一种考虑基础侧土压力的带翼墙独立基础设计

2022-03-30魏公涛

中国建筑金属结构 2022年2期

魏公涛

0 引言

实际工程中存在一类构筑物，特点为承受恒荷载小、风荷载大、结构高宽比大，诸如马路边吸隔声屏障、落地式广告牌等。由于风荷载占比较大，导致基底主要荷载分量为沿风荷载作用平面内的弯矩，此时基础容易发生整体倾覆失稳或最大基底压力超限，需采用较大基础尺寸。而实际工程场地往往比较紧凑，比如道路边，建筑物边等，不允许基础或基坑占用太多宽度，鉴于此，本文提出一种带翼墙独立基础形式，可以明显减小基础平面尺寸，在工程中较为实用。

1 基础形式及设计方法

1.1 基础形式示意图

设计理念为混凝土短柱两侧挑出翼墙，整体宽度同基础，利用较宽的翼墙以增大基础侧土抗力。基础三维轴侧图见图1（a），平面图见图1（b），立面图见图1（c）。

图1（a）基础三维轴测图

图1（b）基础平面图

图1（c）基础立面图

1.2 地基、基础设计方法

根据实际工况得到基础受力计算模型见图2，混凝土短柱顶承受弯矩、水平剪力、竖向轴力，基础及回填土自重，基础左侧承受被动土压力，右侧承受主动土压力，基底承受分布土压力（由于上部结构轴力一般较小，基底反力形状一般为三角形）。

图2 基础受力示意图

1.2.1 基础右侧主动土压力

基坑回填土内摩擦角、粘聚力、重度（考虑浮力）分别记为φ、C、γ，则主动土压力合力及作用点距基底距离：

其中，HK为主动土压力系数，根据朗肯土压力理论，K=tan45-φ/2。

1.2.2 基础左侧被动土压力

被动土压力合力及作用点距基底距离：

其中，K为主动土压力系数，根据朗肯土压力理论，K=tan45+φ/2

1.2.3 基底荷载汇总

基础底部承受轴力：F+G，其中F 为上部结构传递轴力，G 为基础及回填土自重。

基础底部承受剪力：V+Ea-Ep，其中V 为上部结构传递剪力，Ea 为右侧主动土压力，Ep 为左侧被动土压力。

基础底部承受弯矩：M0+V×H+Ea×ha-Ep×hp，其中M0为上部结构传递弯矩，H 为基础+短柱高度，Ea 为主动土压力合力，ha 为主动土压力合力作用点距基底距离，Ep 为被动土压力合力，hp 为被动土压力合力作用点距基底距离。

1.2.4 地基承载力验算

根据《建筑边坡工程技术规范》（GB/50330-2013），挡土墙抗倾覆安全系数为1.6，利用挡土墙概念，将基础侧土压力的有利效应除1.6 倍安全系数做折减。由于基底压力分布一般为三角形，则地基验算公式如下：

其中，f为修正的地基承载力特征值，p为基底最大反力。

关于零应力区，本设计不做限制，主要考虑已按挡土墙设计概念引入抗倾覆安全系数1.6，且p满足地基承载力，足使地基满足承载要求的同时不发生整体倾覆。

1.2.5 基础设计

按照《建筑地基基础设计规范》（GB/50007-2011）进行基础抗弯、抗冲切、抗剪切验算，其中按本文公式（5）计算。

1.2.6 翼墙设计

基础底板顶面位置被动土压力：

其中，表示基础高度。

翼墙根部单位高度弯矩、剪力分别为：

其中，L为单侧翼墙宽度。

按《混凝土结构设计规范（2015 年版）》（GB/50010-2010）中受弯构件对翼墙根部进行抗弯、抗剪验算。

2 工程实例

将本设计方法应用于北京移动公司某4.5m 高路边声屏障项目中，该项目原设计采用常规独立基础，基础平面尺寸为2.2m×1.5m，埋深为1.8m，由于开挖后发现基础范围内有一根直径200mm 污水管，需缩小基础尺寸为1.7m×1.5m。原设计基底最大压力为85.3kPa<=153kpa，零应力区15%，基础缩小后基底最大压力178kPa>=153kpa，零应力区59%，零应力区过大，基底压力超限，无法满足设计要求。故设置厚度250mm翼墙，宽度同基础，高度为基础顶面至地面共1.4m，基础剖面图见图3，施工完成照片见图4。