地下水路塹段槽型擋土墻設(shè)計若干問題的探討

孫東澤

(中鐵工程設(shè)計咨詢集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

為簡化計算，一般將槽型擋土墻邊墻和底板分開按不同構(gòu)件類型設(shè)計：邊墻簡化為固定在底板上的懸臂梁，底板簡化為支承于地基上的梁—彈性地基梁[1-3]。邊墻的受力狀態(tài)比較明確，簡化為懸臂梁較為合理；底板受力狀態(tài)較為復(fù)雜，在特定條件下，邊墻外部土體會對底板梁端轉(zhuǎn)動位移形成約束，彈性地基梁模型存在缺陷。

對于作用在邊墻上的土壓力，多數(shù)設(shè)計人員認(rèn)為：一般按主動土壓力計算，但邊墻剛度較大時，如果墻頂?shù)乃轿灰菩∮诋a(chǎn)生主動土壓力所需的位移時，應(yīng)按靜止土壓力計算。靜止還是主動，歐洲和加拿大的巖土工程標(biāo)準(zhǔn)[4-5]對此給出了明確的位移限值(表1)，我國規(guī)范沒有相關(guān)規(guī)定。

對于槽型擋土墻底板來說，基本可變荷載或者說主要可變荷載一般指槽內(nèi)車輛荷載，對于邊墻來說，其外側(cè)的車輛或人群是其基本可變荷載。問題是，底板結(jié)構(gòu)計算時，邊墻基本可變荷載引起的內(nèi)力如何參與荷載組合，公路、鐵路規(guī)范中都未明確[6-7]。

除前述幾個問題外，槽型擋土墻還存在抗浮安全系數(shù)取值、地基剛度參數(shù)確定等問題，本文將就此展開討論，并嘗試提出改進(jìn)建議。

表1 發(fā)揮土壓力所需的位移值

注：H為墻高，m。

2 槽型支擋結(jié)構(gòu)不同工況受力分析

擬定基準(zhǔn)路塹式槽型支擋結(jié)構(gòu)：邊墻凈高6 m，槽凈寬12 m，邊墻及底板厚度均采用0.8 m，地下高水位與墻頂齊平，墻外活荷載按15 kN/m2考慮，槽內(nèi)軌道列車荷載按160 km/h城際鐵路取用。針對不同工況，按懸臂梁+彈性地基梁模型分別計算其內(nèi)力及位移，彈性地基梁計算采用鏈桿法[8]，計算結(jié)果見表2。表2中內(nèi)力、鏈桿力均為標(biāo)準(zhǔn)值，邊墻彎矩以墻外側(cè)受拉為正，底板彎矩以板底受拉為正。

表2 不同工況內(nèi)力及位移

注：H為邊墻凈高，m。

(1)在1號工況條件下，由于水壓力較大，底板中部出現(xiàn)較大負(fù)彎矩(圖1)，位于兩個邊墻之間的彈性地基梁鏈桿出現(xiàn)負(fù)反力，且越靠近梁中點(diǎn)負(fù)反力越大。一方面，考慮鏈桿不能承擔(dān)負(fù)反力，取消產(chǎn)生負(fù)反力的鏈桿，底板中部負(fù)彎矩會進(jìn)一步加大；另一方面，該內(nèi)力分布情形相應(yīng)的梁端轉(zhuǎn)角位移使得邊墻轉(zhuǎn)而推擠其外側(cè)土體，這種推擠受到限制，反過來約束了地基梁梁端轉(zhuǎn)動，使得底板中部負(fù)彎矩減小，端部正彎矩增大。因而，該工況的實際狀態(tài)是：地基梁梁端地基應(yīng)力集中，產(chǎn)生較大的向下位移，使得應(yīng)力迅速重新分布，靠近梁中部可能存在無地基反力區(qū)段；邊墻對外側(cè)土體的推擠，使得邊墻受力大于主動土壓力。

因此，實際邊墻底部彎矩、底板端部彎矩會較計算值大，底板中部負(fù)彎矩會較計算值小。在地下水位較高的情況下，按懸臂梁+彈性地基梁模型計算槽型擋土墻存在缺陷。

圖1 1號工況彎矩(單位：kN·m)

(2)對比2、3號工況，墻外活荷載傳遞到邊墻上的壓力、土壓力均對底板產(chǎn)生正彎矩，但2號工況底板中部仍然出現(xiàn)負(fù)彎矩(圖2)，因此，負(fù)彎矩主要由邊墻自重集中作用于底板端部引起。

圖2 2號工況彎矩(單位：kN·m)

同時，可以看到底板中部的鏈桿反力仍然是正的。

(3)3、4號工況分別是墻外活荷載、軌道列車荷載單獨(dú)作用結(jié)果。不考慮荷載組合系數(shù)，僅簡單疊加2、3、4工況，可以看出，底板不再出現(xiàn)負(fù)彎矩，鏈桿也不再出現(xiàn)反力。

(4)各工況條件產(chǎn)生的邊墻頂水平位移、轉(zhuǎn)動位移遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于歐洲及加拿大巖土標(biāo)準(zhǔn)給出的位移限值。

3 關(guān)于地下水路塹段槽型擋墻設(shè)計的討論

結(jié)合前節(jié)受力分析結(jié)果，對地下水路塹段槽型擋土墻設(shè)計有如下討論。

3.1 邊墻土壓力

在地下水位較高且無載工況下，彈性地基梁鏈桿會出現(xiàn)負(fù)反力，暴露出計算模型缺陷的同時，求得的彎矩計算值可能偏??；邊墻位移值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于歐洲及加拿大巖土標(biāo)準(zhǔn)給出的位移限值，表明一般情況下墻外不產(chǎn)生主動土壓力。如改按靜止土壓力[9-11]計算，邊墻底、底板端彎矩將增加30%～40%。

因此，一般情況下墻外土壓力按靜止土壓力考慮更為穩(wěn)妥。

3.2 地基承載力

由于彈性地基梁模型的局限性，即使不出現(xiàn)鏈桿負(fù)反力，鏈桿反力也難以反映出應(yīng)力重分布的影響，有些設(shè)計人員以鏈桿最大正反力來評判地基承載能力甚至作為槽下地基處理的依據(jù)，是不恰當(dāng)?shù)摹?/p>

因此，對地基承載能力的評價，宜基于結(jié)構(gòu)整體并施加相應(yīng)荷載，按正常使用極限狀態(tài)，采用標(biāo)準(zhǔn)組合。

3.3 墻外活載

不論是公路、鐵路，目前均將支擋結(jié)構(gòu)上方作用的車輛等活載簡化為土柱，連同墻背土體一起計算土壓力，按綜合作用效應(yīng)參與組合，采用了相同的分項系數(shù)[12-13]，對于路堤支擋結(jié)構(gòu)來說，車輛荷載是主可變荷載，這樣處理有其合理性，但對于槽型擋土墻，槽內(nèi)的車輛荷載是主可變荷載，槽外的活荷載退居其次了，再合并至土壓力中就不合理了，也與作用分類、荷載分項系數(shù)的概念不協(xié)調(diào)，易引起設(shè)計者概念上的誤解。

建議參照德國鐵路規(guī)范的做法[14-15]，單獨(dú)計算其側(cè)壓力(圖3)，或采用彈性理論計算其側(cè)壓力，以便于進(jìn)行不同的荷載組合，考慮不同的分項系數(shù)，而且方法明確、概念清晰。

圖3 路基面荷載對邊墻的側(cè)壓力計算圖示

3.4 抗浮設(shè)計

地下水位較高時，槽型擋土墻存在抗浮穩(wěn)定問題。

(1)抗浮措施

通常采用加大結(jié)構(gòu)自重、底板向外延伸增加土體配重、設(shè)置抗拔樁等方式抗浮[16-17]。水位波動較大時，加大結(jié)構(gòu)自重會對最低水位時的地基承載能力提出額外要求，也不經(jīng)濟(jì)；抗拔樁可以滿足任何抗浮工況要求且無需改變結(jié)構(gòu)尺寸及輪廓，但抗拔樁的設(shè)置導(dǎo)致底板地基剛度突變、底板局部應(yīng)力集中，不利于承受循環(huán)荷載；底板外延利用上部土重抗浮較為經(jīng)濟(jì)，也能有效改善邊墻下部地基應(yīng)力集中問題，使底板內(nèi)力分布更合理，其缺點(diǎn)是基坑偏大易受限于場地條件。底板外延的特殊形式是邊墻采用傾斜背坡。

有條件時，優(yōu)先推薦底板外延方式。采取抗拔樁時，宜設(shè)置較大的樁頂托盤或設(shè)置縱橫向托梁，改善應(yīng)力集中現(xiàn)象。

(2)關(guān)于抗浮系數(shù)

地鐵規(guī)范[18]規(guī)定不計地層側(cè)摩阻力時抗浮安全系數(shù)不小于1.05；廣東省建筑基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范[19]要求：地下室抗浮W/F≥1.05，W為地下室自重及其上作用的永久荷載標(biāo)準(zhǔn)值的總和，F(xiàn)為地下水浮力標(biāo)準(zhǔn)值；水池結(jié)構(gòu)設(shè)計規(guī)程[20]規(guī)定：抗浮穩(wěn)定驗算時作用均取標(biāo)準(zhǔn)值，安全系數(shù)不應(yīng)小于1.05。

參考上述有關(guān)規(guī)定，建議其抗浮穩(wěn)定按式(1)驗算。

(1)

式中，W為抗浮力標(biāo)準(zhǔn)值；F為浮力標(biāo)準(zhǔn)值；γ0為結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)(γ0<1.0時取1.0)。

3.5 地基壓縮模量

本文進(jìn)行彈性地基梁計算時，選用的地基變形指標(biāo)是地基壓縮模量。在工程實際中，試驗得到的壓縮模量值具有一定的離散性，很多設(shè)計人員對選取計算用值較為糾結(jié)?；谇笆?號工況，采用庫倫主動土壓力，不同地基壓縮模量的底板受力(標(biāo)準(zhǔn)值)見表3。

表3 不同地基壓縮模量的底板受力對比

在壓縮模量由4 MPa逐漸增大到40 MPa的過程中，底板跨中負(fù)彎矩由51.9 kN·m逐漸減小到41.3 kN·m，但端部彎矩及鏈桿反力變化不大。因此，彈性地基梁對地基壓縮模量不敏感，設(shè)計時不必過于糾結(jié)該參數(shù)的精確取值。

4 結(jié)論

針對地下水路塹段槽型擋土墻，進(jìn)行不同荷載工況內(nèi)力及變形分析，分析其計算模型的合理性，對墻背土壓力作用狀態(tài)、結(jié)構(gòu)對地基承載能力的要求、墻外荷載的計算方法、抗浮措施及其安全系數(shù)取值、結(jié)構(gòu)受力對地基壓縮模量取值的敏感度等方面進(jìn)行探討，得出如下結(jié)論。

(1)邊墻水平位移、轉(zhuǎn)角位移較小，地下水位較高時邊墻所受土壓力大于主動土壓力，因此墻背土壓力宜按靜止土壓力計算。

(2)槽型擋土墻槽外活荷載為非主可變荷載，其對邊墻的側(cè)壓力不宜與土壓力采用相同的分項系數(shù)，建議參照德國鐵路規(guī)范單獨(dú)計算其側(cè)壓力，或采用彈性理論計算其側(cè)壓力。

(3)有條件時，優(yōu)先采用底板外延方式抗浮?？垢“踩禂?shù)在考慮不小于1.0的結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)后取1.05。

(4)彈性地基梁對地基壓縮模量不敏感，設(shè)計時不必過于糾結(jié)該參數(shù)的精確取值。