魯山坡段落地槽結(jié)構(gòu)及地基承載力計(jì)算

□董永霞 □劉琳琳

（商丘市水利建筑勘測(cè)設(shè)計(jì)院）

一、工程概況

落地槽位于魯山坡南坡腳的斜坡上，為一傍山渠道，與建筑物軸線垂直的沖溝發(fā)育，地形起伏較大。槽身左側(cè)山坡開挖高度多在15m以上，最高達(dá)40m，槽身右側(cè)填方高度一般在5.5m左右，最高達(dá)10m。

落地槽段軸線設(shè)計(jì)樁號(hào)為SH(3)10+383.1～SH(3)11+913.1，全長(zhǎng)1530m，其中進(jìn)口連接段長(zhǎng)145m，包括出口檢修閘15m、閘前與箱基渡槽連接段80m、閘后與落地槽單槽連接段50m；落地槽長(zhǎng)1335m，出口漸變段長(zhǎng)50m。

落地槽槽身為C30鋼筋混凝土矩型斷面，凈寬22.2m，包含邊墻和底板兩部分，其中邊墻高8.1m，底部厚1.2m，頂部厚0.5m，底板厚1.3m。

本文根據(jù)落地槽沿線不同的地質(zhì)條件，選取不同的典型剖面，分別對(duì)邊墻、底板及地基承載力進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。由于魯山坡段落地槽地震基本烈度為Ⅵ度，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)無需進(jìn)行抗震設(shè)計(jì)計(jì)算。

二、邊墻結(jié)構(gòu)計(jì)算

（一）計(jì)算工況、參數(shù)及方法

邊墻結(jié)構(gòu)計(jì)算分為4種工況，即：完建工況（槽內(nèi)無水）；設(shè)計(jì)工況（槽內(nèi)設(shè)計(jì)水深6.8m，穩(wěn)定地下水位）；加大水深工況（加大水深7.425m，穩(wěn)定地下水位）；滿槽水工況（滿槽水深8.1m，穩(wěn)定地下水位）。

結(jié)構(gòu)計(jì)算參數(shù)主要包括邊墻尺寸、邊墻兩側(cè)回填土高度、回填土容重及回填土的內(nèi)摩擦角、水的容重等。其中邊墻高8.1m，底部厚1.2m，頂部厚0.5m；由落地槽在不同樁號(hào)下的橫斷面圖知，落地槽槽身右側(cè)填土高度一般在5.5m左右，所以計(jì)算時(shí)回填土高度取5.5m，容重取19.6kN/m3；已知回填土的內(nèi)摩擦角為28°～40°，對(duì)邊墻進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算時(shí)，按最不利條件考慮，計(jì)算邊墻外側(cè)配筋時(shí)回填土內(nèi)摩擦角取小值（28°），計(jì)算邊墻內(nèi)側(cè)配筋時(shí)取大值（40°），水容重取10kN/m3。

邊墻內(nèi)力計(jì)算方法為常用的結(jié)構(gòu)力學(xué)方法，按懸臂結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算土壓力時(shí)，在完建工況下邊墻土壓力按靜止土壓力計(jì)算，其它工況下邊墻土壓力按主動(dòng)土壓力計(jì)算。

（二）計(jì)算結(jié)果

考慮到邊墻內(nèi)力在高度方向上變化很大，底部彎矩最大，頂部彎矩最小，因此分別選取邊墻底部和邊墻1/4高處進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，在完建工況下，邊墻底部剪力為-262.13kN，力矩為-573.53kN·m，軸力為195.00kN；邊墻1/4高處剪力為42.73kN，力矩為-49.49kN·m，軸力為128.25kN。在設(shè)計(jì)工況下，邊墻底部剪力為166.74kN，力矩為405.87kN·m，軸力為195.00kN；邊墻1/4高處剪力為88.27kN，力矩為151.65kN·m，軸力為128.25kN。在加大水深工況下，邊墻底部剪力為211.19kN，力矩為564.06kN·m，軸力為195.00kN；邊墻1/4高處剪力為120.07kN，力矩為232.63kN·m，軸力為128.25kN。在滿槽水工況下，邊墻底部剪力為263.59kN，力矩為767.56kN·m，軸力為195.00kN；邊墻1/4高處剪力為158.80kN，力矩為343.86kN·m，軸力為128.25kN。

由以上邊墻內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，邊墻外側(cè)配筋由完建工況控制，內(nèi)側(cè)配筋由滿槽水工況控制。依據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算邊墻底部外側(cè)配筋面積為2633.5mm2，內(nèi)側(cè)配筋面積為3392.8mm2；邊墻1/4高處外側(cè)配筋面積為1459.5mm2（構(gòu)造配筋），內(nèi)側(cè)配筋面積為1713.3mm2。

三、底板結(jié)構(gòu)計(jì)算

（一）計(jì)算工況、參數(shù)及方法

底板結(jié)構(gòu)計(jì)算工況同邊墻結(jié)構(gòu)計(jì)算工況，即：完建工況、設(shè)計(jì)工況、加大水深工況和滿槽水工況。已知底板總寬24.6m，厚1.3m，其它計(jì)算參數(shù)同邊墻的計(jì)算參數(shù)。底板結(jié)構(gòu)計(jì)算采用彈性地基梁法，計(jì)算模型為順?biāo)鞣较蛉?m槽身。

落地槽為單槽矩形斷面，所受水平力對(duì)稱，不需要進(jìn)行抗滑穩(wěn)定計(jì)算。

由《南水北調(diào)中線一期工程總干渠沙河南至黃河南段工程沙河渡槽段初步設(shè)計(jì)工程地質(zhì)專題報(bào)告圖冊(cè)》中魯山坡流槽軸線工程地質(zhì)剖面圖知，魯山坡段落地槽槽身主要坐落在9種巖層上，即：石英砂巖夾頁巖、砂巖、片麻巖、礫巖、粘土巖、粉質(zhì)粘土、碎石、礫質(zhì)重粉質(zhì)壤土和重粉質(zhì)壤土。

根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》（SL265-2001）：當(dāng)?shù)装灏磸椥缘鼗河?jì)算時(shí)，對(duì)于邊荷載的考慮采用下列原則規(guī)定：如果邊荷載使底板的內(nèi)力減小，則邊荷載的影響不予考慮。如果邊荷載使底板內(nèi)力增加，則考慮其全部邊荷載。

（二）計(jì)算結(jié)果

本文選取巖性最差的重粉質(zhì)壤土，以計(jì)入邊荷載和不計(jì)入邊荷載兩種情況分別進(jìn)行底板結(jié)構(gòu)計(jì)算。計(jì)算時(shí)規(guī)定底板彎矩（M）以外側(cè)受拉為正，內(nèi)側(cè)受拉為負(fù)。經(jīng)計(jì)算，在計(jì)入邊荷載情況下，完建工況，M（+）=503.23kN·m，M（-）=-854.52kN·m；設(shè)計(jì)工況，M（+）=0kN·m，M（-）=-694.58kN·m；加大水深工況，M（+）=0kN·m，M（-）=-766.92kN·m；滿槽水深工況，M（+）=0kN·m，M（-）=-905.23kN·m。在不計(jì)入邊荷載情況下，完建工況，M（+）=553.46kN·m，M（-）=0kN·m；設(shè)計(jì)工況，M（+）=446.03kN·m，M（-）=-370.30kN·m；加大水深工況，M（+）=402.59kN·m，M（-）=-524.11kN·m；滿槽水深工況，M（+）=553.46kN·m，M（-）=-722.71kN·m。

由以上底板內(nèi)力計(jì)算結(jié)果可知，底板外側(cè)配筋由完建工況控制，內(nèi)側(cè)配筋由滿槽水工況控制。依據(jù)《水工鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》，計(jì)算底板外側(cè)配筋面積為2302.00mm2，內(nèi)側(cè)配筋面積為3300.00mm2。

四、地基承載力計(jì)算

由落地槽橫斷面知，底板總寬24.6m，厚1.3m，兩端邊墻凈高8.1m，底板端頭剛度大，中間部位剛度小，且兩端在土壓力、水壓力所產(chǎn)生的力偶及邊墻自重作用下，受力極不均勻，地基反力也相差很大。本次計(jì)算采用彈性地基梁法，計(jì)算模型為順?biāo)鞣较蛉?m槽身。

計(jì)算時(shí)分別對(duì)石英砂巖夾頁巖、砂巖、片麻巖、礫巖、粘土巖、粉質(zhì)粘土、碎石、礫質(zhì)重粉質(zhì)壤土和重粉質(zhì)壤土9種巖層進(jìn)行地基應(yīng)力計(jì)算，計(jì)算按最不利條件（不考慮邊荷載）考慮，經(jīng)計(jì)算，地基應(yīng)力由滿槽水工況控制，其中在石英砂巖夾頁巖地基條件下，底板跨中最大地基應(yīng)力為116.48kPa，端部最大地基應(yīng)力為479.26kPa，其它各巖層跨中最大地基應(yīng)力為87.26kPa～88.64kPa，端部最大地基應(yīng)力為318.76kPa～321.04kPa。

由地基應(yīng)力圖知，落地槽基礎(chǔ)端頭地基應(yīng)力較大，跨中地基應(yīng)力趨于均布，兩端根部距離基礎(chǔ)中心約1/3區(qū)域，地基應(yīng)力驟降厲害，對(duì)于地基承載力較小的地基，存在著該部位平均地基應(yīng)力大于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值問題?？紤]到底板兩端在一定深度范圍內(nèi)由于發(fā)生塑性變形，會(huì)引起地基應(yīng)力的重新分布，從而削減兩端地基應(yīng)力的峰值，根據(jù)《水閘設(shè)計(jì)規(guī)范》SL265-2001確定的地基容許塑性變形區(qū)開展深度（落地槽取3m），用CK法驗(yàn)算土質(zhì)地基的整體穩(wěn)定，經(jīng)計(jì)算CK值（滿足極限平衡條件時(shí)所需的地基土最小粘結(jié)力）小于計(jì)算點(diǎn)土體的粘結(jié)力，因此地基整體穩(wěn)定基本能滿足要求。

五、結(jié)論及建議

根據(jù)落地槽結(jié)構(gòu)體型及受力條件，進(jìn)行結(jié)構(gòu)計(jì)算后，結(jié)果如下：邊墻底部：外側(cè)配筋 φ25@150（3272.7mm2），內(nèi)側(cè)配筋φ25@125（3927mm2），抗裂系數(shù)：Kf＝1.16；距邊墻底部 1/4 高處：外側(cè)計(jì)算配筋量1459.5mm2，內(nèi)側(cè)計(jì)算配筋量1713.3mm2。底板：內(nèi)側(cè)配筋φ25@125（3927mm2），外側(cè)配筋φ28@200（3079mm2），抗裂系數(shù)：Kf＝1.75。

由于邊墻為懸臂結(jié)構(gòu)，墻凈高8.1m，內(nèi)力在高度方向上變化很大，底部彎矩最大，在距邊墻底部1/4高處彎矩已衰減到一半以上，因此建議邊墻配筋在垂直方向應(yīng)該隨著高度的增加進(jìn)行適當(dāng)?shù)臏p少。

根據(jù)地基承載力計(jì)算結(jié)果顯示：底板端部地基應(yīng)力遠(yuǎn)大于平均基底應(yīng)力，由地基應(yīng)力圖知，落地槽基礎(chǔ)端頭基礎(chǔ)應(yīng)力較大，跨中地基應(yīng)力趨于均布，兩端根部距離基礎(chǔ)中心約1/3區(qū)域，地基應(yīng)力驟降厲害，對(duì)某些較軟弱基礎(chǔ)，部分槽基存在平均地基應(yīng)力大于地基承載力標(biāo)準(zhǔn)值問題。由于基礎(chǔ)塑性變形的深度需要控制，否則會(huì)引起基礎(chǔ)的較大變形，對(duì)結(jié)構(gòu)產(chǎn)生不利影響，為安全計(jì)，建議對(duì)地基巖性較軟弱的基礎(chǔ)端部進(jìn)行加固處理（如：粉質(zhì)粘土、礫質(zhì)重粉質(zhì)壤土、重粉質(zhì)壤土等地基條件）。