葛 帆

（1.深圳市地質(zhì)局，廣東深圳 518023；2.深圳地質(zhì)建設(shè)工程公司，廣東深圳 518023）

0 引言

1776年，庫(kù)倫提出了庫(kù)倫土壓力理論，促進(jìn)了擋土墻的廣泛應(yīng)用。在原有重力式擋土墻基礎(chǔ)上，衍生出各種新型擋土墻結(jié)構(gòu)，箱型擋土墻就是其中的一種?，F(xiàn)有箱形結(jié)構(gòu)擋土墻主要用于道路工程和水工結(jié)構(gòu)。道路工程中的箱型擋土墻實(shí)質(zhì)上仍然是重力式擋土墻，通過(guò)在混凝土箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)填料，可以節(jié)省圬工，提高穩(wěn)定性，優(yōu)化設(shè)計(jì)[1?2]。張實(shí)斌[3]通過(guò)混凝土箱型結(jié)構(gòu)內(nèi)部填土，應(yīng)用于高度15～20 m高的擋土墻。鄒文輝等[4]、孫可君[5]設(shè)計(jì)應(yīng)用了預(yù)制式箱形重力式擋土墻。賓敬林[6]采用箱型結(jié)構(gòu)擋土墻對(duì)引橋護(hù)坡進(jìn)行改造。空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)多用于水工結(jié)構(gòu)中。許正松等[7]、石明宇等[8]采用空箱擋土墻結(jié)構(gòu)用于水閘的改造加固。于桂云等[9]、唐 杰[10]均通過(guò)增加卸荷平臺(tái)調(diào)整空箱式擋土墻的土壓力，進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)。童新國(guó)[11]設(shè)計(jì)了一種漿砌塊石的連拱空箱式擋土墻結(jié)構(gòu)，可以降低地基承載力，減少圬工量。李文斌[12]利用箱形結(jié)構(gòu)剛度好的優(yōu)勢(shì)，采用箱形擋土墻解決高度超過(guò)12 m的擋土墻變形過(guò)大的問(wèn)題。

本文所述箱型結(jié)構(gòu)擋土墻是空箱型鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，箱內(nèi)不填土，該結(jié)構(gòu)在滿足擋土功能的基礎(chǔ)上，能降低地基承載力要求，可以解決場(chǎng)地地基承載力不足的問(wèn)題，在交通水利之外的建筑工程中此類應(yīng)用并不多見(jiàn)?；陧?xiàng)目的實(shí)際條件限制，創(chuàng)新性地提出采用空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)，解決了實(shí)際工程問(wèn)題，節(jié)省了造價(jià)。本文論述了設(shè)計(jì)思路的提出及計(jì)算過(guò)程，對(duì)該空箱型擋土墻進(jìn)行了常規(guī)擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算，并應(yīng)用有限元軟件進(jìn)行內(nèi)力計(jì)算，得到較為準(zhǔn)確的計(jì)算結(jié)果。

1 項(xiàng)目概況

某地產(chǎn)項(xiàng)目位于惠州大亞灣，場(chǎng)地地貌類型為丘陵地貌及局部夾山前沖溝地貌，后經(jīng)人工改造（含山體平整），局部加填厚度不一的填土，場(chǎng)地地勢(shì)起伏較大，總體地勢(shì)呈南低北高勢(shì)態(tài)。項(xiàng)目南側(cè)邊界上設(shè)計(jì)標(biāo)高與場(chǎng)外地面存在6.5 m高差，需要擋土墻支擋。

1.1 工程地質(zhì)條件

場(chǎng)地進(jìn)行的勘察探明，擬建場(chǎng)地地層主要為第四系全新世素填土（Qml）、殘積土（Qel），下伏白堊系巖層（K）。按其巖性及其工程特性，自上而下依次劃分為①素填土、②粉質(zhì)黏土、③1全風(fēng)化砂礫巖、③2強(qiáng)風(fēng)化砂礫巖、③3中等風(fēng)化砂礫巖（破碎）、③4中等風(fēng)化砂礫巖。

位于南側(cè)擋土墻位置地質(zhì)剖面揭露，該段地基土均為填土，東西兩端淺，中間深，填土厚度最小6.5 m，最大20.9 m。

素填土①（Qml）：雜色，松散，稍濕，主要成分為黏性土、砂礫巖碎塊，回填時(shí)間超過(guò)10年?？辈靾?bào)告提供的填土層地基承載力為80 kPa。

1.2 場(chǎng)地條件

場(chǎng)地南側(cè)原為混凝土攪拌站堆料場(chǎng)，原始地形標(biāo)高約19.0 m，場(chǎng)地設(shè)計(jì)標(biāo)高25.5 m，高差6.5 m，擋土墻長(zhǎng)度約141 m。地下室退線6 m，一層地下室，地下室標(biāo)高20.3 m。地下室結(jié)構(gòu)為樁基礎(chǔ)。受地下室限制，擋土墻允許建設(shè)寬度不到6 m。

2 擋土墻設(shè)計(jì)

2.1 問(wèn)題的提出

該處擋土墻最初設(shè)計(jì)為扶壁式擋土墻，墻體總高度7.5 m，埋深1 m，墻趾外挑1.5 m，立板厚度0.4 m，底板寬度4.0 m，厚度0.5 m，扶壁厚度0.4 m，間距3.5 m，地基承載力要求140 kPa?？紤]到現(xiàn)有地基承載力不足，需要進(jìn)行地基處理。地基為多年回填的深厚填土，選用強(qiáng)夯法對(duì)地基進(jìn)行加固。設(shè)計(jì)為兩遍點(diǎn)夯一遍滿夯，點(diǎn)夯夯擊能5000 kN·m，滿夯夯擊能1000 kN·m。在現(xiàn)有場(chǎng)地條件下，強(qiáng)夯為最合適且最經(jīng)濟(jì)的方案。

然而項(xiàng)目施工過(guò)程中，因主體結(jié)構(gòu)工期緊，項(xiàng)目基樁及地下室先行施工，導(dǎo)致原設(shè)計(jì)的強(qiáng)夯處理方案無(wú)法實(shí)施，擋土墻地基承載力無(wú)法滿足要求，扶壁式擋土墻結(jié)合地基強(qiáng)夯處理的設(shè)計(jì)方案需要調(diào)整。

因地質(zhì)條件限制，填土厚度大且含塊石，攪拌樁及注漿加固方案均難以實(shí)施；增加樁基礎(chǔ)的方案因填土深度太大而非常不經(jīng)濟(jì)，CFG樁地基處理同樣存在這個(gè)問(wèn)題。加筋土擋土墻方案對(duì)地基承載力要求低，但場(chǎng)地受已完工地下室限制，墻后空間只有6 m，無(wú)法保證6.5 m高加筋土墻的穩(wěn)定。根據(jù)建筑設(shè)計(jì)的要求，此處必須采用擋土結(jié)構(gòu)將地下室圍護(hù)，而不能直接外露。因此需要尋求一種現(xiàn)有空間下地基承載力要求低且經(jīng)濟(jì)性好的支擋方案。

2.2 空箱型擋土墻設(shè)計(jì)思路

在不進(jìn)行地基處理的條件下如何滿足地基承載力要求是此處擋土墻設(shè)計(jì)的難點(diǎn)。因建筑地下室的存在，擋土墻后填土為有限填土，土壓力較一般擋土墻要小，有利于本設(shè)計(jì)。

基于此設(shè)計(jì)條件，采用空箱型擋土墻的設(shè)計(jì)思路，在原有扶壁擋土墻基礎(chǔ)上，設(shè)法減少土方回填量，進(jìn)而減少擋土墻基底壓力。采用空箱結(jié)構(gòu)可以實(shí)現(xiàn)這一目的。

空箱結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)需要考慮：（1）空箱尺寸夠大，保證混凝土結(jié)構(gòu)的空箱比原扶壁擋土墻的重力大大降低，滿足地基承載力要求；（2）空箱與地下室之間存在一定寬度的填土，滿足地下室覆土要求，同時(shí)能滿足擋土的要求；（3）空箱頂部需保留一部分填土，滿足小區(qū)內(nèi)綠化及管線布設(shè)要求；（4）空箱不能太輕，需要保證適當(dāng)?shù)馁|(zhì)量，滿足抗浮要求；（5）需要給擋土墻結(jié)構(gòu)本身預(yù)留足夠的施工空間。

在考慮以上幾點(diǎn)的基礎(chǔ)上，調(diào)整空箱的尺寸，如空箱的寬、高，墻趾、墻踵尺寸，結(jié)構(gòu)的厚度則根據(jù)結(jié)構(gòu)受力確定，最終滿足建筑要求、滿足地基承載力要求?？紤]到擬建擋土墻位置填土回填時(shí)間較久，且經(jīng)多年車輛碾壓，填土本身已完成自重固結(jié)，變形能夠滿足要求。

2.3 計(jì)算方法選擇

空箱型擋土墻的計(jì)算，需考慮穩(wěn)定性以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等計(jì)算內(nèi)容。箱型結(jié)構(gòu)的受力比較復(fù)雜，尤其是本次設(shè)計(jì)中箱型結(jié)構(gòu)并非簡(jiǎn)單的四邊形。常規(guī)箱型結(jié)構(gòu)計(jì)算將結(jié)構(gòu)的四邊當(dāng)作簡(jiǎn)支梁或連續(xù)梁計(jì)算[1]，結(jié)果偏于保守，并不準(zhǔn)確。設(shè)計(jì)首先考慮采用有限元計(jì)算來(lái)解決，這也是擋土墻計(jì)算的趨勢(shì)[13?14]。但有限元不能有效解決穩(wěn)定性參數(shù)結(jié)果的問(wèn)題，因此計(jì)算方法選擇上，將兩種計(jì)算結(jié)合，對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算采用常規(guī)擋土墻的計(jì)算方法，而對(duì)結(jié)構(gòu)內(nèi)力的計(jì)算則采用有限元分析方法，彌補(bǔ)兩者的不足。

2.4 穩(wěn)定性驗(yàn)算

空箱型擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算同重力式擋土墻一樣，需要驗(yàn)算其抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)Fs、抗傾覆穩(wěn)定性Ft及地基承載力要求[15]。

擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算過(guò)程中需要注意的事項(xiàng)：

（1）在墻后填土施工時(shí)，擋墻頂部的土尚未回填，對(duì)擋土墻穩(wěn)定性不起作用，因此需要計(jì)算兩個(gè)工況，工況一是墻背填土至箱型結(jié)構(gòu)頂部時(shí)，工況二是頂部全部填土完成。對(duì)工況一的計(jì)算按臨時(shí)工況考慮，各穩(wěn)定性參數(shù)允許值可降低要求。

（2）土壓力的計(jì)算，因?yàn)榈叵率业拇嬖冢瑩跬翂Ρ程钔翞橛邢薹秶钔?，?duì)有限范圍的填土，規(guī)范中按傾斜的巖石坡面進(jìn)行計(jì)算，但本項(xiàng)目中填土外為直立的地下室結(jié)構(gòu)，為簡(jiǎn)化計(jì)算，按擋土墻坡腳至中點(diǎn)對(duì)應(yīng)處拉一條斜線為計(jì)算面，計(jì)算偏于保守。

因?yàn)樾枰{(diào)整空箱尺寸以滿足其承載力要求，因此驗(yàn)算過(guò)程中根據(jù)計(jì)算結(jié)果調(diào)整箱型結(jié)構(gòu)尺寸，以得到滿意的結(jié)果。圖1為經(jīng)試算調(diào)整后最終采用的設(shè)計(jì)參數(shù)。

圖1 空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)示意圖（單位：m、mm）

擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算過(guò)程不詳述，僅列出計(jì)算結(jié)果。穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果為：工況一抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)Fs=1.315>1.30，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)Ft=4.035>1.60；工況二Fs=1.345>1.30，F(xiàn)t=3.462>1.60；穩(wěn)定性滿足要求。地基承載力方面，擋墻基底壓應(yīng)力最大值88.32 kPa，最小值29.21 kPa，平均為58.77 kPa，滿足承載力要求。以上理論計(jì)算中，將上部結(jié)構(gòu)和填土質(zhì)量當(dāng)作均質(zhì)體處理，實(shí)際上填土主要分布于墻背后部，前部為空箱結(jié)構(gòu)，故實(shí)際墻體的壓應(yīng)力最大值要小于上述計(jì)算值，最小值則大于計(jì)算值，前后壓應(yīng)力差值并不大。

從計(jì)算結(jié)果看，采用空箱型結(jié)構(gòu)減載后，擋土墻整體上質(zhì)量減輕，擋土墻基底壓應(yīng)力大幅降低，地基承載力能夠滿足要求。計(jì)算中控制性參數(shù)則是抗滑移穩(wěn)定性，這是因?yàn)閾鯄障浣Y(jié)構(gòu)整體重力下降導(dǎo)致的。

2.5 結(jié)構(gòu)內(nèi)力計(jì)算

本項(xiàng)目為了得到較為精確的土壓力及結(jié)構(gòu)內(nèi)力結(jié)果，采用有限元軟件進(jìn)行計(jì)算。根據(jù)設(shè)計(jì)參數(shù)建模，模擬擋土墻建造、填土過(guò)程，計(jì)算出結(jié)構(gòu)的彎矩、軸力及剪力，再進(jìn)行各截面的配筋計(jì)算。

有限元模型及得到的計(jì)算結(jié)果見(jiàn)圖2?圖5。

圖2 有限元網(wǎng)格模型

圖3 單位寬度箱型結(jié)構(gòu)軸力圖

圖4 單位寬度箱型結(jié)構(gòu)剪力圖

圖5 單位寬度箱型結(jié)構(gòu)彎矩圖

3 應(yīng)用效果討論

本項(xiàng)目經(jīng)設(shè)計(jì)變更后順利施工，未影響主體結(jié)構(gòu)工期，設(shè)計(jì)效果好，經(jīng)濟(jì)效應(yīng)明顯。擋土墻使用時(shí)間已超過(guò)兩年，經(jīng)過(guò)兩個(gè)雨季的考驗(yàn)，未出現(xiàn)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)中擋墻仍需要設(shè)置泄水孔，泄水孔需穿過(guò)空箱結(jié)構(gòu)，排水管較長(zhǎng)，應(yīng)予以注意。

從計(jì)算數(shù)據(jù)可看出，空箱型結(jié)構(gòu)因本身自重小，計(jì)算中抗滑移穩(wěn)定性最低，是控制性參數(shù)，墻背土壓力大時(shí)并不適用。為比較設(shè)計(jì)效果，在前述穩(wěn)定性驗(yàn)算中，將墻背填土改為無(wú)限填土，則抗滑移穩(wěn)定系數(shù)小于1.3，不能滿足規(guī)范要求。本項(xiàng)目因?yàn)榕R近地下室結(jié)構(gòu)的存在，限制了擋土墻的選型，但是因有限空間的存在，也減小了墻后填土的側(cè)壓力，使得空箱型結(jié)構(gòu)得以采用。

4 結(jié)論

（1）本項(xiàng)目在場(chǎng)地空間受限、地基承載力低，常規(guī)擋土墻方案均難以實(shí)施的情況下，充分利用土壓力不大的優(yōu)勢(shì)，采用空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)，減輕了擋土墻自重，降低了地基承載力要求，滿足了項(xiàng)目的需要。在類似地產(chǎn)項(xiàng)目中，即項(xiàng)目的地下室及地面標(biāo)高高于原設(shè)計(jì)地面，地下室外需要支擋，地基承載力不足時(shí)，選用該空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)，可以節(jié)省大量地基處理或樁基礎(chǔ)的費(fèi)用，經(jīng)濟(jì)性好。

（2）空箱型擋土墻結(jié)構(gòu)的優(yōu)勢(shì)在減輕擋土墻自重、降低地基承載力要求，但其正因?yàn)樽灾剌p，抗滑移穩(wěn)定性較低，計(jì)算及應(yīng)用需要予以注意。

（3）設(shè)計(jì)計(jì)算中擋土墻的穩(wěn)定性與內(nèi)力計(jì)算是分開(kāi)采用兩種方法計(jì)算的，計(jì)算原理清晰，可以體現(xiàn)各計(jì)算方法的優(yōu)勢(shì)。但計(jì)算過(guò)程相對(duì)復(fù)雜，尤其是采用有限元建模進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。下一步可以通過(guò)研究有限元計(jì)算結(jié)果與原來(lái)簡(jiǎn)單的連續(xù)梁計(jì)算結(jié)果的差異性，找出規(guī)律性后建立簡(jiǎn)化的計(jì)算模型，方便應(yīng)用。