高大擋墻帶礦倉結構分析

孔令炬

紫金（廈門）工程設計有限公司（361005）

0 前言

對于一些露采礦山，礦石通過汽車運輸至粗碎車間進行粗碎。為方便汽車倒礦，常利用現有地形高差形成倒礦平臺，在平臺臨空面設置擋墻。擋墻靠土一側帶礦倉用于儲礦，因此形成這種特殊的擋墻帶礦倉的結構形式。

1 結構簡圖

本案例采用扶壁式擋墻帶礦倉方案。擋墻剖面如圖1所示，擋墻底板如圖2所示，礦倉為角錐形漏斗如圖3所示。

圖1 擋墻剖圖

圖2 擋墻底板

圖3 礦倉為錐形漏斗狀

2 結構分析

2.1 土壓力計算

根據擋墻受力特點可知，土壓力為主動土壓力。由《建筑地基基礎設計規范》[1]（以下簡稱《地規》）第6.7.5 條，主動土壓力Ea=（1/2）ψaγh2ka。 需注意其中的兩個系數:主動土壓力增大系數ψa和主動土壓力系數ka。

由《地規》第6.7.3條條文說明可知，對于高大擋土墻（指墻高大于5m），通常不允許出現達到極限狀態時的位移值，因此在土壓力計算式中計入增大系數ψa。擋土墻高度小于5m時ψa宜取1.0，高度5～8 m時宜取1.1，高度大于8 m時宜取1.2。

對于地震區擋土墻，主動土壓力系數Ka需按《構筑物抗震設計規范》[2]（以下簡稱 《構抗規》）第25.2.2條的規定采用主動地震土壓力系數KEa。

2.2 扶壁式擋墻計算

2.2.1 穩定性驗算:按《地規》第6.7.5條進行驗算

抗滑移穩定性和抗傾覆穩定性驗算時需注意，當礦倉為空倉時為最不利狀態。驗算過程中抗傾覆力矩計算稍微復雜些，計算時可對土體和擋墻進行分塊和編號，分別算出各塊的重量及到墻趾的距離，相乘后代數相加即可得抗傾覆力矩。

整體滑動穩定性可采用圓弧滑動面法進行驗算。這個手算比較麻煩，一般配合電算完成。

地基承載力計算可按《地規》5.2節進行，但基底合力的偏心距不應大于0.25倍基礎的寬度。計算基底壓力時主要難點在于基礎底面的抵抗矩W的計算，可根據圖2計算出擋墻底板形心，求出形心后通過移軸公式便可算得基礎底面慣性矩Ix。當偏心距 e＜b/6 時，采用式 Pk=（Fk+Gk）/A+M×Lx/Ix。 當偏心距 e＞b/6 時，采用式 Pkmax=[2（Fk+Gk）]/3La。 算得的基底反力用于校核地基承載力是否滿足要求，乘相關系數后可用于擋墻底板配筋計算。

2.2.2 擋墻立板計算

立板為三邊固定、一邊自由的板。作用于其上荷載為水平方向上的土壓力（有地下水時還有水壓力）。計算時，可將立板劃分為上、下兩部分，在距底板頂面1.5L1（L1為兩扶壁之間凈距）高度以下的立板，視為三邊固定、一邊自由的雙向板。而以上部分則可沿高度將其劃分為單位高的水平板帶，以扶壁為支座，按水平單向連續梁計算，作用其上的均布荷載取水平方向土壓力的平均值。

上部水平單向連續梁內力可按下式計算:

跨中彎矩:M中=

扶壁處的端部固端彎矩:M端=

扶壁處的端部最大剪力:V端=

式中，M中，M端——板帶跨中，扶壁處端截面彎矩；Pi——立板上部某單位寬板帶內的平均土壓力；L1——兩扶壁間凈距。

板的下部為三邊固定、上邊緣自由的矩形板。在梯形荷載作用下，內力計算可查靜力手冊,分別算出均布荷載和三角形荷載作用下的內力，然后進行疊加。

2.2.3 擋墻扶壁計算

扶壁與立板共同作用組成T型截面。按T型截面懸臂梁計算，T型截面高度和翼緣板厚度均可沿墻高變化。因墻身自重及扶壁寬度上的土重產生的壓力很小，常略去不計。故T型截面懸臂梁一般不按偏心受壓構件計算，而是按受彎構件計算。由懸臂梁彎矩分布圖可知，扶壁配筋沿墻高可分段減少，通常每5 m取一段。

2.2.4 擋墻墻趾板和墻踵板計算

墻趾板按懸臂板計算，墻踵板計算則需考慮下列兩種情況:

墻踵板凈寬L2與扶壁凈距 L1之比 L2/L1＜1.5時，按三邊固定、一邊自由的雙向板計算。在梯形荷載作用下，內力計算可查靜力手冊,計算出均布荷載和三角形荷載作用下的內力，然后進行疊加。

若L2/L1＜1.5時,則同立板，距立板1.5L1范圍的板按三邊固定、一邊自由的雙向板計算。以外部分，按單向連續梁計算。

對立板、扶壁、墻趾板和墻踵板更詳細的介紹，可查閱參考文獻[3]。

2.3 礦倉驗算

2.3.1 礦石對礦倉的壓力計算

需根據礦倉內的貯料高度（hn）與矩形筒倉短邊（b）之比確定，hn/b＜1.5為淺倉，否則為深倉。兩者區別在于，淺倉貯料與倉壁的摩擦力較小，計算中可不考慮，而深倉則需考慮。對礦倉壓力計算更詳細的描述可查閱參考文獻[4]。

2.3.2 倉底角錐形漏斗計算

倉底角錐形漏斗的受力分析是礦倉的難點，從受力特點可知漏斗壁是拉彎構件。

拉力:漏斗壁在貯料法向壓力（Pn）及自重作用下，對相鄰漏斗壁產生水平拉力Nh，對本身漏斗壁產生斜向拉力Nm，如圖4所示。

平面外彎曲:漏斗壁在貯料法向壓力（Pn）及自重作用下產生平面外彎曲。計算漏斗壁彎曲時，相鄰漏斗壁以及漏斗壁與倉壁之間按固端考慮，卸料口處按簡支考慮。另需注意對梯形漏斗壁平行邊的短邊（a1）與長邊（a）之比，當 a1/a＜0.25 按三角形板計算。當 0.25＜a1/a＜0.5 時，按梯形板計算。當 0.5＜a1/a＜1.0時，可簡化為矩形板計算，如圖4所示。

根據角錐形漏斗的上述受力特點，漏斗壁的水平鋼筋面積，由水平拉力和該方向的平面外彎矩，按偏心受拉構件進行計算；漏斗壁的斜向鋼筋面積，由斜向拉力和該方向的平面外彎矩，按偏心受拉構件計算。另需注意，當漏斗壁與倉壁及相鄰漏斗壁的交接處有不平衡彎矩時，可將不平衡彎矩分配給相鄰壁，相應調整跨中彎矩。一般情況下，不平衡彎矩小于20%時，可不作調整而取其大者進行配筋計算。當不平衡彎矩大于20%時，近似取平均值進行配筋計算。

圖4 倉底角錐形漏斗

3 結語

文章以實際案例論述了高大擋墻帶礦倉的設計過程及結構特點。對這種特種結構一般無相應的計算軟件進行計算，因此在設計過程中，需根據結構方案、受力特點和相關的手冊進行手算。為方便修改及對比分析，可借助EXCEL將分析計算過程編成EXCEL計算書。這樣修改某些數據便能立刻得到結果，判斷修改后方案是否更優、更合理。