟土地基上高擋墻失穩(wěn)的主要原因是墻后高填土后，導(dǎo)致深層土體剪切破壞，進而產(chǎn)生整體滑動。因此，選擇合適的地基處理措施來提高墻后地基土的承載力，也是高擋土墻設(shè)計的主要任務(wù)之一。

[1]陸忠民,顧賽英.望虞河立交工程軟土地基上岸翼墻設(shè)計[J].江蘇水利科技，1997(4)：9-14.

[2]王娟.PHC管樁在東風(fēng)西沙水庫取水泵站擋土墻中的應(yīng)用[J].陜西水利，2013(4)：92-93.

[3]尉希成,周美玲.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計手冊[M].2版.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2004.

[4]梁永輝.鄰近建筑軟基高填方支擋結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計[J].巖土工程學(xué)報，2013,35(增2):697-701.

[5]中華人民共和國水利部.SL 379—2007水工擋土墻設(shè)計規(guī)范[S].北京:中國水利水電出版社,2001.

[6]陸樹榮,王靖,許長安.碎石樁在堤防軟基處理中的應(yīng)用[J].浙江水利科技，2004(5)：49-51.

[7]李立華,范大林,金國強.水泥攪拌樁在地基整體穩(wěn)定加固中的應(yīng)用[J].港工技術(shù)，2008(2)：47-49.

[8]徐軍.加筋土擋墻的作用機理及施工應(yīng)用分析[J].城市道橋與防洪，2008(11)：88-90.

[9]彭常青,胡東亮,賀金仁，等.湘溪閘站泵站側(cè)翼墻重大設(shè)計變更報告[R].杭州：浙江省水利水電勘測設(shè)計院,2015.

(責(zé)任編輯姚小槐)

Design and Research of High Retaining Wall on Soft Soil Foundation

PENG Chang-qing,HU Dong-liang,YANG Xiao-kang

(Zhejiang Design Institute Of Water Conservancy & Hydro-Electric Power，Hangzhou 310002，Zhejiang,China)

By analyzing three questions of high retaining wall on soft ground:section design,foundation treatment design and foundation integral stability,it is concluded that the anti-sliding stability of high retaining wall mainly relies on increasing the cross-section and friction coefficient between the foundation and the base plate.Bearing the horizontal force of high retaining wall by pile foundation is neither economic nor necessary.Meanwhile,it is needed to pay attention to integral stability problems of the foundation caused by high fill,and take appropriate foundation treatment measures.

soft soil foundation;high retaining wall;design and research

2016-01-20

彭常青(1985-)，男，工程師，大學(xué)本科，主要從事水工設(shè)計工作。 E-mail:416426035@qq.com

TV541

A

1008-701X(2016)03-0035-03

10.13641/j.cnki.33-1162/tv.2016.03.009