孫東澤

(中鐵工程設(shè)計(jì)咨詢(xún)集團(tuán)有限公司,北京 100055)

1 概述

為簡(jiǎn)化計(jì)算，一般將槽型擋土墻邊墻和底板分開(kāi)按不同構(gòu)件類(lèi)型設(shè)計(jì)：邊墻簡(jiǎn)化為固定在底板上的懸臂梁，底板簡(jiǎn)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(jiǎn)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(huì)對(duì)底板梁端轉(zhuǎn)動(dòng)位移形成約束，彈性地基梁模型存在缺陷。

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

對(duì)于槽型擋土墻底板來(lái)說(shuō)，基本可變荷載或者說(shuō)主要可變荷載一般指槽內(nèi)車(chē)輛荷載，對(duì)于邊墻來(lái)說(shuō)，其外側(cè)的車(chē)輛或人群是其基本可變荷載。問(wèn)題是，底板結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，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(gè)問(wèn)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(wèn)題，本文將就此展開(kāi)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(chē)荷載按160 km/h城際鐵路取用。針對(duì)不同工況，按懸臂梁+彈性地基梁模型分別計(jì)算其內(nèi)力及位移，彈性地基梁計(jì)算采用鏈桿法[8]，計(jì)算結(jié)果見(jiàn)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(hào)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(gè)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(huì)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(guò)來(lái)約束了地基梁梁端轉(zhuǎn)動(dòng)，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(shí)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(wú)地基反力區(qū)段；邊墻對(duì)外側(cè)土體的推擠，使得邊墻受力大于主動(dòng)土壓力。

因此，實(shí)際邊墻底部彎矩、底板端部彎矩會(huì)較計(jì)算值大，底板中部負(fù)彎矩會(huì)較計(jì)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(jì)算槽型擋土墻存在缺陷。

圖1 1號(hào)工況彎矩(單位：kN·m)

(2)對(duì)比2、3號(hào)工況，墻外活荷載傳遞到邊墻上的壓力、土壓力均對(duì)底板產(chǎn)生正彎矩，但2號(hào)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(hào)工況彎矩(單位：kN·m)

同時(shí)，可以看到底板中部的鏈桿反力仍然是正的。

(3)3、4號(hào)工況分別是墻外活荷載、軌道列車(chē)荷載單獨(dú)作用結(jié)果。不考慮荷載組合系數(shù)，僅簡(jiǎn)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(dòng)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(jì)的討論

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

3.1 邊墻土壓力

在地下水位較高且無(wú)載工況下，彈性地基梁鏈桿會(huì)出現(xiàn)負(fù)反力，暴露出計(jì)算模型缺陷的同時(shí)，求得的彎矩計(jì)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(dòng)土壓力。如改按靜止土壓力[9-11]計(jì)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(jì)人員以鏈桿最大正反力來(lái)評(píng)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(duì)地基承載能力的評(píng)價(jià)，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(chē)輛等活載簡(jiǎn)化為土柱，連同墻背土體一起計(jì)算土壓力，按綜合作用效應(yīng)參與組合，采用了相同的分項(xiàng)系數(shù)[12-13]，對(duì)于路堤支擋結(jié)構(gòu)來(lái)說(shuō)，車(chē)輛荷載是主可變荷載，這樣處理有其合理性，但對(duì)于槽型擋土墻，槽內(nèi)的車(chē)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(lèi)、荷載分項(xiàng)系數(shù)的概念不協(xié)調(diào)，易引起設(shè)計(jì)者概念上的誤解。

建議參照德國(guó)鐵路規(guī)范的做法[14-15]，單獨(dú)計(jì)算其側(cè)壓力(圖3)，或采用彈性理論計(jì)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(xiàng)系數(shù)，而且方法明確、概念清晰。

圖3 路基面荷載對(duì)邊墻的側(cè)壓力計(jì)算圖示

3.4 抗浮設(shè)計(jì)

地下水位較高時(shí)，槽型擋土墻存在抗浮穩(wěn)定問(wèn)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(dòng)較大時(shí)，加大結(jié)構(gòu)自重會(huì)對(duì)最低水位時(shí)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(mǎn)足任何抗浮工況要求且無(wú)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(wèn)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(chǎng)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(shí)，優(yōu)先推薦底板外延方式。采取抗拔樁時(shí)，宜設(shè)置較大的樁頂托盤(pán)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(jì)地層側(cè)摩阻力時(shí)抗浮安全系數(shù)不小于1.05；廣東省建筑基礎(chǔ)設(shè)計(jì)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(jì)規(guī)程[20]規(guī)定：抗浮穩(wěn)定驗(yàn)算時(shí)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(yàn)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(shí)取1.0)。

3.5 地基壓縮模量

本文進(jìn)行彈性地基梁計(jì)算時(shí)，選用的地基變形指標(biāo)是地基壓縮模量。在工程實(shí)際中，試驗(yàn)得到的壓縮模量值具有一定的離散性，很多設(shè)計(jì)人員對(duì)選取計(jì)算用值較為糾結(jié)?；谇笆?號(hào)工況，采用庫(kù)倫主動(dòng)土壓力，不同地基壓縮模量的底板受力(標(biāo)準(zhǔn)值)見(jiàn)表3。

表3 不同地基壓縮模量的底板受力對(duì)比

在壓縮模量由4 MPa逐漸增大到40 MPa的過(guò)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(duì)地基壓縮模量不敏感，設(shè)計(jì)時(shí)不必過(guò)于糾結(jié)該參數(shù)的精確取值。

4 結(jié)論

針對(duì)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(jì)算模型的合理性，對(duì)墻背土壓力作用狀態(tài)、結(jié)構(gòu)對(duì)地基承載能力的要求、墻外荷載的計(jì)算方法、抗浮措施及其安全系數(shù)取值、結(jié)構(gòu)受力對(duì)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(shí)邊墻所受土壓力大于主動(dòng)土壓力，因此墻背土壓力宜按靜止土壓力計(jì)算。

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

(3)有條件時(shí)，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(duì)地基壓縮模量不敏感，設(shè)計(jì)時(shí)不必過(guò)于糾結(jié)該參數(shù)的精確取值。