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      扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設(shè)計(jì)

      2011-12-20 03:49:24張偉
      城市建設(shè)理論研究 2011年23期

      張偉

      摘要:根據(jù)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn),依據(jù)規(guī)范,對(duì)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻在設(shè)計(jì)中如何選擇合理的模型、如何分析各部分內(nèi)力計(jì)算及各部位構(gòu)造要求等問(wèn)題提出的建議,可供工程設(shè)計(jì)參考。

      關(guān)鍵詞:扶壁式鋼筋混凝土擋土墻;滑移穩(wěn)定;傾覆穩(wěn)定;復(fù)合樁基;

      一、 適用條件和構(gòu)造要求:

      當(dāng)墻身高度大于或等于8m時(shí),若采用懸臂式鋼筋混凝土擋土墻,往往墻身過(guò)厚,很不經(jīng)濟(jì),此時(shí)若采用扶壁式鋼筋混凝土擋土墻,常常能收到滿意的經(jīng)濟(jì)效果。

      扶壁式鋼筋混凝土擋土墻由垂直墻身、基礎(chǔ)底板和扶壁組成,基礎(chǔ)底板劃分為外挑板和內(nèi)挑板,如圖1所示。

      圖1扶壁式擋土墻

      扶壁式擋土墻各部分尺寸的一般構(gòu)造要求如下:墻高H≥8m,基礎(chǔ)寬度l?。?/3-1/2)H,扶壁間距L?。?/3-1/2)H,扶壁厚度≥300-400mm,扶壁頂寬≥300-400mm,基礎(chǔ)底板外挑板厚度不應(yīng)小于200mm,基礎(chǔ)底板內(nèi)挑板厚度不應(yīng)小于250mm,垂直墻身頂部厚度不宜小于150mm,墻身底部厚度由計(jì)算確定,但不小于150mm。

      為了降低水壓的影響,減少墻背面的水平壓力,墻后應(yīng)做好排水措施。當(dāng)墻后填料是砂礫土?xí)r,可以在墻背底部設(shè)置一層卵石排水層,在墻身中每隔3m左右設(shè)置10-15cm孔徑的泄水孔;當(dāng)墻后填料為粘土或其他低孔隙率土?xí)r,在墻背面應(yīng)先鋪設(shè)一層厚度為300mm以上的卵石濾水層,然后再在卵石外面分層夯填粘土。

      基礎(chǔ)埋深不小于1m,凍脹類土不應(yīng)小于凍結(jié)深度以下0.25m。

      擋土墻應(yīng)每隔25m左右設(shè)置一條30mm寬的伸縮縫,縫內(nèi)填瀝青麻絲或?yàn)r青木絲板。

      二、 荷載及水平土壓力計(jì)算

      擋土墻荷載除自重外,主要為土壓力。土壓力又分為垂直土壓力和水平土壓力,垂直土壓力的計(jì)算較為簡(jiǎn)單,而水平土壓力可采用《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB/T50007—2002的公式、庫(kù)倫理論或朗金理論計(jì)算,本次設(shè)計(jì)推薦朗金理論進(jìn)行計(jì)算。為簡(jiǎn)化計(jì)算及偏于安全起見(jiàn),可忽略墻身前被動(dòng)土壓力的影響,只考慮主動(dòng)土壓力,并忽略墻身后面的填土與墻身間的摩擦力。

      計(jì)算擋土墻的強(qiáng)度用設(shè)計(jì)值,計(jì)算地基承載力、滑移穩(wěn)定和傾覆穩(wěn)定時(shí)用標(biāo)準(zhǔn)荷載。荷載分項(xiàng)系數(shù)取值如下:對(duì)于自重、土,r=1.2;對(duì)于地面均布活荷載和地下水r=1.3-1.4。

      取擋土墻單位長(zhǎng)度1m進(jìn)行計(jì)算,擋土墻水平土壓力的標(biāo)準(zhǔn)值按下式計(jì)算(圖2):

      圖2

      墻身頂部處: q1=PKtg2(45o-φ/2)(1)

      地下水位頂面處:q2=[PK+rt(H1-Hw)]tg2(45o-φ/2)(2)

      墻身底部處:

      q3=[PK+rt(H1-Hw)+(rt-0.7rw)Hw]tg2(45o-φ/2)+rwHw(3)

      式中:

      Pk-地面均布活荷載標(biāo)準(zhǔn)值(KN/m2)

      rt-土的標(biāo)準(zhǔn)重度(KN/m3)

      φ-墻后填土的內(nèi)摩擦角

      rw-水的標(biāo)準(zhǔn)重度(KN/m3)

      H1-擋土墻墻身頂面到其底面的距離(m)

      Hw-地下水位頂面至墻身底面的距離(m)

      三、 內(nèi)力計(jì)算

      1. 垂直墻身和基礎(chǔ)底板內(nèi)挑板( 墻趾板)

      均按三邊支承一邊自由板計(jì)算。

      2. 底板外挑板(墻踵板)

      按單向懸挑板計(jì)算

      3. 扶壁

      扶壁為墻身的支座,求出墻身板邊緣的剪力,就可得到扶壁所受的水平荷載,然后再按懸臂梁計(jì)算扶壁的內(nèi)力。墻身板的邊緣剪力系數(shù)可查表求得。

      四、 滑移穩(wěn)定計(jì)算

      按下式計(jì)算(圖3):

      [μ(Wk+Gk)cosα0+μXksinα0]/[Xkcosα0-(Wk+Gk)sinα0]≥1.3(4)

      Wk=W1k+W2k

      Xk=X1k+X2k

      式中:

      W1k--墻身自重的標(biāo)準(zhǔn)值(KN)

      W2k--底板自重的標(biāo)準(zhǔn)值(KN)

      Gk--底板DE段范圍內(nèi)地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值和土自重標(biāo)準(zhǔn)值之和(KN)

      X1k--地面活荷載標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的水平壓力(KN)

      X2k--土自重標(biāo)準(zhǔn)值所產(chǎn)生的水平壓力(KN)

      μ--擋土墻基礎(chǔ)底面與地基土的摩擦系數(shù)

      α0--基礎(chǔ)底面與水平面的夾角(度),對(duì)于砂土或粘性土一般不宜大于6°,對(duì)于碎石土和巖石一般不宜大于11°。

      五、 傾覆穩(wěn)定計(jì)算

      按下式計(jì)算(圖3)

      Mzk/Mqk≥1.60 (5)

      Mzk=∑Wikxi+Gkxf

      Mqk=∑Xikyi

      式中:

      Mzk—標(biāo)準(zhǔn)荷載W1k、W2k、Gk對(duì)C點(diǎn)的穩(wěn)定力矩總和(KN-m)

      Mqk—標(biāo)準(zhǔn)荷載X1k、X2k對(duì)C點(diǎn)的傾覆力矩總和(KN-m)

      圖 3

      六、 地基承載力計(jì)算

      1、 地基壓力P(KN/m2)計(jì)算

      偏心距e0(m)

      e=(Mz-Mq)/[(W+G)cosα0](6)

      e0=B/2-e(7)

      當(dāng)e0≤B/6時(shí):

      Pmax min={[(W+G)cosα0]/B}(1±6e0/B)(8)

      當(dāng)e0>B/6時(shí):

      Pmax=[2(W+G)cosα0]/3e

      Pmin=0 (9)

      式中:

      e—垂直于基礎(chǔ)底板面的合力到最大應(yīng)力Pmax邊緣的距離(m)

      B—基礎(chǔ)底板的寬度(m)

      P—地基壓力設(shè)計(jì)值在垂直于基礎(chǔ)底板底面方向的分力(KN/m2)

      G—底板DE段范圍內(nèi)地面活荷載設(shè)計(jì)值和土自重設(shè)計(jì)值的總和(KN)

      W—擋土墻長(zhǎng)1m的自重設(shè)計(jì)值(KN)

      Mz—垂直荷載設(shè)計(jì)值對(duì)C點(diǎn)的力矩總和(KN-m)

      Mq—水平荷載設(shè)計(jì)值對(duì)C點(diǎn)的力矩總和(KN-m)

      2、 地基承載力

      地基承載力應(yīng)滿足下式要求:

      Pmax≤1.20f(10)

      式中:f—修正后地基承載力特征值(KN/m2),當(dāng)α0≠0時(shí),宜乘以折減系數(shù)K后使用:α0=0時(shí) K=1,α0=6°時(shí) K=0.90,α0=11°時(shí) K=0.80

      e0≤B/4

      七、 設(shè)計(jì)實(shí)例

      下面是神華北電勝利能源有限公司勝利一號(hào)露天煤礦煤生產(chǎn)系統(tǒng)破碎站工程,采用的是扶壁式鋼筋混凝土擋土墻,于2006年3月設(shè)計(jì)?;A(chǔ)數(shù)據(jù)

      扶壁式擋土墻的總高度為16.5m,其截面尺寸如圖4所示。墻頂面均布活載Pk=36KN/m2,擋土墻基礎(chǔ)埋深為3.0米,基礎(chǔ)底面座落于細(xì)砂層上,地基承載力特征值fk=150kPa,基礎(chǔ)采用樁基礎(chǔ),持力層為砂礫層,基礎(chǔ)底板底面與水平面的夾角為α0=0°,底板底面與地基土的摩擦系數(shù)μ=0.4。扶壁間距為4.0m,扶壁厚為0.6m。墻后用粉土回填,填料的標(biāo)準(zhǔn)重度rt=18KN/m3。填土的內(nèi)摩擦角φ=300。根據(jù)上述條件設(shè)計(jì)扶壁式鋼筋混凝土擋土墻。

      圖 4

      1、穩(wěn)定計(jì)算:用標(biāo)準(zhǔn)值

      1)滑移穩(wěn)定計(jì)算:

      WK+Gk=W1k+W2k+Gk=3452.7KN

      Xik=X1k+X2k=906.75KN

      (Wk+Gk)u/Xik=3452.7X0.4/906.75=1.52>1.3

      2)傾覆驗(yàn)算:

      Mzk=W11kX1+W2kX2+Gkxf=20414.835KN?m

      Mqk=X1ky1+X2ky2=6096.15KN?m

      Mzk/Mqk=20144.835/6092.15=3.4>1.6(滿足要求)

      3、地基承載力:

      1)采用設(shè)計(jì)荷載:荷載分項(xiàng)系數(shù)r確定如下

      地面均布荷載r=1.3 土荷載r=1.2

      2)計(jì)算偏心距e0:垂直力對(duì)C點(diǎn)力矩設(shè)計(jì)值總和:

      Mz=28428.57 KN?m

      水平荷載對(duì)C點(diǎn)力矩設(shè)計(jì)值總和Mq:

      Mq=7478.13 KN?m

      W+G=6620.76KN

      e=(Mz-Mq)/(W+G)=(28428.57-7478.13)/6620.76=3.2m

      e0=B/2-e=2.7<11.8/4=2.95m(滿足要求)

      3)地基壓力P:

      Pmax(Pmin)=(W+G)/B(1±6e0/B)=615(68.3)KN/m2

      4、基礎(chǔ)計(jì)算:

      1)采用復(fù)合樁基:

      樁徑選為1m,樁距為2.5m,采用滿堂紅的方式布置:

      Φp=1m2 Ap=0.785m2 qpk=3500Kpa rp=1.65

      R=1665.2KN

      2)復(fù)合樁基承載力:

      R=Qpk/rc+ηcQck/rc=3917KN

      地基反力:

      N=f?A=3562.5KN

      ηc=ηci(Ai/Ac)+ ηce(Ace/AC)=0.4 R>N (滿足設(shè)計(jì)要求)

      注:文章內(nèi)所有公式及圖表請(qǐng)以PDF形式查看。

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