一種考慮基礎側土壓力的帶翼墻獨立基礎設計

魏公濤

0 引言

實際工程中存在一類構筑物，特點為承受恒荷載小、風荷載大、結構高寬比大，諸如馬路邊吸隔聲屏障、落地式廣告牌等。由于風荷載占比較大，導致基底主要荷載分量為沿風荷載作用平面內(nèi)的彎矩，此時基礎容易發(fā)生整體傾覆失穩(wěn)或最大基底壓力超限，需采用較大基礎尺寸。而實際工程場地往往比較緊湊，比如道路邊，建筑物邊等，不允許基礎或基坑占用太多寬度，鑒于此，本文提出一種帶翼墻獨立基礎形式，可以明顯減小基礎平面尺寸，在工程中較為實用。

1 基礎形式及設計方法

1.1 基礎形式示意圖

設計理念為混凝土短柱兩側挑出翼墻，整體寬度同基礎，利用較寬的翼墻以增大基礎側土抗力?；A三維軸側圖見圖1（a），平面圖見圖1（b），立面圖見圖1（c）。

圖1（a） 基礎三維軸測圖

圖1（b） 基礎平面圖

圖1（c） 基礎立面圖

1.2 地基、基礎設計方法

根據(jù)實際工況得到基礎受力計算模型見圖2，混凝土短柱頂承受彎矩、水平剪力、豎向軸力，基礎及回填土自重，基礎左側承受被動土壓力，右側承受主動土壓力，基底承受分布土壓力（由于上部結構軸力一般較小，基底反力形狀一般為三角形）。

圖2 基礎受力示意圖

1.2.1 基礎右側主動土壓力

基坑回填土內(nèi)摩擦角、粘聚力、重度（考慮浮力）分別記為φ、C、γ，則主動土壓力合力及作用點距基底距離：

其中，HK為主動土壓力系數(shù)，根據(jù)朗肯土壓力理論，K=tan45-φ/2。

1.2.2 基礎左側被動土壓力

被動土壓力合力及作用點距基底距離：

其中，K為主動土壓力系數(shù)，根據(jù)朗肯土壓力理論，K=tan45+φ/2

1.2.3 基底荷載匯總

基礎底部承受軸力：F+G，其中F 為上部結構傳遞軸力，G 為基礎及回填土自重。

基礎底部承受剪力：V+Ea-Ep，其中V 為上部結構傳遞剪力，Ea 為右側主動土壓力，Ep 為左側被動土壓力。

基礎底部承受彎矩：M0+V×H+Ea×ha-Ep×hp，其中M0為上部結構傳遞彎矩，H 為基礎+短柱高度，Ea 為主動土壓力合力，ha 為主動土壓力合力作用點距基底距離，Ep 為被動土壓力合力，hp 為被動土壓力合力作用點距基底距離。

1.2.4 地基承載力驗算

根據(jù)《建筑邊坡工程技術規(guī)范》（GB/50330-2013），擋土墻抗傾覆安全系數(shù)為1.6，利用擋土墻概念，將基礎側土壓力的有利效應除1.6 倍安全系數(shù)做折減。由于基底壓力分布一般為三角形，則地基驗算公式如下：

其中，f為修正的地基承載力特征值，p為基底最大反力。

關于零應力區(qū)，本設計不做限制，主要考慮已按擋土墻設計概念引入抗傾覆安全系數(shù)1.6，且p滿足地基承載力，足使地基滿足承載要求的同時不發(fā)生整體傾覆。

1.2.5 基礎設計

按照《建筑地基基礎設計規(guī)范》（GB/50007-2011）進行基礎抗彎、抗沖切、抗剪切驗算，其中按本文公式（5）計算。

1.2.6 翼墻設計

基礎底板頂面位置被動土壓力：

其中，表示基礎高度。

翼墻根部單位高度彎矩、剪力分別為：

其中，L為單側翼墻寬度。

按《混凝土結構設計規(guī)范（2015 年版）》（GB/50010-2010）中受彎構件對翼墻根部進行抗彎、抗剪驗算。

2 工程實例

將本設計方法應用于北京移動公司某4.5m 高路邊聲屏障項目中，該項目原設計采用常規(guī)獨立基礎，基礎平面尺寸為2.2m×1.5m，埋深為1.8m，由于開挖后發(fā)現(xiàn)基礎范圍內(nèi)有一根直徑200mm 污水管，需縮小基礎尺寸為1.7m×1.5m。原設計基底最大壓力為85.3kPa<=153kpa，零應力區(qū)15%，基礎縮小后基底最大壓力178kPa>=153kpa，零應力區(qū)59%，零應力區(qū)過大，基底壓力超限，無法滿足設計要求。故設置厚度250mm翼墻，寬度同基礎，高度為基礎頂面至地面共1.4m，基礎剖面圖見圖3，施工完成照片見圖4。

圖3 聲屏障項目基礎剖面圖

圖4 基礎施工完成照片

本設計主要依靠基坑周圍回填土增加基礎抗側能力，故基坑周圍回填土壓實系數(shù)以及材料要求應按《建筑地基處理技術規(guī)范》換填墊層相關要求嚴格執(zhí)行，回填土為黏土，不應含有生活垃圾、建筑垃圾以及有機質(zhì)、軟土等不易壓實成分，內(nèi)摩擦角、粘聚力按地勘報告以及工程經(jīng)驗分別取10°、5kPa。

按本文提供的設計方法計算可得，為66.4kPa<=153kPa，零應力區(qū)接近0，并驗算翼墻抗彎、抗剪滿足規(guī)范要求，詳細計算過程不再贅述。需注意，由于管道側邊不能抗壓，在計算被動土壓力過程中予以扣除。

本設計以十分簡便的手段有效地解決了開挖后遇障礙物導致基礎縮小帶來的地基、基礎承載力不足的問題，鋼筋和混凝土用量比原設計有所減少，在工程經(jīng)濟方面有一定優(yōu)勢。

3 結語

本文提出的帶翼墻獨立基礎設計方法充分利用基礎周圍土的抗側能力，按抗傾覆和地基抗壓雙控制進行設計驗算，可以減小基礎平面尺寸，并適當減少鋼筋、混凝土用量，降低造價，特別適用于對基礎尺寸有一定限制的工程場地以及以水平荷載為主的結構，有較好的實際工程意義。