扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設計

張偉

摘要:根據扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設計經驗，依據規范，對扶壁式鋼筋混凝土擋土墻在設計中如何選擇合理的模型、如何分析各部分內力計算及各部位構造要求等問題提出的建議，可供工程設計參考。

關鍵詞:扶壁式鋼筋混凝土擋土墻;滑移穩定;傾覆穩定;復合樁基;

一、 適用條件和構造要求：

當墻身高度大于或等于8m時，若采用懸臂式鋼筋混凝土擋土墻，往往墻身過厚，很不經濟，此時若采用扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，常常能收到滿意的經濟效果。

扶壁式鋼筋混凝土擋土墻由垂直墻身、基礎底板和扶壁組成，基礎底板劃分為外挑板和內挑板，如圖1所示。

圖1扶壁式擋土墻

扶壁式擋土墻各部分尺寸的一般構造要求如下：墻高H≥8m，基礎寬度l取（1/3-1/2）H，扶壁間距L取（1/3-1/2）H，扶壁厚度≥300-400mm，扶壁頂寬≥300-400mm，基礎底板外挑板厚度不應小于200mm，基礎底板內挑板厚度不應小于250mm，垂直墻身頂部厚度不宜小于150mm，墻身底部厚度由計算確定，但不小于150mm。

為了降低水壓的影響，減少墻背面的水平壓力，墻后應做好排水措施。當墻后填料是砂礫土時，可以在墻背底部設置一層卵石排水層，在墻身中每隔3m左右設置10-15cm孔徑的泄水孔;當墻后填料為粘土或其他低孔隙率土時，在墻背面應先鋪設一層厚度為300mm以上的卵石濾水層，然后再在卵石外面分層夯填粘土。

基礎埋深不小于1m，凍脹類土不應小于凍結深度以下0.25m。

擋土墻應每隔25m左右設置一條30mm寬的伸縮縫，縫內填瀝青麻絲或瀝青木絲板。

二、 荷載及水平土壓力計算

擋土墻荷載除自重外，主要為土壓力。土壓力又分為垂直土壓力和水平土壓力，垂直土壓力的計算較為簡單，而水平土壓力可采用《建筑地基基礎設計規范》GB/T50007—2002的公式、庫倫理論或朗金理論計算，本次設計推薦朗金理論進行計算。為簡化計算及偏于安全起見，可忽略墻身前被動土壓力的影響，只考慮主動土壓力，并忽略墻身后面的填土與墻身間的摩擦力。

計算擋土墻的強度用設計值，計算地基承載力、滑移穩定和傾覆穩定時用標準荷載。荷載分項系數取值如下：對于自重、土，r=1.2;對于地面均布活荷載和地下水r=1.3-1.4。

取擋土墻單位長度1m進行計算，擋土墻水平土壓力的標準值按下式計算（圖2）：

圖2

墻身頂部處： q1=PKtg2(45o-φ/2)(1)

地下水位頂面處：q2=[PK+rt(H1-Hw)]tg2(45o-φ/2)(2)

墻身底部處：

q3=[PK+rt(H1-Hw)+(rt-0.7rw)Hw]tg2(45o-φ/2)+rwHw(3)

式中：

Pk-地面均布活荷載標準值(KN/m2)

rt-土的標準重度(KN/m3)

φ-墻后填土的內摩擦角

rw-水的標準重度(KN/m3)

H1-擋土墻墻身頂面到其底面的距離(m)

Hw-地下水位頂面至墻身底面的距離(m)

三、 內力計算

1. 垂直墻身和基礎底板內挑板( 墻趾板)

均按三邊支承一邊自由板計算。

2. 底板外挑板(墻踵板)

按單向懸挑板計算

3. 扶壁

扶壁為墻身的支座，求出墻身板邊緣的剪力，就可得到扶壁所受的水平荷載，然后再按懸臂梁計算扶壁的內力。墻身板的邊緣剪力系數可查表求得。

四、 滑移穩定計算

按下式計算(圖3)：

[μ(Wk+Gk)cosα0+μXksinα0]/[Xkcosα0-(Wk+Gk)sinα0]≥1.3(4)

Wk=W1k+W2k

Xk=X1k+X2k

式中：

W1k--墻身自重的標準值(KN)

W2k--底板自重的標準值(KN)

Gk--底板DE段范圍內地面活荷載標準值和土自重標準值之和(KN)

X1k--地面活荷載標準值所產生的水平壓力(KN)

X2k--土自重標準值所產生的水平壓力(KN)

μ--擋土墻基礎底面與地基土的摩擦系數

α0--基礎底面與水平面的夾角(度)，對于砂土或粘性土一般不宜大于6°，對于碎石土和巖石一般不宜大于11°。

五、 傾覆穩定計算

按下式計算(圖3)

Mzk/Mqk≥1.60 (5)

Mzk=∑Wikxi+Gkxf

Mqk=∑Xikyi

式中:

Mzk—標準荷載W1k、W2k、Gk對C點的穩定力矩總和(KN-m)

Mqk—標準荷載X1k、X2k對C點的傾覆力矩總和(KN-m)

圖 3

六、 地基承載力計算

1、 地基壓力P(KN/m2)計算

偏心距e0(m)

e=(Mz-Mq)/[(W+G)cosα0](6)

e0=B/2-e(7)

當e0≤B/6時：

Pmax min={[(W+G)cosα0]/B}(1±6e0/B)(8)

當e0＞B/6時：

Pmax=[2(W+G)cosα0]/3e

Pmin=0 (9)

式中：

e—垂直于基礎底板面的合力到最大應力Pmax邊緣的距離(m)

B—基礎底板的寬度(m)

P—地基壓力設計值在垂直于基礎底板底面方向的分力(KN/m2)

G—底板DE段范圍內地面活荷載設計值和土自重設計值的總和(KN)

W—擋土墻長1m的自重設計值(KN)

Mz—垂直荷載設計值對C點的力矩總和(KN-m)

Mq—水平荷載設計值對C點的力矩總和(KN-m)

2、 地基承載力

地基承載力應滿足下式要求：

Pmax≤1.20f(10)

式中：f—修正后地基承載力特征值(KN/m2)，當α0≠0時，宜乘以折減系數K后使用：α0=0時 K=1，α0=6°時 K=0.90，α0=11°時 K=0.80

e0≤B/4

七、 設計實例

下面是神華北電勝利能源有限公司勝利一號露天煤礦煤生產系統破碎站工程，采用的是扶壁式鋼筋混凝土擋土墻，于2006年3月設計。基礎數據

扶壁式擋土墻的總高度為16.5m，其截面尺寸如圖4所示。墻頂面均布活載Pk=36KN/m2，擋土墻基礎埋深為3.0米，基礎底面座落于細砂層上，地基承載力特征值fk=150kPa，基礎采用樁基礎，持力層為砂礫層，基礎底板底面與水平面的夾角為α0=0°，底板底面與地基土的摩擦系數μ=0.4。扶壁間距為4.0m，扶壁厚為0.6m。墻后用粉土回填，填料的標準重度rt=18KN/m3。填土的內摩擦角φ=300。根據上述條件設計扶壁式鋼筋混凝土擋土墻。

圖 4

1、穩定計算：用標準值

1)滑移穩定計算：

WK+Gk=W1k+W2k+Gk=3452.7KN

Xik=X1k+X2k=906.75KN

(Wk+Gk)u/Xik=3452.7X0.4/906.75=1.52>1.3

2)傾覆驗算：

Mzk=W11kX1+W2kX2+Gkxf=20414.835KN?m

Mqk=X1ky1+X2ky2=6096.15KN?m

Mzk/Mqk=20144.835/6092.15=3.4>1.6(滿足要求)

3、地基承載力：

1)采用設計荷載：荷載分項系數r確定如下

地面均布荷載r=1.3 土荷載r=1.2

2)計算偏心距e0：垂直力對C點力矩設計值總和：

Mz=28428.57 KN?m

水平荷載對C點力矩設計值總和Mq：

Mq=7478.13 KN?m

W+G=6620.76KN

e=(Mz-Mq)/(W+G)=(28428.57-7478.13)/6620.76=3.2m

e0=B/2-e=2.7<11.8/4=2.95m（滿足要求）

3)地基壓力P：

Pmax(Pmin)=(W+G)/B(1±6e0/B)=615(68.3)KN/m2

4、基礎計算：

1)采用復合樁基：

樁徑選為1m，樁距為2.5m，采用滿堂紅的方式布置：

Φp=1m2 Ap=0.785m2 qpk=3500Kpa rp=1.65

R=1665.2KN

2)復合樁基承載力：

R=Qpk/rc+ηcQck/rc=3917KN

地基反力：

N=f?A=3562.5KN

ηc=ηci(Ai/Ac)+ ηce(Ace/AC)=0.4 R>N （滿足設計要求）

注：文章內所有公式及圖表請以PDF形式查看。