路基擋墻黏性土主動土壓力計算誤差分析
——以某二級公路擋墻為例

吳 銳，胡定波

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院,浙江 杭州 310006;2.臺州市黃巖區(qū)交通運輸局,浙江 臺州 318020）

路基擋墻黏性土主動土壓力計算誤差分析
——以某二級公路擋墻為例

吳 銳1，胡定波2

（1.浙江省交通規(guī)劃設計研究院,浙江 杭州 310006;2.臺州市黃巖區(qū)交通運輸局,浙江 臺州 318020）

對某二級公路路肩式擋墻墻背黏性土主動土壓力采用了常見的兩種方法計算，即經(jīng)典庫倫理論的等效內摩擦角法和力多變形法。計算結果表明，這兩種方法計算出來的該擋墻的抗滑動穩(wěn)定系數(shù)誤差達到33.4%，并且，隨著墻高的增加，誤差增加很快。因此，在設計高墻時，應酌情降低D，在計算黏性土的主動土壓力時，最好是按照實際測定的c、值，采用力的數(shù)解法計算。

路基擋墻；黏性土；主動土壓力計算；抗滑動穩(wěn)定系數(shù)

0 引言

考慮到工程的經(jīng)濟性和就地取材的原則，公路擋土墻墻后的填土不可能采用遠運砂性土，而是就近取土填筑，不可避免地造成填土或多或少具有一定的黏聚力。我國現(xiàn)行路基規(guī)范規(guī)定采用庫倫理論計算路基擋墻所受到的主動土壓力。經(jīng)典庫倫理論只考慮不具有黏聚力的砂性土的土壓力問題。當墻背填料為黏性土時，土的黏聚力對主動土壓力的影響很大，因此應該考慮黏聚力的影響。

以庫倫理論為基礎的計算黏性土主動土壓力的方法主要有等效內摩擦角法和力多邊形法。等效內摩擦角法是指按照抗剪強度相等或土壓力相等的原則，把黏性土的黏聚力的影響考慮到內摩擦角這一參數(shù)中，然后按砂性土的公式來計算主動土壓力。然而，由于影響土壓力數(shù)值的因素是多方面的，包括墻高、墻型、墻后填土表面荷載情況等。按照實際測定的C、φ值，采用力的多邊形法來計算黏性土的主動土壓力，是更符合實際的做法。本文以某二級公路的路肩式擋墻為例，即擋墻邊界條件相對簡單的情況下，在滿足現(xiàn)行規(guī)范對于重力式擋墻各項計算要求的前提下，分析等效內摩擦角法計算的主動土壓力作用下，擋墻墻身沿基底抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的誤差。

1 工程概況

某丘陵區(qū)二級公路，設計速度80 km/h，路基全寬12 m。路基土由含碎石亞黏土（黏性土）、含黏性土碎石等組成。厚度變化較大，一般小于4 m，個別地段可達6～8 m。一般無軟弱夾層，下伏坡殘積層和各類基層（風化層），屬正常路段，地基土具一定強度，可直接作公路路基基礎。地形起伏而決定路基形式以挖方和填方相間交替?？紤]到壓縮用地和支檔防護要求，局部路段采用仰斜式路肩擋墻。墻背填土重度γ=18 kN/m3，c=5 kPa，=25°。墻背摩擦角δ=2/3。地基容許承載力[σ]=250 kPa，基底摩擦系數(shù)f=0.4。墻身材料為砌體，重度為20 kN/m3，砌體容許壓應力[σ]=500 kPa。擋墻斷面如圖1所示。

圖1 路肩式擋墻斷面圖

以5 m高的擋墻為例，參照公路設計手冊路基分冊[1]，墻身擬定的各部位尺寸及參數(shù)為：N1= 0.25，B1=B2=1.2 m，B3=0.3，DH=0.5 m。

2 等效內摩擦角法和力多變形法計算黏性土的主動土壓力

2.1 等效內摩擦角法

圖2為等效內摩擦角法計算主動土壓力示意圖。

圖2 等效內摩擦角法計算土壓力示意圖

2.1.1 等效內摩擦角計算

2.1.2 荷載當量土柱高度計算

根據(jù)規(guī)范，車輛荷載作用在擋土墻墻后填土引起的附加土側壓力，可以按照下式換算成等代均布土層厚度計算：

式中：γ為土的容重；q為車輛附加荷載標準值（kN/m2），按照墻高 5 m根據(jù)規(guī)范內插得到q=16.25 kN/m2，故 h0=16.25/18=0.9 m。

2.1.3 土壓力計算

假設破裂面交于荷載內部。根據(jù)路肩式擋墻破裂面交于內部的破裂角θ計算公式,可得tanθ= 0.865 8,故θ=40°53′06″。破裂面位置符合假設。繼而根據(jù)路肩擋墻破裂面交于荷載內部的主動土壓力計算公式，可得主動土壓力Ea=72.61 kN。其水平分量EX和豎直分量Ey計算如下：

2.2 力多邊形法

圖3為力多邊形法計算主動土壓力示意圖。

圖3 力多邊形法計算土壓力示意圖

2.2.1 裂縫區(qū)深度計算

裂縫區(qū)實際深hc'=hc-h0=-0.03 m

2.2.2 土壓力計算

假設破裂面交于荷載內部。根據(jù)路肩式擋墻破裂面交于內部的破裂角θ計算公式可得tanθ= 0.877 9，故θ=40°16′45″。破裂面位置符合假設。繼而根據(jù)路肩擋墻破裂面交于荷載內部的主動土壓力計算公式，可得：

3 抗滑動穩(wěn)定系數(shù)計算及分析

上述擋墻設計在通過規(guī)范要求的設計狀態(tài)基本驗算，進行擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性驗算的前提下，分析兩種不同的主動土壓力計算方法對抗滑穩(wěn)定系數(shù)的影響。采用公式K= [N+Ex×tanα]×f/(Ex-N tanα)分別計算擋墻的滑動穩(wěn)定系數(shù)，結果為：采用等效內摩擦角法和力多變形法的抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.44和2.16，誤差達到33.4%。改變墻身高度，按照《公路設計手冊——路基》[1]擬定墻身的各部位尺寸，擋墻高度分別為3 m、4 m、6 m和7 m。分別采用等效內摩擦角法和力多邊形法計算主動土壓力前提下的擋墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)，結果見表1。

表1 等效內摩擦角法和力多邊形法計算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)

可以看出，隨著墻高的增加，誤差增加很快。因此，在設計高墻時，應酌情降低D；在計算黏性土的主動土壓力時，最好是按照實際測定的c、值，采用力的數(shù)解法計算。

4 結語

極限平衡理論是從破裂棱體的靜力平衡條件出發(fā)，假定墻身及破裂棱體為剛體。這與實際情況并不相符，特別是在墻背傾角較大的情況下。更重要的是，由于沒有考慮土的應力-應變關系，沒有考慮墻身、基底及填土的共同作用，因而只能求得極限平衡時的壓力而得不到位移。實際上，墻身位移對土壓力影響非常明顯。用有限元法對擋土墻進行數(shù)值分析是解決這個問題的途徑，同時需要用模型試驗或現(xiàn)場實測資料來驗證，有待進一步實踐探討。

[1]交通部第二公路勘察設計院.公路設計手冊——路基[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG D30—2015，公路路基設計規(guī)范[S].

U416.1

B

1009-7716（2017）09-0196-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.059

2017-07-07

吳銳（1977-），男，四川廣安人，高級工程師，從事路線互通設計工作。