軟基水工半重力式擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)研究

【摘要】水工擋土墻在水工建筑物設(shè)計(jì)中廣泛應(yīng)用，如水電站倒流墻、水閘、渠系工程、河岸翼墻等。根據(jù)擋土墻布置地區(qū)的地質(zhì)條件，可以采用多種形式，如重力式、半重力式、仰斜式、衡重式、懸臂式、扶壁式等。軟基水利工程，通常情況下，都會(huì)選擇應(yīng)用半重力式擋土墻，因?yàn)榇朔N類(lèi)型的擋土墻具有非常多的優(yōu)勢(shì)，比如能夠節(jié)約配筋，減少成本，便于后期施工等。作為邊坡防護(hù)中應(yīng)用最廣泛的一種防護(hù)形式，軟基水工半重力式擋土墻的設(shè)置對(duì)于有效減少山體滑坡和邊坡滑塌等其他災(zāi)害或病害的發(fā)生。

【關(guān)鍵詞】軟基水工；半重力式；擋土墻結(jié)構(gòu)；優(yōu)化設(shè)計(jì)

1、引言

盡管半重力式擋土墻的優(yōu)勢(shì)已經(jīng)十分突出，但是設(shè)計(jì)人員依然需要依據(jù)現(xiàn)實(shí)對(duì)軟基水工半重力式擋土墻結(jié)構(gòu)進(jìn)行不斷的優(yōu)勢(shì)，這樣才能保證此種類(lèi)型的擋土墻發(fā)揮功能。

2、軟基水工半重力式擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 擋土墻斷面的選擇

軟基水工半重力式擋土墻由兩部分構(gòu)成，分別為立板與底板，此種類(lèi)型的擋土墻之所以能夠保持穩(wěn)定，主要是因?yàn)榈装迳蠐碛凶銐虻奶钔?。底板具體尺寸，需要設(shè)計(jì)人員進(jìn)行如下驗(yàn)證：首先，抗滑穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)證，確保擋土墻不會(huì)因?yàn)榛瑒?dòng)而出現(xiàn)破壞情況；其次，對(duì)地基承載力進(jìn)行驗(yàn)證，必須保證地基應(yīng)力在指定值之內(nèi)，這樣地基才不會(huì)發(fā)生嚴(yán)重的沉陷；地基應(yīng)力要在指定的允許值的范圍之內(nèi)，這樣才能夠保證擋土墻不會(huì)出現(xiàn)前傾變位。計(jì)算期間，設(shè)計(jì)人員最需要解決的就是各個(gè)部位的尺寸問(wèn)題，因?yàn)楦鱾€(gè)部位的允許值達(dá)到要求，地基底部應(yīng)力才能夠保持在允許值范圍內(nèi)，保證應(yīng)力分布不均勻系數(shù)達(dá)到要求。如果控制底板未能達(dá)到指定要求，設(shè)計(jì)人員可以選擇應(yīng)用加寬前趾板的方法，正常情況下，加寬到24m時(shí)，盡管地基承載力在允許值范圍之內(nèi)，而不均勻系數(shù)也能夠達(dá)到要求，但是在進(jìn)行配筋計(jì)算時(shí)，最終的強(qiáng)度性能卻未能達(dá)到要求，但是如果將前趾板縮短到22.5m，在適當(dāng)?shù)募訉捄笾喊?，效果非常好，這樣配筋使用量大為減少，但是因?yàn)楹笾喊逍枰訉?，因此必須加大開(kāi)挖量。

2.2 下墻土壓力計(jì)算

由于下墻土壓力計(jì)算比較復(fù)雜，難以建立模型進(jìn)行精確計(jì)算，下面簡(jiǎn)要介紹延長(zhǎng)墻背法和力多邊形法這兩種常用的方法。延長(zhǎng)墻背法通過(guò)延長(zhǎng)下墻墻背至填土面，此時(shí)邊界條件采用延長(zhǎng)墻背法產(chǎn)生的假想截面，選取相應(yīng)庫(kù)侖公式進(jìn)行土壓力計(jì)算。但是該方法忽略了延長(zhǎng)墻背與實(shí)際墻背間的土及其重量，造成下墻土壓力計(jì)算有誤，因誤差較小，在允許范圍內(nèi)，且計(jì)算較為簡(jiǎn)便，故實(shí)際的運(yùn)用較多。力多邊形法，破裂棱體上的作用力（在墻背土體處于極限平衡狀態(tài)下），應(yīng)該構(gòu)成閉合的力矢量多邊形。求出上墻的土壓力后，任意假定與水平面成一定夾角的一破裂面繪制出力多邊形，由此推出下墻的土壓力，具體參見(jiàn)有關(guān)設(shè)計(jì)手冊(cè)。

2.3 排水設(shè)計(jì)

擋土墻后填土內(nèi)常有地下水，這不僅增加了擋土墻的水平外荷載，而且使回填土的強(qiáng)度降低，側(cè)向土壓力增大。為使墻后填土中的積水易于排出，在墻身每隔2.5m設(shè)一排水孔，高擋墻處設(shè)兩排，低擋墻處設(shè)一排。排水圓孔直徑為10cm。為防止發(fā)生管涌，在排水孔進(jìn)口處設(shè)反濾層，反濾料根據(jù)粒徑大小分為三層，迎水的第一層為粗砂，第二層為20～50mm的碎石，第三層為50～80mm的碎石。另外，為避免排水孔堵塞，在排水孔進(jìn)口處加一層孔眼為30mm的鋼筋網(wǎng)。

2.4 強(qiáng)化擋土墻的安全性

首先，要加固擋土墻的基礎(chǔ)部分。在一定程度上講，擋土墻的基礎(chǔ)部分對(duì)于其安全性具有很大的決定作用。因此，必須采取有效措施對(duì)擋土墻的基礎(chǔ)部分進(jìn)行加固處理。其一，為增強(qiáng)擋土墻結(jié)構(gòu)的抗傾覆能力并確保其穩(wěn)定性，可在其墻角處設(shè)計(jì)一個(gè)伸出的臺(tái)階，減少其基地壓應(yīng)力。其二，在對(duì)地基為軟土地基的擋土墻進(jìn)行施工之前，為確?；貕簯?yīng)力能夠有效擴(kuò)散，增強(qiáng)地基的強(qiáng)度和穩(wěn)定性，可用灰土、沙礫、礦渣和碎石等對(duì)擋土墻的基地進(jìn)行壓實(shí)。其次，要改進(jìn)擋土墻泄水孔反濾結(jié)構(gòu)。作為擋土墻設(shè)計(jì)施工的重要組成部分，排水措施就是要在擋土墻前地面上設(shè)置一排排的水孔，或者改進(jìn)擋土墻泄水孔的反濾結(jié)構(gòu)。由于反濾結(jié)構(gòu)的尺寸較大、泄水孔數(shù)量較多，在改進(jìn)擋土墻泄水孔反濾結(jié)構(gòu)時(shí)，一是可用裝砂的反濾土工布和針刺型土工布等口袋對(duì)擋土墻泄水孔進(jìn)水口進(jìn)行封堵；二是為保證施工效率，可用無(wú)砂混凝土對(duì)泄水孔的進(jìn)水口進(jìn)行封堵。最后，要優(yōu)化沉降縫與伸縮縫的設(shè)置。由于山區(qū)地基不均勻和圬工砌體容易受收縮硬化和溫度的影響等問(wèn)題的存在，施工單位在進(jìn)行擋土墻施工過(guò)程中，也會(huì)引發(fā)擋土墻開(kāi)裂等問(wèn)題。因此，為延長(zhǎng)擋土墻的使用壽命，充分發(fā)揮擋土墻的作用，施工單位在施工過(guò)程中，要根據(jù)墻高和地基性質(zhì)的變異設(shè)置沉降縫和伸縮縫。

2.5 穩(wěn)定性及強(qiáng)度驗(yàn)算

確定墻身斷面形式及尺寸后，必須驗(yàn)算擋墻穩(wěn)定性，以保證其在自重和外荷載的作用下不發(fā)生墻體的移動(dòng)和傾覆。軟基或斜坡上的擋墻，還應(yīng)對(duì)擋墻、地基及填土在內(nèi)的整體穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，并對(duì)墻體的強(qiáng)度（法向應(yīng)力和剪應(yīng)力）、基底應(yīng)力及偏心距進(jìn)行驗(yàn)算。若強(qiáng)度和穩(wěn)定性不滿(mǎn)足要求，則需要改變墻體材料或截面尺寸，重新驗(yàn)算，直至滿(mǎn)足要求為止。

2.5.1 滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

土壓力和其他外荷載作用于基底，而基底抵抗擋墻體發(fā)生滑動(dòng)的阻力，滑動(dòng)系數(shù)應(yīng)不小于1.3。其公式如下：KC=（W+Ey）f/EX。式中：W———擋墻自重，kN；Ex、Ey———主動(dòng)土壓力的水平和垂直分力，kN；f———基底抵抗摩擦的系數(shù)。

2.5.2 驗(yàn)算抗傾覆穩(wěn)定性

抗傾覆性是用抗傾覆系數(shù)也來(lái)表達(dá)，是指擋土墻繞墻趾作用產(chǎn)生的傾覆穩(wěn)定系數(shù)。公式如下：

KO=（WZW+EYZX）/（EXZY）式中：Zx———Ey對(duì)墻趾0點(diǎn)的力臂，m；ZY———Ex對(duì)墻趾0點(diǎn)的力臂，m；ZW———W對(duì)墻趾0點(diǎn)的力臂，m。

3、結(jié)束語(yǔ)

綜上所述，可知該工程應(yīng)用了半重力式擋土墻，在設(shè)計(jì)人員對(duì)其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了多次的優(yōu)化之后，效果非常好。但是設(shè)計(jì)人員不僅需要對(duì)應(yīng)力值進(jìn)行計(jì)算，還需要著重注意排水功能，進(jìn)行排水設(shè)計(jì)，因此保證半重力式擋土墻能夠充分的發(fā)揮優(yōu)勢(shì)。

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