《水工擋土墻設計規范》中關于基底應力允許比值的探討

滕少華

(懷化市水利電力勘測設計研究院，湖南 懷化 418000)

1 問題的提出

水工擋土墻在水庫樞紐、庫區、水電站及各種渠系建筑物工程中有著廣泛應用，不但具有一般擋土墻的擋土作用，而且還具有岸邊連接、擋水、導水及側向防滲等多種功能。重力式擋土墻多就地取材，構造簡單，高度一般在2～10m，施工方便，經濟效果較好，特別是渠系水工建筑物中應用廣泛。一般挖坡建墻宜用仰斜式，其土壓力小，且墻背可與邊坡緊密貼合。填方地區可用直立和俯斜式，便于施工使填土夯實。而在山坡上建墻，則宜用直立，因此時仰斜墻身較高，俯斜則土壓力太大。現行SL379- 2007《水工擋土墻設計規范》中的6.3.1條對土質地基和軟質巖石地基上的擋土墻基底應力的最大值與最小值之比有要求，但GB50007- 2011《建筑地基基礎設計規范》卻無此要求。但其對地基有變形計算要求。現探討SL379- 2007對基底應力之比進行允許值控制是否一定合理。

2 問題探討

對SL379- 2007中公式(6.3.3)進行變形得：

(1)

從式(1)可知：在偏心距e=L/6時，基底最小壓力為零。出現上述情況，是否可保障建、構筑物的安全，我們從地基的臨塑荷載及破壞型式進行探討。

地基在荷載作用下往往由于承載力不足而產生剪切破壞。通過剪切破壞的P～S曲線可知：當荷載較小時，基底壓力P與沉降S基本上成直線關系，屬線性變形階段，相應于端點的荷載稱臨塑荷載，以Pcr表示。地基的臨塑荷載是指塑性區將要出現而尚未出現時作用在地基上的單位面積壓力。臨塑荷載的計算公式可根據土中應力計算的彈性理論和土體極限平衡條件導出。工程實踐表明，在大多數情況下，即使地基發生局部剪切破壞，地基中塑性區有所發展，只要塑性區范圍不超出某一限度，就不致影響結構的安全和正常使用，因此以Pcr作為地基土的承載力無疑偏于保守。地基塑性區發展的容許深度與結構類型、荷載性質以及土的特性等因素有關。一般認為，在中心荷載下，塑性區的最大發展深度可控制在基礎寬度的1/4，而其對應的承載力可作為地基承載力特征值。其值一般為地基極限承載力的1/3～1/2。可見地基承載力是有一定的安全度。

中國建筑標準設計研究所出版的標準設計圖集J008- 1-3《擋土墻》2002年合訂本，其中含重力式、抗震重力式和鋼筋混凝土擋土墻。重力式擋土墻統一編號GJBT- 368，圖集號95J008- 1，主編單位：長沙有色冶金設計研究院。重力式擋土墻中有仰斜式、衡重式、直立式和俯斜式。仰斜式(代號YXA1A4D)、衡重式(代號HZA2A5A)、直立式(代號ZLA0B4ED)、俯斜式(代號FXA0A3D)，4種型式的擋土墻，墻高均為5m，其墻趾壓力分別為203～319kPa不等，但墻踵壓力均為0kPa。抗震重力式擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻中也有上述情況存在。如果對上述4種型式中的衡重式、直立式、俯斜式擋土墻進行設計驗算，要達到規范SL379- 2007的基底應力最大值與最小值之比的要求，采用巖土軟件-擋土墻進行驗算，其斷面需分別增大14%～23%，其抗滑和抗傾系數也同時較現行規范要求值增加較大。至于仰斜式，如果不改變墻身坡比，則難以滿足要求。

中國建筑出版社朱彥鵬等編著出版的《支擋結構設計計算手冊》，其中的重力式擋土墻設計計算圖表也有較多墻踵壓力為零的情況存在。以上標準圖集、文獻雖然說明了圖集適用于一般地區，不適用于特殊地區(如鹽漬土、膨脹土、濕陷性黃土、永凍土等)和病害地區(如浸水區、地震設防區、滑坡區、泥石流區等)。但現實設計中，水工擋土墻體型還是會參考標準設計圖集。只是水工擋土墻須考慮其工況的特殊性：①水工擋土墻建基處應避開細、粉砂和粉土易液化的地層。平均粒徑d50=0.07～1.0mm范圍的土，抗液化性能最差。如不能避開，則須采取消除液化的工程措施。②水工擋土墻基礎埋深應滿足沖刷深度要求。③水工擋土墻應考慮洪水浸泡導致墻后填料物理力學指標變化、揚壓力以及墻前水位降落等情況與工況。在滿足上述條件下，即便不能滿足水工擋土墻基底應力最大值與最小值之比要求，工程實踐表明也能保證水工擋土墻長久安全的運行，不致使結構產生過大的不均勻沉降及可能的傾覆破壞。

3 工程實例

圖1 衡重式漿砌石擋土墻

長田灣中型灌區總干渠樁號5+918～5+956段，由于地質條件差，排水不暢，暴雨后水毀造成外堤滑動破壞，不能運行。破壞段緊靠省道，水平距離短，采用仰斜式漿砌石擋土墻進行修復。斷面尺寸見圖2。

圖2 仰斜式漿砌石擋土墻斷面尺寸

4 結語

在幾乎所有的水工建筑物設計中都會遇到擋土墻，水工擋土墻多在有水條件下應用。應用廣泛和運用條件復雜是水工擋土墻的兩個顯著特點。墻型的合理選擇對擋土墻的安全和經濟性有著較大影響。現行水工擋土墻設計規范中關于基底應力比值的要求，部分會增大擋土墻斷面，在點多面廣的中小型水利工程中要求偏嚴(基底下有軟弱下臥層則另當別論)。建議修訂時參考建筑方面的規范，以利拓展水工擋土墻的應用范圍，節省投資。