二級垛式新型懸臂式支擋結(jié)構(gòu)分析探討

梁　橋，陳　翔，周文權(quán)

(1.湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭 411104；2.湖南湘平路橋建設(shè)有限公司，長沙 410075 )

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二級垛式新型懸臂式支擋結(jié)構(gòu)分析探討

梁橋1，陳翔2，周文權(quán)1

(1.湖南工程學院 建筑工程學院，湘潭 411104；2.湖南湘平路橋建設(shè)有限公司，長沙 410075 )

為有效提高常規(guī)懸臂式結(jié)構(gòu)支撐高度，提出二級垛式新型懸壁式擋墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用類似減壓平臺擋土墻整體土壓平衡計算模式，綜合考慮整體平衡及第二破裂面影響，合理選擇各級擋墻滑動面及整體滑動面，探討了二級垛式新型懸臂式擋墻的土壓力計算方法，通過工程實例對比研究顯示，二級新型懸臂式擋墻墻背受力更合理，穩(wěn)定性也優(yōu)于單級擋土墻，該方法為今后類似工程的修建提出了一些設(shè)計建議.

垛式懸臂式擋墻；土壓力；計算方法；交替變形

長期以來，石砌的重力式擋土墻和衡重式擋土墻被廣泛地采用，但由于重力式擋土墻的穩(wěn)定性主要依靠墻身自重來保證，因而墻身斷面較大，圬工量多，施工進度慢，動力的成本高，在地形困難，石料缺乏的地區(qū)應用不便，因此采用鋼筋混凝土預制塊拼裝式擋土墻將是支擋結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一，而懸臂(扶壁)式擋墻是其中的一種輕型的，易實現(xiàn)機械化，又能充分發(fā)揮材料的強度特性，同時還能依靠墻后填土來維持穩(wěn)定的柔性擋土墻[1].

近年來，懸臂式擋墻作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，在工程應用中較多，如在北京市政工程建設(shè)中廣泛運用了裝配式鋼筋混凝土懸臂式路肩擋土墻，節(jié)約了用地[2][3]；在青藏鐵路高原凍土地帶，懸臂式擋墻更是作為唯一的支擋結(jié)構(gòu)而得到了廣泛的關(guān)注[4]；在湖南長沙市湘江東岸防洪工程中，由于沿江較厚的雜填土層以及復雜的地下管線問題限制了加筋土或錨桿等的可行性，因而采用了較為經(jīng)濟、合理的扶壁式擋墻這一結(jié)構(gòu)形式，比一般衡重式擋土墻節(jié)約污工量40%左右[5]，而在實際工程中，單級懸臂(扶壁)式擋墻有了比較完善的經(jīng)驗可循，但是單級懸臂(扶壁)式擋墻的局限性還是存在，根據(jù)《規(guī)范》懸臂式擋墻最大高度為6 m，當超過6 m的時候要增設(shè)扶壁，即使增設(shè)了扶壁，其高度也增加有限，滿足不了工程上的需要，為了進一步提高懸臂式擋墻的支擋高度，擴大其應用范圍，充分發(fā)揮運用這種支擋結(jié)構(gòu)的輕型，結(jié)構(gòu)簡單，占地少，對基地應力要求不高，能適用交替變形等特點，本文提出二級垛式新型懸臂(扶壁)式擋墻提高其支擋高度、并進一步使其結(jié)構(gòu)輕型化進行理論分析與工程應用.

1　二級垛式懸臂式支擋結(jié)構(gòu)土壓力分析及計算模式

二級懸臂式支擋結(jié)構(gòu)是一種新型的支擋形式，這種形式的支擋結(jié)構(gòu)即可以發(fā)揮出一級擋墻的所有特點，還能使結(jié)構(gòu)進一步輕型化，機械化，其應用前景可觀，如圖1所示為二級懸臂式擋土墻，在國內(nèi)，梁波、王家東等曾經(jīng)對垛式新型懸臂式擋墻進行過數(shù)值分析和應用探討，從理論上證明了二級垛式擋土墻在受力上是可行的，可以將其應用拓展到更高的防護需要[6][7].

圖1　二級懸臂式擋墻計算墻面

2　二級垛式懸臂式支擋結(jié)構(gòu)理論解析

對于二級懸臂式擋墻上墻而言，其土壓力的計算方法可參考《規(guī)范》[8]中的懸臂式擋墻的計算方法；但對于下墻，如果作用的均部荷載分布范圍較大，可以采用上述懸臂式擋墻作用有均部荷載時的土壓力計算情況，但當墻頂為局部均布荷載分布的情況下，土壓力的計算又有所不同.

破裂面與豎直面夾角：

(1)

h0—擋墻上墻荷載等效高度

(2)

則土壓力可采用下述公式：

圖2　二級擋墻下墻土壓力簡化計算示意圖

(3)

土壓力作用點位置為：

(4)

3　假想整體墻背條件下的理論解析

當二級懸臂擋墻整體作用時，將采用類似于有減壓平臺的擋土墻的土壓力計算方法，由于有減壓平臺的擋土墻的計算墻面為一個折線形的墻面，土壓力計算時采用的是非直線墻面上的土壓力計算方法，因此對于這種新型的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)形式具體計算方法也采用類似的方法，如圖3所示.

圖3　二級擋墻土壓力計算簡圖

3.1滑動面傾角θ的計算

(5)

式中α3—墻面DE與豎直平面之間的夾角(°)

則

(6)

從F點作水平面FM與DC面的延長平面DM(豎直平面正交于M點)，由圖3中的幾何關(guān)系可知，滑動土體的體積為

(7)

式中

D=btanβ+H1+H2+H4

H1，H2，H4——分別為墻段AB，CD和DJ的高度(m)；

β——填土表面與水平面的夾角；

B——FM的長度；

α——計算墻面GC與豎直面的夾角；

填土的主動土壓力為：

(8)

式中λ0——土壓力系數(shù)，其值

(9)

式中ac——從G點到J點各段計算墻面與豎直面夾角的加權(quán)平均值，即

θ——填土滑動面JF與豎直面的夾角

δc——填土與各段計算墻面的平均摩擦角，即

(10)

式中

滑動面與豎直面的夾角為：

(11)

3.2作用在計算墻面GC上的土壓力

E1=γλ0V1

(12)

式中γ——填土的容重(kN/m3)；

λ0——土壓力系數(shù)，按上式λ0的算法求得，但式中ac=α，δc=φ；

V1——計算墻段GC時的滑動土體GCH,即

(13)

式中

其中b為減壓平臺的寬度(m)，即AG水平距離，土壓力E1沿GC面呈三角形分布.

3.3作用在CD墻面上的側(cè)向土壓力

由于CD墻面是豎直的，故a2=0，因此作用在CD墻面上的土壓力強度為

(14)

(15)

同時，側(cè)向土壓力e2和E2與墻面CD的法線成δ角.

3.4作用在DE計算墻面上的側(cè)向土壓力

作用在DE計算墻面上的側(cè)向土壓力強度

(16)

式中

則作用在DE計算墻面上的側(cè)向土壓力

(17)

其中

4　工程實例

某市三環(huán)路與鐵路立交工程，在K23+385～

K23+486右側(cè)快車道填方最大高度為5 m，因為地處城郊，且地基承載力設(shè)計值[σ]=150 kPa，原考慮設(shè)計衡重式路肩擋土墻，經(jīng)驗算，強身污工太大且料石需遠運，故設(shè)計懸臂式擋土墻，墻高H=5 m，底板的寬度L=3.5 m，厚度t=0.5 m，立板填土側(cè)表面與豎直面的夾角α=10，填土為無粘性土，容重γ=18.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=350，φ0=φ，填土與立板表面的摩擦角δ=100，底板與地基摩擦系數(shù)f=0.3，據(jù)此提出如圖4所示的二級懸臂式擋土墻方案與常規(guī)單級擋土墻對比分析.

圖4　二級懸臂式擋墻計算示意圖

通過對懸臂式擋墻土壓力與本文所設(shè)計的二級懸臂式擋墻土壓力進行對比分析發(fā)現(xiàn)：

從作用在懸臂式擋墻立板上的土壓力來看，作用在一級懸臂式擋墻的土壓力為55.63 kN/m,而作用在二級懸臂式擋墻的最大土壓力為33.725 kN/m，重力擋墻最大土壓力達到73.35 kN/，也就是在同樣的條件下，懸臂式擋墻比重力式擋墻更能發(fā)揮出土的抗剪強度，而二級擋墻又比一級在受力方面更加的優(yōu)良，從構(gòu)造上來說，二級擋墻所用的鋼筋材料應該將比一級擋墻要少，而性能不會降低，詳細土壓力值如表1所示.

表1　二級懸臂式擋墻土壓力及安全系數(shù)表

從穩(wěn)定性分析來看，二級懸臂式擋墻在整體上除了繼續(xù)發(fā)揮出了一級懸臂式擋墻的高抗傾覆特點以外，還能在抗滑移方面與一級懸臂式擋墻比較接近，能夠達到規(guī)范的要求.不僅在整體上滿足要求，局部的穩(wěn)定性也能達到要求，不過對于下墻而言，由于其上有一定的荷載作用，對其穩(wěn)定性有一定的影響.

從基底應力檢算來看，單級擋土墻最大基底應力是在墻趾部位，說明擋土墻變形趨勢是繞墻趾朝外轉(zhuǎn)動的，而二級垛式擋土墻最大基底應力是在墻踵部位，說明擋土墻變形趨勢是繞墻趾朝里轉(zhuǎn)動的.這也就證明了二級垛式擋土墻的穩(wěn)定性是優(yōu)于單級擋土墻的.

從混凝土的用量來看，對于此例，一級懸臂式擋墻(4.05 m3每延米)比二級擋墻(3.59 m3每延米)要多出0.46 m3每延米，也就是說二級擋墻所耗混凝土較一級擋墻要少，想比同高度重力式擋墻，料石需13.75 m3每延米，明顯可以看出其污工較大，料石需較多.

5　結(jié)　論

通過理論解析分析及實例的分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1)懸臂式擋墻所耗材料相比重力式擋墻而言要少，二級懸臂式擋墻在這方面能更加節(jié)省，經(jīng)濟方面的價值不言而喻.

(2)對任何一項工程而言，安全性能是我們最值得關(guān)注的問題，通過本文的分析計算可知，二級懸臂式擋墻在受力方面較單級懸臂式擋墻優(yōu)良，土壓力相對較小，而安全系數(shù)方面并沒有很大程度上的降低，能滿足規(guī)范要求.

(3)二級懸臂式擋墻基底應力分布比單級懸臂式擋墻要合理，也更偏向于安全.

(4)二級擋墻比一級擋墻無論是開挖量或是填方量都要少很多，而安全性能方面并沒有減少多少，同時二級擋墻結(jié)構(gòu)比一級擋墻的結(jié)構(gòu)更加輕型，施工更加方便，還可以考慮在下墻中加入一定的抗滑措施.

[1] 范瑛. 多級擋土墻土壓力傳遞效應與沉降規(guī)律研究[D]. 武漢理工大學博士論文, 2013.

[2] 李海光，等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計與工程實例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 辛廣森.懸臂式擋墻在城市輕軌鐵路中的應用[J].鐵道工程企業(yè)管理，2002(4)：55-57.

[4] 王家東，梁波，葛建軍，等.淺析懸臂式擋土墻在多年凍土區(qū)路塹工程中的適應性[J].路基工程，2003(3):11-13.

[5] 聶小沅.扶壁式擋墻在沿江地區(qū)的應用[J].湖南交通科技，2001,27(4):24-25.

[6] 梁波，王家東，曹元平，等. 多年凍土區(qū) L型支擋結(jié)構(gòu)的土壓力修正模型[J].土木工程學報，2005，38(3)：94-98.

[7] 朱宏偉, 姚令侃, 蔣良濰,等. 考慮變形影響的重力式擋墻地震土壓力分布[J]. 巖土工程學報, 2013(6):1035-1044.

[8] 顧慰慈.擋土墻土壓力計算手冊[M].北京：中國建材工業(yè)出版社，2005.

Analysis and Discussion on Counterfort Cantilever Retaining Wall

LIANG Qiao1,CHEN Xiang2,ZHOU Wen-quan1

(1.College of Construction Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104， China;2.Hunan Xiang-ping Road & Bridge Construction Co., Ltd，Changsha 410075， China)

Along with the development of the economy, the requirement for the retaining structure is higher. In the framework of the reliving platform retaining wall, the counterfort retaining wall is proposed. Based on the limit equilibrium theory and considering the effect of the second failure surface, the varuous sliding surfacees of counterfort retaining wall is reasonalbe selected. Then the computing method of earth pressure is obtained in the counterfort retaining wall. Subsequently, the earth pressure is demonstrated by comparing with the project case. The comparison results show that the earth pressure and the stablility of the counterfort retaining wall are more reasonable than the common retaining wall. Thus the method has a good applicability for the similar engineering design and construction.

counterfort retaining wall; earth pressure; calculation method; alternate deformation

2016-02-28

湖南省教育廳科研資助項目(13C184).

梁橋(1981-)，男，博士研究生，講師，研究方向:巖土工程.

TU476+.4

A

1671-119X(2016)03-0076-05