軟土地基半支護(hù)式擋墻的研究及應(yīng)用

彭常青，張李萍

（1.浙江省水利水電勘測(cè)設(shè)計(jì)院有限責(zé)任公司，浙江 杭州 310002；2.浙江省錢(qián)塘江流域中心，浙江 杭州 310020）

1 問(wèn)題的提出

擋土墻是土木工程運(yùn)用最多的建筑物，根據(jù)類(lèi)型分為重力式、扶壁式、懸臂式、空箱式、樁板式等。對(duì)于軟土地基上的水閘、泵站等進(jìn)出水池翼墻，由于開(kāi)挖深度較大，擋土墻投資占到工程總投資三分之一或更多，而擋土墻的受力又有別于閘室、泵室等整體式結(jié)構(gòu)，其整體性較差，僅依靠自身斷面來(lái)維持穩(wěn)定，往往容易出現(xiàn)滑動(dòng)、整體失穩(wěn)等破壞。

軟土地基上擋土墻施工為滿足施工期基坑的安全穩(wěn)定，開(kāi)挖坡比較緩，墻后形成開(kāi)挖面較大，需要較多的臨時(shí)征地，甚至還會(huì)對(duì)周邊已有建筑物安全產(chǎn)生影響，導(dǎo)致工程建設(shè)難度增大。如果采用臨時(shí)措施進(jìn)行圍護(hù)施工，如鋼板樁、密排灌注樁等，會(huì)導(dǎo)致臨時(shí)支護(hù)費(fèi)用增加、工程建設(shè)工期延長(zhǎng)。擋土墻完工時(shí)墻后需回填較多土方，高填方使地基附加應(yīng)力增加，軟土地基使土體強(qiáng)度減小，最終導(dǎo)致地基整體破壞。

為解決上述問(wèn)題，對(duì)一種半支護(hù)擋土墻結(jié)構(gòu)的受力性能進(jìn)行研究，結(jié)合工程實(shí)例進(jìn)行分析。

2 半支護(hù)式擋土墻結(jié)構(gòu)的力學(xué)模型

半支護(hù)式擋土墻是一種組合結(jié)構(gòu)，由下部支護(hù)結(jié)構(gòu)與上部擋土墻結(jié)構(gòu)組成，下部支護(hù)結(jié)構(gòu)作為永久擋土結(jié)構(gòu)的一部分，為上部擋土墻結(jié)構(gòu)提供豎向和水平承載力。一種典型的半支護(hù)式擋土墻主要包括下部支護(hù)結(jié)構(gòu)、上部擋土墻結(jié)構(gòu)和貼面結(jié)構(gòu)3 部分（見(jiàn)圖1）所示，其中下部支護(hù)結(jié)構(gòu)一般采用雙排及以上樁基，為上部擋土墻提供均勻的傳載條件，前排一般間距較小，以滿足支擋需要。

圖1 半支護(hù)式擋土墻典型結(jié)構(gòu)圖

半支護(hù)式擋土墻結(jié)構(gòu)的計(jì)算模型可以簡(jiǎn)化成頂部有豎向軸力FN、附加彎矩MH及水平力FH的雙排樁計(jì)算模型，其中豎向軸力FN、附加彎矩MH為擋土墻基底應(yīng)力的合力。圍護(hù)結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形一般采用彈性支點(diǎn)法進(jìn)行計(jì)算，即取單位寬度的支擋結(jié)構(gòu)作為豎向放置的彈性地基梁。基坑內(nèi)開(kāi)挖面以下土體采用彈簧模擬，且地基系數(shù)k隨深度z按k=mz的規(guī)律變化。前排支擋結(jié)構(gòu)與后排支擋結(jié)構(gòu)之間的變形傳遞也采用彈簧進(jìn)行模擬，支擋結(jié)構(gòu)外側(cè)作用已知的水壓力和土壓力[1]，其計(jì)算模型見(jiàn)圖2。對(duì)于每個(gè)工況，其撓曲線方程分為開(kāi)挖面以上、開(kāi)挖面以下2 部分，撓曲線方程由式（1）、式（2）確定。

圖2 半支護(hù)式擋墻的受力模型圖

式中：EI為結(jié)構(gòu)計(jì)算寬度內(nèi)的抗彎剛度，kN·m2；N為軸向力，以壓力為正，kN/m；m為地基土水平抗力系數(shù)的比例系數(shù)，kN/m4；b0為抗力計(jì)算寬度，m；z為基坑開(kāi)挖至計(jì)算點(diǎn)的距離，m；ea(Z)中z為深度處的主動(dòng)土壓力，kN/m；hn為第n工況基坑開(kāi)挖深度，m；y為計(jì)算點(diǎn)水平變形，m；qz為任意一點(diǎn)z處的附加荷載，kN/m。

通常由于壓屈臨界荷載大大超過(guò)作用在地下墻柱上的實(shí)際軸線荷載，因此常將N的影響略去不計(jì)。對(duì)于頂部無(wú)附加荷載的支擋結(jié)構(gòu)，上述公式可簡(jiǎn)化成如下形式：

3 關(guān)于半支護(hù)式擋墻的幾個(gè)問(wèn)題探討

3.1 對(duì)上部擋土結(jié)構(gòu)的探討

對(duì)半支護(hù)式擋墻，其上部為常規(guī)擋土墻結(jié)構(gòu)，穩(wěn)定性、基底應(yīng)力等均可按擋土墻有關(guān)的理論進(jìn)行分析[2]，彭常青等[3]對(duì)軟土地基上擋墻的設(shè)計(jì)進(jìn)行過(guò)深入研究，在此不再贅述。對(duì)半支護(hù)式擋墻結(jié)構(gòu)，由前述受力模型可知，上部擋土墻結(jié)構(gòu)對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響主要體現(xiàn)在上部擋土墻結(jié)構(gòu)所受到的水平力FH及不均勻基底應(yīng)力引起的樁底附加彎矩MH，而豎向力FN對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的影響可忽略不計(jì)。

對(duì)不考慮地下水作用的單一土層水平力FH可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：γ為回填土重度，kN/m3；H為為擋土墻高度，m；

Ka為主動(dòng)土壓力系數(shù)。

由式（5）可知，在相同回填土條件下，作用在下部支擋結(jié)構(gòu)上的水平力FH的大小僅與上部擋土墻的高度有關(guān)。

而對(duì)于擋墻底部基底應(yīng)力而言：

擋墻基底應(yīng)力引起的樁頂附加彎矩可由下式進(jìn)行計(jì)算：

式中：G為墻身界面以上所有豎向力的總和，kN；B為擋土墻底寬，m；MH為擋墻底部附加彎矩，kN·m；W為擋墻底部的截面矩，m3；σmax、σmin、σavg為擋墻底部最大、最小和平均應(yīng)力，kPa；n為最大應(yīng)力與最小應(yīng)力比。

由上式可知，在相同回填土條件下，作用在下部支擋結(jié)構(gòu)上的附加彎矩MH的大小與最大、最小應(yīng)力比有關(guān)，而基底平均應(yīng)力僅與基底以上重量有關(guān)，即僅與擋墻高度有關(guān)。

圖3 列出擋土墻寬高比與應(yīng)力比之間的關(guān)系。由圖3 可知，當(dāng)擋墻寬高比大于1.2 時(shí)，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力比最小，此時(shí)作用在下部支擋結(jié)構(gòu)上的附加彎矩相對(duì)最小，且隨著擋墻高度增加，寬高比宜相應(yīng)加大，但當(dāng)寬高比超過(guò)1.5 以后，應(yīng)力比減少并不明顯。

圖3 擋土墻寬高比與應(yīng)力比關(guān)系曲線圖

3.2 對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的討論

JGJ 120—2012《建筑基坑支護(hù)技術(shù)規(guī)程》[1]關(guān)于雙排樁的有關(guān)結(jié)論均適用于半支護(hù)式擋墻的下部支護(hù)結(jié)構(gòu)。為研究半支護(hù)式擋墻上部擋墻高度與整個(gè)支擋結(jié)構(gòu)高度的合理取值以及對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的變形、受力影響，對(duì)常見(jiàn)的5～9 m 范圍內(nèi)支擋結(jié)構(gòu)進(jìn)行研究，結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

由圖4～6 可知，當(dāng)上部擋墻高度占總高度20%～25%時(shí)，圍護(hù)樁頂部最大位移減少約20%，前排樁最大負(fù)彎矩減少10%～15%，后排樁最大負(fù)彎矩減少15%～20%；而當(dāng)上部擋土墻高度占比變大時(shí)，對(duì)樁頂位移和前、后排樁最大負(fù)彎矩影響均越小，主要是由于下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的剛度明顯低于上部擋土墻結(jié)構(gòu)，在支護(hù)結(jié)構(gòu)頂部已經(jīng)表現(xiàn)出強(qiáng)剛節(jié)點(diǎn)特性。

圖4 上部擋土墻高度與樁頂位移之間的關(guān)系圖

圖5 上部擋土墻高度與前排樁最大負(fù)彎矩之間的關(guān)系圖

圖6 上部擋土墻高度與后排樁最大負(fù)彎矩之間的關(guān)系圖

4 工程案例分析

某大型泵站進(jìn)水池翼墻設(shè)計(jì)頂高程為4.40 m，底高程為-3.50 m，底板厚0.8 m，擋墻總高度8.7 m；擋墻地基從上而下依次為淤泥質(zhì)土、粉質(zhì)黏土、含泥中砂，各土層物理力學(xué)性質(zhì)見(jiàn)表1；離擋墻邊線外14.0 m 處為一學(xué)校操場(chǎng)圍墻。

表1 土層物理力學(xué)指標(biāo)表

由于擋墻高度較高，擋墻穩(wěn)定性問(wèn)題突出，設(shè)計(jì)時(shí)對(duì)空箱式擋墻和半支護(hù)式擋墻2 個(gè)方案進(jìn)行比選，見(jiàn)圖7～8。

圖7 空箱式擋墻斷面圖 單位：cm

根據(jù)文獻(xiàn)[3]對(duì)高擋墻設(shè)計(jì)的有關(guān)研究，本工程采用空箱式擋土墻方案，設(shè)計(jì)底寬10.6 m，平均基底應(yīng)力133 kPa，應(yīng)力比1.36，其抗滑穩(wěn)定和豎向承載問(wèn)題均容易滿足，但由于墻后為高回填土方，在最不利情況下其整體抗滑穩(wěn)定問(wèn)題突出，約三分之二的下滑力需要附加工程措施來(lái)承擔(dān)。設(shè)計(jì)除在墻底布設(shè)4 排直徑1.0 m，排距3.0 m 的灌注樁承載外，還需在墻后分層敷設(shè)土工格柵、分期加載方能滿足擋墻整體穩(wěn)定要求，其設(shè)計(jì)斷面較大，總開(kāi)挖寬度超過(guò)36.0 m，需臨時(shí)占用學(xué)校操場(chǎng)長(zhǎng)約22.0 m，代價(jià)較大。

本工程采用半支護(hù)式擋墻方案，設(shè)計(jì)上部擋墻底高程0.90 m，擋墻高3.5 m，底寬5.8 m，上部墻高占總擋土高度40%，上部擋墻寬高比1.66。計(jì)算得出其上部擋墻平均基底應(yīng)力90 kPa，應(yīng)力比1.15；下部圍護(hù)結(jié)構(gòu)采用雙排直徑1.2 m 灌注樁，前排樁間距1.5 m，后排樁間距3.0 m，計(jì)算樁頂最大位移100 mm，前排樁最大負(fù)彎矩2 310 kN·m，后排樁最大負(fù)彎矩1 020 kN·m，總開(kāi)挖寬度能控制在14.0 m 范圍內(nèi)。

綜上所述，采用半支護(hù)擋墻方案相比常規(guī)擋土墻方案，在混凝土和樁基工程量上是基本對(duì)等的，而半支護(hù)擋墻可以顯著減少墻后開(kāi)挖、回填土方，降低軟土地基上高填方引起的整體穩(wěn)定問(wèn)題，同時(shí)可以明顯減少工程占地范圍，實(shí)施難度相對(duì)較小。

圖8 半支護(hù)式擋墻斷面圖 單位：cm

5 結(jié)論

文章對(duì)一種半支護(hù)式擋土墻結(jié)構(gòu)的受力機(jī)理進(jìn)行研究，并在工程上予以運(yùn)用，主要結(jié)論如下：

（1）半支護(hù)式擋墻結(jié)構(gòu)較常規(guī)擋土墻結(jié)構(gòu)能節(jié)省開(kāi)挖、降低墻后填土引起的整體失穩(wěn)風(fēng)險(xiǎn)；較常規(guī)支擋結(jié)構(gòu)能減少頂部變形、樁身內(nèi)力15%～20%，作為永臨結(jié)合的結(jié)構(gòu)，不僅能提高安全性，且能節(jié)約一定的工程投資。

（2）上部擋墻高度占支擋結(jié)構(gòu)總高度約25%時(shí)，無(wú)論從減少樁頂變形還是樁身內(nèi)力方面均達(dá)到最優(yōu)，此時(shí)上部擋墻高度再增加對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)受力無(wú)明顯改善，均無(wú)不利影響，建議實(shí)際運(yùn)用時(shí)可根據(jù)周邊情況，適當(dāng)將擋土墻高度控制在總高度的25%～40%。

（3）為盡量減少上部擋墻結(jié)構(gòu)附加彎矩對(duì)下部支護(hù)結(jié)構(gòu)的不利影響，建議上部擋土墻結(jié)構(gòu)寬高比不低于1.2，對(duì)高擋土墻取大值，同時(shí)兼顧下部支護(hù)結(jié)構(gòu)最優(yōu)受力性能所要求的樁排距。