多級(jí)擋土墻下墻主動(dòng)土壓力及穩(wěn)定性分析

李慧慧，姚晶，陳俊輝，岑仰潤

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州　310012)

?

多級(jí)擋土墻下墻主動(dòng)土壓力及穩(wěn)定性分析

李慧慧*，姚晶，陳俊輝，岑仰潤

(杭州市勘測設(shè)計(jì)研究院，浙江 杭州310012)

摘要：以某一建造于山坡上的多級(jí)擋土墻工程為例，對作用在多級(jí)擋土墻下墻后的土楔體，在按實(shí)際確定第一破裂面的情況下，采用基于庫倫土壓力理論的圖解法確定第二破裂面并求得其主動(dòng)土壓力，進(jìn)行抗傾覆、抗滑移穩(wěn)定性以及地基承載力驗(yàn)算。擋土墻建成已有兩年多的時(shí)間，使用情況良好，表明該分析方法合理可行。

關(guān)鍵詞：多級(jí)擋土墻；下墻；主動(dòng)土壓力；穩(wěn)定性；圖解法；凸榫

1引言

建于山區(qū)的居住小區(qū)，為了建造房屋或道路，往往需要挖、填土石方，同時(shí)采用擋土墻或邊坡支護(hù)處理場地高差問題。在邊坡景觀設(shè)計(jì)上，通常將邊坡按高度梯次分級(jí)并綠化，邊坡結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)則根據(jù)景觀設(shè)計(jì)要求相應(yīng)采用多級(jí)擋土墻，多級(jí)擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算關(guān)鍵在于下墻的主動(dòng)土壓力與穩(wěn)定性分析。本文結(jié)合一建造于山坡上的多級(jí)擋土墻工程，采用基于庫倫土壓力理論的圖解法分析下墻的主動(dòng)土壓力和穩(wěn)定性。

2計(jì)算模型

邊坡高度大約7.2 m，設(shè)計(jì)結(jié)合景觀要求采用三級(jí)現(xiàn)澆鋼筋砼薄壁式擋土墻，其中，一、二級(jí)擋土墻為懸臂式，三級(jí)(下墻)為扶壁式。該擋土墻形式的主要特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、施工方便，墻身斷面小、質(zhì)量輕，材料強(qiáng)度性能發(fā)揮較好，對地基承載力有較強(qiáng)的適應(yīng)能力。擋土墻建筑圖如圖1所示，擋土墻結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

3下墻主動(dòng)土壓力計(jì)算

下墻主動(dòng)土壓力計(jì)算簡圖如圖3(a)所示，鋼筋砼墻體尺寸如圖3(b)所示。

3.1設(shè)計(jì)參數(shù)

(1)擋土墻后填土容重18 kN/m3，綜合內(nèi)摩擦角30°。

(2)擋土墻假想墻背或土體破裂面上的摩擦角取30°。

(3)根據(jù)本工程實(shí)際，破裂楔體遠(yuǎn)墻處只能沿巖石邊坡滑動(dòng)，即遠(yuǎn)墻破裂面為如圖3(a)所示AC面，摩擦角取10°。

(4)鋼筋砼墻體容重25 kN/m3。

(5)綠化等均布荷載6 kPa換算成土柱。

(6)一、二級(jí)擋土墻鋼筋砼墻體容重大于填土，土楔體增重23.5kN。

圖3下墻主動(dòng)土壓力計(jì)算簡圖

3.2主動(dòng)土壓力

土壓力計(jì)算采用基于庫倫土壓力理論的圖解法[1，2]。根據(jù)本工程實(shí)際，破裂楔體另一個(gè)破裂面應(yīng)處于如圖3(a)所示AB1與AB5之間，設(shè)計(jì)假定可能的破裂面為AB1、AB2、AB3、AB4、AB5。

(1)根據(jù)假定，可確定各個(gè)楔體的重力W的大小和方向以及反力R和E的方向，從而繪制出閉合的力三角形，并進(jìn)而求出E的大小，如圖4(a)所示。

圖4庫倫土壓力理論圖解法詳圖

(2)楔體AB1C重：W1=586.0 kN，AB2C重：W2=573.9 kN，AB3C重：W3=562.2 kN，AB4C重：W4=551.0 kN，AB5C重：W5=540.4 kN，在圖上等比例繪制，如圖4(b)所示。

(3)經(jīng)過作圖，得到：

楔體AB1C反力：E1=455.5 kN，E1x=208.0 kN；

楔體AB2C反力：E2=442.1 kN，E2x=217.3 kN；

楔體AB3C反力：E3=429.9 kN，E3x=226.0 kN；

楔體AB4C反力：E4=419.0 kN，E4x=234.2 kN；

楔體AB5C反力：E5=409.2 kN，E5x=242.0 kN。

楔體AB5C的反力E的水平分力E5x最大，即它對擋土墻的土壓力的水平分力最大。

(4)如果假定的破裂面AB5為第二破裂面，那么它與假想墻背AB1之間的楔體不會(huì)沿假想墻背下滑，即假想墻背上的諸力所產(chǎn)生的抗滑力大于下滑力[3]，表示為：

Eax·tan(α+δ)>Eaz+W6

式中：α——擋土墻假想墻背與垂線的夾角；

δ——擋土墻假想墻背上的摩擦角；

Eax——楔體AB5C主動(dòng)土壓力水平分力；

Eaz——楔體AB5C主動(dòng)土壓力垂直分力；

W6——楔體AB1B2B5的重力。

Eax=242.0 kN，Eaz=330.0 kN，α=32.8°，δ=30.0°，W6=41.4 kN，經(jīng)計(jì)算，上式成立，則根據(jù)(3)可得出，楔體AB5C即為破裂楔體，AB5為第二破裂面，AC為第一破裂面。

(5)按下述方法[1]近似確定主動(dòng)土壓力Ea作用點(diǎn)的位置：如圖4(c)所示，找出破裂楔體AB5C的重心O點(diǎn)，過O點(diǎn)作AC的平行線，交AB5于O′點(diǎn)，O′點(diǎn)就是Ea的作用點(diǎn)。

4下墻穩(wěn)定性驗(yàn)算

圖5擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算簡圖

4.1抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

對墻趾O點(diǎn)取力矩，抗傾覆安全系數(shù)K0。

4.2抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算[5]

(1)求擋土墻基底垂直合力N的偏心距e，N=G+Eaz=560.6 kN。

(2)基底邊緣壓力σ1和σ2、凸榫處基底壓力σ3。

(3)凸榫前被動(dòng)土壓應(yīng)力σp、被動(dòng)土壓力Ep。

Ep=σp·Ht=338.4×0.6=203.0 kN

(4)凸榫及其后踵板與地基土的摩擦力F。

(5)抗滑移安全系數(shù)Kc。

4.3地基承載力驗(yàn)算

(1)求擋土墻基底垂直合力N′的偏心距e′，N′=N+G′=568.7 kN。

(2)基底邊緣最大壓力σmax和最小壓力σmin、基底平均壓力σ。

5結(jié)語

本工程設(shè)計(jì)采用三級(jí)現(xiàn)澆鋼筋砼薄壁式擋土墻，現(xiàn)場實(shí)際施工時(shí)，第一級(jí)擋土墻做法結(jié)合山體實(shí)際情況，略有調(diào)整。但下墻工作受力狀態(tài)與設(shè)計(jì)計(jì)算基本一致，現(xiàn)本工程已正常運(yùn)行兩年多的時(shí)間，根據(jù)水平和垂直位移監(jiān)測結(jié)果及現(xiàn)場觀察情況，顯示擋土墻處于安全可靠狀態(tài)，表明本文分析方法合理可行，總結(jié)如下：

(1)用基于庫倫土壓力理論的圖解法求解擋土墻主動(dòng)土壓力簡便而實(shí)用，尤其當(dāng)擋土墻坡頂不規(guī)則或是有限填土擋土墻時(shí)，這一特點(diǎn)更為明顯。

(2)薄壁式擋土墻一般為坦墻，會(huì)產(chǎn)生第二破裂面。當(dāng)?shù)谝黄屏衙嬉欢〞r(shí)，可用圖解法確定第二破裂面并求得作用于擋土墻的主動(dòng)土壓力。

(3)擋土墻基底凸榫對抗滑移作用明顯。當(dāng)擋土墻受滑移穩(wěn)定性控制時(shí)，在基底壓力滿足地基承載力要求的情況下，宜設(shè)置凸榫以免踵板過寬。

參考文獻(xiàn)

[1]陳忠達(dá). 公路擋土墻設(shè)計(jì)[M]. 北京：人民交通出版社，1999.

[2]賀才欽. 多級(jí)擋土墻下墻土壓力的應(yīng)力計(jì)算和應(yīng)力圖形探討[J]. 高速鐵路技術(shù)，2013. 4(4)：61～63，77.

[3]鄭穎人，陳祖煜，王恭先等. 邊坡與滑坡工程治理(第二版)[M]. 北京：人民交通出版社，2010.

[4]TB10025-2006. 鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[5]鐵道部第一勘測設(shè)計(jì)院. 鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊路基(修訂版)[M]. 北京：中國鐵道出版社，1995.

Analysis on Active Soil Pressure and Stability of Lower Part of Multistage Retaining Wall

Li Huihui，Yao Jing，Chen Junhui，Cen Yangrun

(Hangzhou Survey and Design Research Institute，Hangzhou 310012，China)

Key words：multistage retaining wall；lower part of the wall；active earth pressure；stability；graphical method；tenon

Abstract：With a multistage retaining wall engineering built in the hillside as an example，to the soil wedge acting on the lower part of the multi-stage retaining wall，the first fracture plane was determined by actual situation，the second fracture plane and its active earth pressure were obtained by graphical method based on Coulomb’s earth pressure theory，overturning stability，anti-slip stability and bearing capacity of the foundation were subjected to checking as well. The retaining wall has been built more than two years，now used in good condition，showing that the analysis method is feasible.

文章編號(hào)：1672-8262(2016)03-165-04

中圖分類號(hào)：TU476

文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

*收稿日期：2015—10—07

作者簡介：李慧慧(1986—)，女，工程師，主要從事建筑基坑和邊坡支護(hù)設(shè)計(jì)工作。