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衡重式排柱挡墙在边坡支护中应用研究

发表时间：2020/12/15 来源：《基层建设》2020年第24期作者：崔加林1 张新武2

[导读] 摘要：衡重式排柱挡墙的受力机理及设计计算方法，作为衡重式永久排柱挡墙，在设计时应分别按照正常使用工况、地震工况及施工工况进行分析计算，在构造方面采取适当措施满足永久结构的要求。

        1 中国建筑技术集团有限公司；2 建研地基基础工程有限责任公司
        摘要：衡重式排柱挡墙的受力机理及设计计算方法，作为衡重式永久排柱挡墙，在设计时应分别按照正常使用工况、地震工况及施工工况进行分析计算，在构造方面采取适当措施满足永久结构的要求。
        关键词：排柱挡墙；永久性支护结构；设计
        Application of soldier column wall with relieving platform in permanent retaining structure
        Zhang xinwu   Di daohuai Zhu hongbo Liu jiangjiang Li jianfei（Institute of Foundation Engineering，China Academy of Building Reseach，Beijing 100013，China）
        [Abstract] Mechanism and design method of soldier column wall with relieving
        platform are introduced briefly.In the design of such permanent retaining structure，normal working condition，earthquake condition and contruction condition should be considered，some measures should be taken to meet permanent structure demand.[Keywords] soldier column wall with relievingplatform，permanent retaining structure；design.
        1.前言
        带衡重台的挡土墙，即在桩板墙的上部设置刚性连接的卸荷台，卸荷台上的填土的重量使全墙重心后移，增加了墙身的抗倾覆稳定性；同时由于卸荷台的存在，减小了下墙的土压力，削弱了桩身弯矩，改善了受力性能。这类挡土墙已在多个工程中得到应用。
        实际工程中永久边坡支护很常见，支护方法也多种多样。在场地不具备设置锚杆的情况下，采用衡重式桩板挡墙也是一种选择之一。但这类挡墙的设计方法在规范中没用明确给出，也很少见到系统的阐述。本文结合一个工程实例，详细介绍了永久边坡衡重式挡墙的受力特点及设计过程，给出了这种挡墙的构造措施及施工注意事项。
        2，结构计算
        衡重式永久挡墙要进行正常使用工况、地震工况及施工工况这几种工况下的受力计算，取最不利工况下的内力进行设计。
        2.1 正常使用工况计算
        正常使用时，要考虑坡顶地面荷载，一般取10kPa～20kPa，上墙水平土压力采用朗肯主动土压力，卸荷板上竖向土压力为填土自重加上坡顶地面荷载。
        考虑到卸荷板的作用，下墙可视为卸荷板右侧作用均布荷载（坡顶荷载）的土压力计算方法，应力扩散角采用45。+/2，从工程安全性和简易性考虑，经常取45。，支护桩嵌固段的土压力分布可按照《建筑基坑支护技术规程》JGJ 120-2012的计算方法计算。荷载简图如下：

        图1 衡重式桩板挡墙结构受力计算简图
        图中E1为上墙水平土压力，E2为卸荷板下土体对下墙水平土压力，E3为卸荷板右侧土体对下墙土压力，E4为卸荷板上竖向土压力。
        E1=PKah1+γh12Ka/2
        E2=γh22Ka/2
        E3=（P+γh1）Ka（h2-h2’）
        E4=P+γh1
        H2’=Btan￠
        上式中Ka为主动土压力系数，Ka=tan2（45。-/2）
        设计时要分别计算1-1，2-2，3-3截面的内力。三个截面的弯矩分别如下：
        M1=E1h1/3
        M2=E4B/2- E1h1/3
        M3=E1（h1/3+h2）+E2h2/3+E3（h2-h2’）/2-E4B/2
        对于不满足朗肯土压力条件的衡重式挡墙，以上土压力分布形式应按库伦土压力计算。
        2.2 地震工况计算
        对于抗震设防区域的衡重式永久挡墙，需要进行地震工况验算。目前主要采用拟静力法进行地震土压力计算。
        《建筑抗震设计规范》50011-2010第3.3.5条及条文说明规定，地震主动土压力按库伦土压力计算时，土的重度除以地震角的余弦，填土的内摩擦角减去地震角，土对墙背的摩擦角加上地震角，地震角取1.50～100，地震角可参见《建筑抗震鉴定标准》GB 50023-2009第4.2.9条。在《铁路工程抗震设计规范》GB 50111-2006第6.1.4条及《公路工程抗震设计规范》JTJ004-89第3.1.6条也都有规定。
        对于衡重式永久挡墙，抗震验算时的土压力分布同图1，只是按上述规定修正土的内摩擦角和重度。这是一种计算方法。
        另外一种计算方法是将地震压力理解为在非地震土压力基础上附加上一个地震惯性力，这个地震惯性力就是挡墙后面的破裂棱体自重W引起的水平地震力Ph。
        Ph=CzKhW
        其中Cz综合影响系数，取0.25；Kh为水平地震影响系数，基本烈度7度，8度，9度时分别取0.1，0.2，0.4；W为破裂棱体自重。
        地震惯性力计算简图如下：

        图2 地震惯性力计算简图
        在地震工况验算时，可以上当减少坡顶荷载，一般q可取10kPa。
        2.3 施工工况验算
        一般施工工序如下：放坡开挖

施工支护桩

施工冠梁

浇筑下部肋柱及挡土板

施工卸荷板或挑梁

施工上部肋柱及挡土板。
当施工完下部肋柱和挡土板，墙回填到卸荷板下表面时，挡墙为悬臂状态，为不利工况，此时无坡顶荷载及上部填土压力，计算简图如下：

        图3 衡重式桩板挡墙施工工况结构受力计算简图
        E2’=γh22Ka/2
        2-2剖面弯矩为：
        M2’= E2’h2/3
        挡墙要满足施工工况和正常使用工况要去，即
        M2’≤ M2
        另外还要考虑坡顶荷载的影响。对于上部肋柱及挡墙、卸荷板来说，坡顶荷载P为不利荷载，增加了内力；对于下部肋柱及挡墙，则要计算坡顶荷载是有力还是不利，如果是不利荷载，设计时可以取P=20kPa；如果是有利荷载，则设计计算时应取P=0。
        3，工程实例
        某工程位于四川宜宾，地下2层，基坑深度10米，地上4层。因建筑场地地势低洼，周边地面标高比建筑地坪高出越6m~9m，在下部基坑回填后，需对建筑地上部分周边进行永久支护。
        基坑设计采用护坡桩加预应力锚杆的支护形式，建筑地面以上部分临时支护采用土钉墙支护。支护桩直径1000，间距2200，桩端嵌入中风化基岩。
        考虑到地上建筑周边供支护结构使用的范围狭窄，放坡后的回填土范围较大，永久支护采用普通的重力式挡墙或挡墙加锚杆结构均不可行，经方案比较，决定采用带卸荷板的排柱挡墙。
        场地抗震设防烈度为7度，采用拟静力法进行地震惯性力计算，同时进行了施工工况的验算。
        本工程坡顶荷载对下部挡墙产生的负弯矩大于正弯矩，为不利作用，计算时取P=20kPa。
        排柱截面尺寸为600x800，排柱间距同支护桩间距（1000），挡墙厚度300，
        卸荷梁长度3000，梁高800，卸荷梁之间的板厚200。
        弯矩图及设计简图如下：

        图4 排柱挡墙弯矩图及设计简图
        设计施工需注意以下问题：
        1），基坑护坡桩施工时，需预留排柱插筋；
        2），排柱施工时宜向填土面倾斜1度左右；
        3），排柱挡墙每隔20米作用需要设置伸缩缝；
        4），墙后填土宜采用级配砂石回填，同时按要求设置泄水孔及反虑包。
        4，结语
        衡重式排柱挡墙具有受力合理，节约支护结构占地空间等优点，克服了传统的锚拉式挡墙锚索施工空间要求高、锚索长期工作应力松弛及锚索防腐等缺点，在不适合设置锚杆的区域具有一定的优势。衡重式排柱挡墙比一般桩板式挡墙应用范围更广。永久衡重式排柱挡墙在设计时要考虑正常使用工况、地震工况及施工工况；同时要满足永久结构的构造要求。
        参考文献：
        [1] 刘国楠等，衡重式桩板挡墙上墙土压力模型试验研究[J].岩土力学2011，第32卷增刊2.
        [2] 刘永春等，衡重式桩板挡墙的应用与研究[J.铁道建筑，2010年第10期.
        [3] 胡荣华等，衡重式桩板挡墙中卸荷板参数与桩长的确定[J.铁道建筑，2011年第11期.
        [4] 建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）[S].北京：中国建筑工业出版社，2002.
        [5] 建筑抗震设计规范（GB 50011-2010）[S].北京：中国建筑工业出版社，2010.
        [6] 建筑抗震鉴定标准（GB 50023-2009）[S].北京：中国建筑工业出版社，2009.