空箱減載型擋土墻在深厚填土地基中的應用

葛 帆

（1.深圳市地質局，廣東深圳 518023；2.深圳地質建設工程公司，廣東深圳 518023）

0 引言

1776年，庫倫提出了庫倫土壓力理論，促進了擋土墻的廣泛應用。在原有重力式擋土墻基礎上，衍生出各種新型擋土墻結構，箱型擋土墻就是其中的一種。現有箱形結構擋土墻主要用于道路工程和水工結構。道路工程中的箱型擋土墻實質上仍然是重力式擋土墻，通過在混凝土箱型結構內填料，可以節省圬工，提高穩定性，優化設計[1?2]。張實斌[3]通過混凝土箱型結構內部填土，應用于高度15～20 m高的擋土墻。鄒文輝等[4]、孫可君[5]設計應用了預制式箱形重力式擋土墻。賓敬林[6]采用箱型結構擋土墻對引橋護坡進行改造。空箱型擋土墻結構多用于水工結構中。許正松等[7]、石明宇等[8]采用空箱擋土墻結構用于水閘的改造加固。于桂云等[9]、唐 杰[10]均通過增加卸荷平臺調整空箱式擋土墻的土壓力，進行了優化設計。童新國[11]設計了一種漿砌塊石的連拱空箱式擋土墻結構，可以降低地基承載力，減少圬工量。李文斌[12]利用箱形結構剛度好的優勢，采用箱形擋土墻解決高度超過12 m的擋土墻變形過大的問題。

本文所述箱型結構擋土墻是空箱型鋼筋混凝土結構，箱內不填土，該結構在滿足擋土功能的基礎上，能降低地基承載力要求，可以解決場地地基承載力不足的問題，在交通水利之外的建筑工程中此類應用并不多見。基于項目的實際條件限制，創新性地提出采用空箱型擋土墻結構，解決了實際工程問題，節省了造價。本文論述了設計思路的提出及計算過程，對該空箱型擋土墻進行了常規擋土墻穩定性驗算，并應用有限元軟件進行內力計算，得到較為準確的計算結果。

1 項目概況

某地產項目位于惠州大亞灣，場地地貌類型為丘陵地貌及局部夾山前沖溝地貌，后經人工改造（含山體平整），局部加填厚度不一的填土，場地地勢起伏較大，總體地勢呈南低北高勢態。項目南側邊界上設計標高與場外地面存在6.5 m高差，需要擋土墻支擋。

1.1 工程地質條件

場地進行的勘察探明，擬建場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粉質黏土、③1全風化砂礫巖、③2強風化砂礫巖、③3中等風化砂礫巖（破碎）、③4中等風化砂礫巖。

位于南側擋土墻位置地質剖面揭露，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，回填時間超過10年。勘察報告提供的填土層地基承載力為80 kPa。

1.2 場地條件

場地南側原為混凝土攪拌站堆料場，原始地形標高約19.0 m，場地設計標高25.5 m，高差6.5 m，擋土墻長度約141 m。地下室退線6 m，一層地下室，地下室標高20.3 m。地下室結構為樁基礎。受地下室限制，擋土墻允許建設寬度不到6 m。

2 擋土墻設計

2.1 問題的提出

該處擋土墻最初設計為扶壁式擋土墻，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。考慮到現有地基承載力不足，需要進行地基處理。地基為多年回填的深厚填土，選用強夯法對地基進行加固。設計為兩遍點夯一遍滿夯，點夯夯擊能5000 kN·m，滿夯夯擊能1000 kN·m。在現有場地條件下，強夯為最合適且最經濟的方案。

然而項目施工過程中，因主體結構工期緊，項目基樁及地下室先行施工，導致原設計的強夯處理方案無法實施，擋土墻地基承載力無法滿足要求，扶壁式擋土墻結合地基強夯處理的設計方案需要調整。

因地質條件限制，填土厚度大且含塊石，攪拌樁及注漿加固方案均難以實施；增加樁基礎的方案因填土深度太大而非常不經濟，CFG樁地基處理同樣存在這個問題。加筋土擋土墻方案對地基承載力要求低，但場地受已完工地下室限制，墻后空間只有6 m，無法保證6.5 m高加筋土墻的穩定。根據建筑設計的要求，此處必須采用擋土結構將地下室圍護，而不能直接外露。因此需要尋求一種現有空間下地基承載力要求低且經濟性好的支擋方案。

2.2 空箱型擋土墻設計思路

在不進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計的難點。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，有利于本設計。

基于此設計條件，采用空箱型擋土墻的設計思路，在原有扶壁擋土墻基礎上，設法減少土方回填量，進而減少擋土墻基底壓力。采用空箱結構可以實現這一目的。

空箱結構設計需要考慮：（1）空箱尺寸夠大，保證混凝土結構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，滿足小區內綠化及管線布設要求；（4）空箱不能太輕，需要保證適當的質量，滿足抗浮要求；（5）需要給擋土墻結構本身預留足夠的施工空間。

在考慮以上幾點的基礎上，調整空箱的尺寸，如空箱的寬、高，墻趾、墻踵尺寸，結構的厚度則根據結構受力確定，最終滿足建筑要求、滿足地基承載力要求。考慮到擬建擋土墻位置填土回填時間較久，且經多年車輛碾壓，填土本身已完成自重固結，變形能夠滿足要求。

2.3 計算方法選擇

空箱型擋土墻的計算，需考慮穩定性以及結構內力等計算內容。箱型結構的受力比較復雜，尤其是本次設計中箱型結構并非簡單的四邊形。常規箱型結構計算將結構的四邊當作簡支梁或連續梁計算[1]，結果偏于保守，并不準確。設計首先考慮采用有限元計算來解決，這也是擋土墻計算的趨勢[13?14]。但有限元不能有效解決穩定性參數結果的問題，因此計算方法選擇上，將兩種計算結合，對擋土墻的穩定性驗算采用常規擋土墻的計算方法，而對結構內力的計算則采用有限元分析方法，彌補兩者的不足。

2.4 穩定性驗算

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

擋土墻穩定性驗算過程中需要注意的事項：

（1）在墻后填土施工時，擋墻頂部的土尚未回填，對擋土墻穩定性不起作用，因此需要計算兩個工況，工況一是墻背填土至箱型結構頂部時，工況二是頂部全部填土完成。對工況一的計算按臨時工況考慮，各穩定性參數允許值可降低要求。

（2）土壓力的計算，因為地下室的存在，擋土墻墻背填土為有限范圍填土，對有限范圍的填土，規范中按傾斜的巖石坡面進行計算，但本項目中填土外為直立的地下室結構，為簡化計算，按擋土墻坡腳至中點對應處拉一條斜線為計算面，計算偏于保守。

因為需要調整空箱尺寸以滿足其承載力要求，因此驗算過程中根據計算結果調整箱型結構尺寸，以得到滿意的結果。圖1為經試算調整后最終采用的設計參數。

圖1 空箱型擋土墻結構示意圖（單位：m、mm）

擋土墻穩定性驗算過程不詳述，僅列出計算結果。穩定性計算結果為：工況一抗滑移穩定性系數Fs=1.315>1.30，抗傾覆穩定性系數Ft=4.035>1.60；工況二Fs=1.345>1.30，Ft=3.462>1.60；穩定性滿足要求。地基承載力方面，擋墻基底壓應力最大值88.32 kPa，最小值29.21 kPa，平均為58.77 kPa，滿足承載力要求。以上理論計算中，將上部結構和填土質量當作均質體處理，實際上填土主要分布于墻背后部，前部為空箱結構，故實際墻體的壓應力最大值要小于上述計算值，最小值則大于計算值，前后壓應力差值并不大。

從計算結果看，采用空箱型結構減載后，擋土墻整體上質量減輕，擋土墻基底壓應力大幅降低，地基承載力能夠滿足要求。計算中控制性參數則是抗滑移穩定性，這是因為擋墻空箱結構整體重力下降導致的。

2.5 結構內力計算

本項目為了得到較為精確的土壓力及結構內力結果，采用有限元軟件進行計算。根據設計參數建模，模擬擋土墻建造、填土過程，計算出結構的彎矩、軸力及剪力，再進行各截面的配筋計算。

有限元模型及得到的計算結果見圖2?圖5。

圖2 有限元網格模型

圖3 單位寬度箱型結構軸力圖

圖4 單位寬度箱型結構剪力圖

圖5 單位寬度箱型結構彎矩圖

3 應用效果討論

本項目經設計變更后順利施工，未影響主體結構工期，設計效果好，經濟效應明顯。擋土墻使用時間已超過兩年，經過兩個雨季的考驗，未出現問題。

設計中擋墻仍需要設置泄水孔，泄水孔需穿過空箱結構，排水管較長，應予以注意。

從計算數據可看出，空箱型結構因本身自重小，計算中抗滑移穩定性最低，是控制性參數，墻背土壓力大時并不適用。為比較設計效果，在前述穩定性驗算中，將墻背填土改為無限填土，則抗滑移穩定系數小于1.3，不能滿足規范要求。本項目因為臨近地下室結構的存在，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壓力，使得空箱型結構得以采用。

4 結論

（1）本項目在場地空間受限、地基承載力低，常規擋土墻方案均難以實施的情況下，充分利用土壓力不大的優勢，采用空箱型擋土墻結構，減輕了擋土墻自重，降低了地基承載力要求，滿足了項目的需要。在類似地產項目中，即項目的地下室及地面標高高于原設計地面，地下室外需要支擋，地基承載力不足時，選用該空箱型擋土墻結構，可以節省大量地基處理或樁基礎的費用，經濟性好。

（2）空箱型擋土墻結構的優勢在減輕擋土墻自重、降低地基承載力要求，但其正因為自重輕，抗滑移穩定性較低，計算及應用需要予以注意。

（3）設計計算中擋土墻的穩定性與內力計算是分開采用兩種方法計算的，計算原理清晰，可以體現各計算方法的優勢。但計算過程相對復雜，尤其是采用有限元建模進行結構計算。下一步可以通過研究有限元計算結果與原來簡單的連續梁計算結果的差異性，找出規律性后建立簡化的計算模型，方便應用。