車輛荷載作用下重力式擋土墻設(shè)計(jì)與驗(yàn)算★

田立慧 楊德智 王春宇 商宇航 陳 剛 王立媛

(黑龍江科技大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150022)

0 引言

在建筑工程中，在土坡上、下修建建筑物，為了防止發(fā)生滑坡和坍塌，常修建各種類型的擋土結(jié)構(gòu)物加以支擋，其中擋土墻在世界各國(guó)的工業(yè)與民用建筑中應(yīng)用非常廣泛[1]。擋土墻的破壞在工程中時(shí)有發(fā)生，常見的破壞形式有滑移、墻身破裂、傾覆、不均勻沉降等[2]。為了防止擋土墻失穩(wěn)事故的發(fā)生，在工程設(shè)計(jì)中需要對(duì)擋土墻進(jìn)行穩(wěn)定性驗(yàn)算，包括是否會(huì)產(chǎn)生傾覆以及滑動(dòng)等[3]。公路路基擋土墻除了受到墻后填土土壓力外還要受到車輛荷載產(chǎn)生的壓力，因此在進(jìn)行路基設(shè)計(jì)時(shí)需要充分考慮車輛荷載作用。目前，車輛荷載對(duì)公路擋土墻的作用尚沒有統(tǒng)一的分析方法，直接簡(jiǎn)化為靜力荷載是常用的處理方法[4-9]。

1 工程概況

本擋土墻為原有公路路基拓寬改造工程擋土墻。采用漿砌石材料建造重力式擋土墻，墻身高4.5 m，墻頂寬為2.2 m，背坡坡度1∶0.2，面坡坡度1∶0.05；墻址處設(shè)置一個(gè)擴(kuò)展臺(tái)階，臺(tái)階寬度為0.3 m，臺(tái)階高度為0.5 m，結(jié)構(gòu)如圖1所示。本文考慮的基本荷載有填土側(cè)壓力、擋土墻結(jié)構(gòu)重力、車輛荷載引起的土側(cè)壓力。取單位長(zhǎng)度的擋墻受力條件對(duì)其抗滑、抗傾覆進(jìn)行分析驗(yàn)算。

2 荷載計(jì)算

公路為Ⅰ級(jí)公路，路基面總寬12.800 m，安全距離0.500 m，未設(shè)置路肩，車間距0.600 m，單車車輛外側(cè)車輪中心到車輛邊緣距離0.350 m，由此可得路面上橫向可排列此種車輛5列，布置寬度B0=0.750 m，分布長(zhǎng)度L0=20.000 m，布置寬度范圍內(nèi)車輪及輪重如表1所示。

表1 車輪及輪重設(shè)計(jì)表

由此計(jì)算荷載值∑G=253.340 kN，換算土柱高度h0=0.938 m。

3 土壓力計(jì)算

本工程擋土墻土壓力計(jì)算首先假定墻后填土粘聚力C=0，擋土墻本身不發(fā)生壓縮變形，滑動(dòng)體為通過墻踵的楔形體，且處于極限平衡狀態(tài)，滑動(dòng)面位移平面。由此，該滑動(dòng)楔形體在自身重力、擋土墻支撐力及滑動(dòng)面上填土的反力的共同作用下處于靜止平衡狀態(tài)，據(jù)此可求出此時(shí)擋土墻所受土壓力。土壓力僅計(jì)算作用在墻背后的主動(dòng)土壓力，并遵循庫(kù)侖定律，被動(dòng)土壓力在本工程中由于擋墻基礎(chǔ)埋深很淺，所以忽略不計(jì)[10,11]。依據(jù)《公路橋涵設(shè)計(jì)通用規(guī)范》中對(duì)車輛荷載引起的土壓力計(jì)算方法，把填土破壞棱體范圍內(nèi)的車輛荷載換算成等代均布土層厚度h0來計(jì)算，然后用庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算公式，同時(shí)考慮路堤墻破裂面交于荷載內(nèi)，則主動(dòng)土壓力按式(1)進(jìn)行計(jì)算[8,9]。

(1)

其中:

ψ=φ+α+δ，

根據(jù)資料，墻后填土重度γ=18.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=35°，墻背與填土間摩擦角δ=17.5°，擋土墻墻背設(shè)計(jì)為1∶0.2，填土面坡度設(shè)計(jì)為1∶1.75，可知α=11°，β=30°，則A=0.474，tanθ=0.912，K=0.251，K1=2.863，則Ea=130.967 kPa，Eax=Eacos(α+δ)=115.096 kPa，Eay=Easin(α+δ)=62.492 kPa。

4 墻體自重計(jì)算

根據(jù)擋土墻形狀并取單位厚度進(jìn)行其自重W的計(jì)算，作用點(diǎn)在墻體重心上，方向豎直向下，漿砌石的重度為23 kN/m3。按圖2對(duì)墻體進(jìn)行劃分，則：

W1=2.2×4.5×1×23=227.7 kN;

W2=0.5×0.9×4.5×1×23=46.575 kN;

W3=0.5×0.2×4×1×23=9.2 kN;

W4=0.5×0.5 ×1×23=5.75 kN;

W總=W1+W2+W3+W4=289.225 kN。

5 穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋土墻的基本尺寸初定之后，需要對(duì)其穩(wěn)定性進(jìn)行驗(yàn)算，主要包括抗傾覆穩(wěn)定性和抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算，若穩(wěn)定性不滿足要求，則需要重新調(diào)整設(shè)計(jì)尺寸。本工程穩(wěn)定性驗(yàn)算采用常用的安全系數(shù)法。

5.1 抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗滑力與滑動(dòng)力的比值為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)Kc，并由式(2)確定。根據(jù)規(guī)范規(guī)定，當(dāng)Kc≥1.3時(shí)滿足抗滑穩(wěn)定性要求。

(2)

其中，μ為基底摩擦系數(shù)。

本工程擋土墻基底摩擦系數(shù)0.45，滑移力158.273 kN，抗滑力115.096 kN，Kc=1.375>1.300，所以該擋土墻滿足抗滑移要求。

5.2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

抗傾覆穩(wěn)定性以墻趾點(diǎn)取力矩進(jìn)行驗(yàn)算，抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)Kt，并由式(3)確定。依據(jù)規(guī)范規(guī)定Kt≥1.5滿足安全要求。

(3)

本工程相對(duì)于墻趾點(diǎn)，墻身重力W的力臂a=1.389 m，Eay的力臂b=3.305 m，Eax的力臂h=1.516 m。則傾覆力矩608.145 kN/m，抗傾覆力矩174.486 kN/m，傾覆驗(yàn)算滿足Kt=3.486>1.500，所以該擋土墻滿足抗傾覆要求。

6 結(jié)語

開展了車輛荷載作用下公路路基重力式擋土墻設(shè)計(jì)及驗(yàn)算。

1)車輛荷載對(duì)擋土墻土壓力的影響存在有效范圍，在有效范圍內(nèi)，可將其簡(jiǎn)化為靜力荷載并換算成等代均布土層厚度。

2)進(jìn)行擋土墻抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算，滑移力158.273 kN，抗滑力115.096 kN，Kc=1.375>1.300，所以該擋土墻滿足抗滑移要求。

3)進(jìn)行擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，傾覆力矩608.145 kN/m，抗傾覆力矩174.486 kN/m，傾覆驗(yàn)算滿足Kt=3.486>1.500，所以擋土墻滿足抗傾覆要求。