王春超
中国电力工程顾问集团东北电力设计院有限公司，长春 130021
【摘要】空箱式挡土墙是一种较为特殊的挡土墙，由底板、立墙及间隔墙组成空箱状，依靠空箱内填土或者充水的重量来维持稳定[3]。空箱式挡土墙特点鲜明，受力合理，相比于重力式挡土墙和扶壁式挡土墙，由于引入土或水来保持稳定，可有效的减少结构混凝土或其他材料用量；相对于扶壁式挡土墙，取消了面板后方的长扶壁，可在挡土墙两侧均提供平整光滑的结构面，尤其适用于隔水的情况。
【关键词】结构设计；水工结构；挡土墙；空箱式挡土墙
1引言
挡土墙的结构计算，可按单构件验算，也可整体建模计算。实例挡土墙结构结合两种方式，首先采用STAAD.PRO进行整体建模和结构分析，得到结构的合理内力分布和基底压力分布，并进行地基承载力和沉降验算，进而通过挡土墙计算软件分析结构稳定性，并进行结构构件设计，从而得到更加合理的结构设计结果。
实例空箱式挡土墙全长1.6km，以18m为一个标准段，各标准段之间设置宽30mm的伸缩缝，并设置三向止水。挡土墙底板宽9m，空箱净宽3.5m，空箱隔墙间距5m。取水明渠侧挡墙面板顶标高3.3m的，排水侧挡墙面板顶标高3.7m，挡墙底板底标高-7.8m，最大挡墙高度11.5m。由于取、排水明渠的底标高不同，且排水侧水位高于取水侧，在取水侧底板下设置凸榫增加抗滑稳定。空箱式挡土墙标准段平面布置图见图1，典型剖面图见图2。通过对空箱式挡土墙结构特点的分析，在STAAD.PRO中按以下步骤建立结构三维模型[4]。
1）构建模型轮廓。确定结构的控制点坐标，并建立杆单元模拟底板及竖墙的结构边界，搭建起地下结构的杆系外轮廓；
2）建立板单元。利用STAAD.PRO的填充板功能，将杆单元构成的轮廓以板单元填充，模拟墙板结构；再利用板单元网格划分功能将轮廓板划分为0.2mx0.2m的计算单元（计算板单元大小根据实际计算需要调整）。
3）定义基础约束。由于空箱式挡土墙采用天然地基，因此可以用STAAD.PRO的Plate Mat Foundation建立筏板基础约束，具体命令为PLATE MAT DIRECT ALL SUBGRADE f1 f2 f3 PRINT，其中，f1 f2 f3分别为Y、X、Z方向土的压缩模量。
4）初步确定板单元厚度。板厚可根据设计经验进行初选，待分析完成之后再进行优化调整。建立完成的STAAD.PRO模型如图3所示。
1.2基本工况及荷载组合
确定结构的基本荷载及相应的荷载组合是进行结构设计的重要内容，《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）中对荷载及组合进行了规定。实例空箱式挡土墙的基本荷载主要包括：结构自重、空箱内填土重、底板上覆土重、挡墙两侧内水压力、土的侧土压力、地震荷载等。挡土墙的稳定计算是结构设计的重要内容，对本实例工程而言，主要包括抗滑稳定与抗倾覆稳定。依据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007）确定空箱式挡土墙级别为2级，相应的基本工况及特殊工况的荷载组合见表2，各工况下的水位及稳定分析安全系数[3]见表3。
2计算结果分析
2.1地基承载力及沉降验算
挡土墙基础持力层为粉土，承载力特征值140kPa，压缩模量10MPa。在STAAD.PRO中，地基压缩模量取沉降计算深度范围内的加权平均值，以得到相应的基础沉降值。在进行分析后，在模型后处理模块，可以提取到各工况下的基底反力及基础沉降。对于土质地基上的挡土墙，压缩层计算深度取至地基附加应力与自重应力之比为0.20处。以保证挡土墙安全和正常使用为原则，实例挡土墙最大沉降量不超过150mm，相邻部位最大沉降差不宜超过50mm[3]。应取挡土墙的荷载准永久组合进行沉降计算。取正常运行工况计算沉降，墙趾处沉降为58mm，墙踵处为51mm，沉降值及沉降差满足要求。
2.2稳定性验算
挡土墙的稳定性计算可以从STAAD.PRO中提取总水平力进行计算，也可运用挡土墙计算软件模拟计算，本例采用后者，根据等效计算截面进行稳定性验算。挡土墙基底面与持力层的摩擦角和粘聚力，此处综合考虑《建筑地基基础设计规范》（GB 50007-2011）与《水工挡土墙设计规范》（SL379-2007）的相关规定[3][5]，取摩擦系数0.35计算抗滑稳定。同时，底板底部设置抗滑凸榫，增加额外被动土压力抵抗滑动力。各工况下的挡土墙稳定验算结果见表5。
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2.3强度设计及裂缝验算
STAAD.PRO可直接给出板单元的内力，但进行板单元整体配筋计算略显困难，因此挡土墙各板强度设计和裂缝验算，可通过提取内力的方式由结构计算软件进行单构件结构设计。在进行单构件验算时，土质地基上空箱式挡土墙底板的前趾可简化为固支在墙体上的悬臂板，按受弯构件计算；底板的空箱部分可简化为四边固支在墙体上的弹性板，按双向板计算；墙身下部1.5倍隔墙间距以内部分可简化为三边固支、一边自由的弹性板，按双向板计算，其余部分按单向板计算；墙身也可沿水平向截条按框架计算[3]。综合各工况下的挡土墙强度计算结果，最终采用的结构配筋方案及裂缝验算结果见表6。
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3结论
通过工程实例及对空箱式挡土墙的结构设计研究，可得到以下有益结论：
1）空箱式挡墙可以很好的实现挡土、水功能，适用于对挡土墙经济性要求较高，采用重力式挡土墙或悬臂式挡土墙结构断面较大的情况，尤其适用于解决空间不足情况下的水流分隔问题。
2）空箱式挡墙结构构件较多，合理模拟和拆分构件是进行结构设计的难点和关键。选择STAAD.PRO进行挡墙结构整体的安全分析，并根据空箱式挡墙的受力特点将其拆分为不同的板结构，结合传统的结构设计工具进行构件强度设计，可充分发挥不同软件的优势，实现更加合理的结构设计。
3）运用STAAD.PRO进行空箱式挡墙结构模型的模拟，应充分考虑到结构合理性与分析可靠性。以梁单元首先建立模型轮廓，很好的解决了模型空间复杂、建模易出错的问题。
4）基本工况与荷载组合是决定分析正确性的关键因素。应合理的建立足够的基本工况，并组合出最不利工况组合，才能保证设计的可靠性。
5）稳定验算是挡土墙结构设计的关键内容，应充分重视不利工况下的结构稳定问题。
参考文献
[1] 管枫年,薛广瑞,王殿印.《水工挡土墙设计》[M]. 北京: 中国水利水电出版社,1996.
[2] 郝明,孙强. 浅淡超高空箱式挡土墙设计与施工[J]. 陕西水利,2016(2):102-104.
[3] 水工挡土墙设计规范: SL379-2007[S].
[4] 魏亮. 《结构软件学且思--以STAAD为例》[M]. 天津: 天津大学出版社, 2015.
[5] 建筑地基基础设计规范: GB50007-2011[S].