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      淺談重力式擋墻的穩(wěn)定性及其影響因素

      2022-11-17 09:50:44林觀茂
      四川水泥 2022年10期
      關(guān)鍵詞:庫侖擋土墻擋墻

      林觀茂

      (景森設(shè)計股份有限公司湛江分公司,廣東 湛江 524002)

      0 引言

      擋墻是指為防止土體坍塌,用來支擋墻后土體并承受來自墻后土壓力的構(gòu)筑物。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同,擋墻可分為重力式擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、樁板式擋墻等。其中,重力式擋墻依靠自身重力就能使邊坡保持穩(wěn)定,具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可就地取材等優(yōu)點,因此在工程上被廣泛應(yīng)用。為了確保重力式擋墻應(yīng)用的穩(wěn)定性,確保工程的建設(shè)和使用效果,本文從土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料等方面分析重力式擋墻穩(wěn)定性的影響因素。

      1 重力式擋墻的穩(wěn)定性

      重力式擋墻的設(shè)計一般采用試算法,即先根據(jù)擋墻所處的條件和要求(包括工程性質(zhì)、墻后土體性質(zhì)、荷載情況、建筑材料、施工條件等),憑經(jīng)驗初步擬定擋墻形狀和截面尺寸,然后進行擋墻的驗算(包括擋墻的穩(wěn)定性驗算、地基的承載力驗算、抗震工況驗算等),如不滿足要求,則改變擋墻形狀、截面尺寸或采取其他措施。擋墻的穩(wěn)定性驗算包括抗滑移穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性驗算,是重力式擋墻設(shè)計中非常重要的一環(huán)。

      (1)重力式擋墻的抗滑移穩(wěn)定。擋墻滑移是指擋墻在墻背土壓力作用下可能沿著墻底發(fā)生滑動破壞,要保證擋墻的抗滑移穩(wěn)定性,必須要求抗滑力和滑動力之比不小于1.3。地震工況時,重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.1。

      (2)重力式擋墻的抗傾覆穩(wěn)定。擋墻傾覆是指擋墻在墻背土壓力作用下可能繞墻趾向前發(fā)生轉(zhuǎn)動而傾覆,要保證擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性,必須要求抗傾覆力矩和傾覆力矩之比不小于1.6。地震工況時,重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3。

      2 重力式擋墻穩(wěn)定性的影響因素

      影響重力式擋墻穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜。對此,國內(nèi)外學(xué)者已進行了大量的試驗研究以及模擬計算[1-3]。在此,筆者分析總結(jié)得出以下幾個重要的影響因素。

      2.1 土壓力的計算

      擋墻所受到的土壓力類型,根據(jù)墻體是否發(fā)生位移以及位移方向,可分為主動土壓力、靜止土壓力以及被動土壓力。

      當(dāng)擋墻靜止不動,墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力稱為靜止土壓力。地下室外墻所承受的土壓力就屬于靜止土壓力。

      當(dāng)擋墻在土壓力作用下離開土體向前位移,墻后土體達到主動極限平衡狀態(tài)時,作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力。支擋土體的擋墻所承受周圍填土的側(cè)壓力一般屬于主動土壓力。

      當(dāng)擋墻在外力作用下推擠土體向后位移,墻后土體達到被動極限平衡狀態(tài)時,作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力。如橋臺受到橋上荷載推向土體時,土對橋臺產(chǎn)生的側(cè)向土壓力屬于被動土壓力。

      重力式擋墻的失穩(wěn)破壞很多情況是因為土壓力計算不準(zhǔn)。一般采用朗肯土壓力理論或者庫侖土壓力理論來計算擋墻土壓力,但兩者分別有不同的假設(shè)條件。

      朗肯土壓力理論的基本假定有:(1)墻本身是剛性,不考慮墻身的變形;(2)墻后填土表面水平;(3)擋土墻墻背豎直、光滑。由此計算出的土壓力為水平方向的力,如圖1所示。

      圖1 朗肯土壓力作用方向示意圖

      但是實際的墻背并不光滑,即墻背與填土之間的摩擦角并不為0,所以實際土壓力不水平。由墻后填土的運動情況可判斷出主動土壓力方向為斜下,被動土壓力方向為斜上,如圖2和圖3所示。

      圖2 實際情況下的朗肯主動土壓力作用方向示意圖

      圖3 實際情況下的朗肯被動土壓力作用方向示意圖

      庫侖土壓力理論的基本假定有:(1)墻后填土為無黏性土,擋土墻為剛性的;(2)滑動破壞面為通過墻踵的平面;(3)滑動土楔體視為剛體;(4)滑動土楔體整體處于極限平衡狀態(tài),剪應(yīng)力均已達到抗剪強度。庫侖土壓力理論的滑動土楔體如圖4所示。

      圖4 庫侖土壓力理論的滑動土楔體示意圖

      但是實際滑裂面不一定是平面,用平面來代替曲面,所計算得到的滑動土楔體面積必然與實際情況有所不同,從而導(dǎo)致計算得到的土壓力與實際情況有偏差。

      故前述兩種土壓力理論的土壓力計算結(jié)果并不完全正確?!督ㄖ吰鹿こ碳夹g(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[4]條文說明第6章指出,庫侖土壓力理論計算主動土壓力比較接近實際,但計算被動土壓力誤差較大;朗肯土壓力理論計算主動土壓力偏于保守,但計算被動土壓力反而偏小。在實際應(yīng)用中,建議用庫侖土壓力理論計算主動土壓力,用朗肯土壓力理論計算被動土壓力。

      根據(jù)庫侖土壓力理論的平面滑裂面假定,主動土壓力可按下列公式計算:

      式中:

      γ——墻后填土的重度;

      H——擋墻高度;

      Ka——庫侖主動土壓力系數(shù)。

      由上述公式可知,主動土壓力與墻后填土的重度成正比,與擋墻高度的平方成正比,故應(yīng)控制墻后填土的重度以及擋墻高度,《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[4]指出,采用重力式擋墻時,土質(zhì)邊坡高度不宜大于10m,巖質(zhì)邊坡高度不宜大于12m。

      但是上述理論所計算的土壓力是基于極限平衡理論,要求支護結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的側(cè)向變形。對于高大的重力式擋墻,通常不允許出現(xiàn)達到極限平衡狀態(tài)的位移值,因此土壓力計算時應(yīng)考慮增大系數(shù),擋墻高度5~8m時增大系數(shù)宜取1.1,擋墻高度大于8m時增大系數(shù)宜取1.2。

      2.2 墻背傾斜情況

      根據(jù)墻背傾斜情況,重力式擋墻可分為仰斜式擋墻、直立式擋墻、俯斜式擋墻和衡重式擋墻等類型,如圖5所示。

      圖5 重力式擋墻的墻背傾斜類型

      在同等條件下,擋墻的主動土壓力以仰斜式最小,直立式居中,俯斜式最大,故仰斜式擋墻的穩(wěn)定性較高。當(dāng)邊坡為挖方邊坡,仰斜式擋墻的墻背可與邊坡坡面緊密結(jié)合,因此挖方邊坡的重力式擋墻設(shè)計成仰斜式較為合理。當(dāng)邊坡為填方邊坡,采用直立式或俯斜式擋土墻則有利于墻后填土夯實。衡重式擋墻能利用衡重臺上部填土的重力而使墻體重心后移,以此抵抗土體側(cè)壓力,增強擋墻的穩(wěn)定性,在高度較大的邊坡工程中常被采用。

      2.3 墻后填土積水問題

      如果擋墻排水不良,雨水會滲入墻后,使得墻后填土的抗剪強度降低,對擋墻穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。墻后填土積水時,還會對擋墻產(chǎn)生靜水壓力,使得作用于擋墻的側(cè)向壓力增加,對擋墻穩(wěn)定性更加不利,如圖6所示。因此,擋土墻必須采用良好的排水措施,如在墻后設(shè)置截水溝以及在墻身設(shè)置泄水孔等。

      圖6 擋墻的側(cè)向壓力示意圖

      2.4 擋墻基底逆坡

      擋墻在墻后土壓力作用下向前位移時,墻腳會受到墻前土的被動土壓力作用,被動土壓力有利于增加擋墻的抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)擋墻基礎(chǔ)的底面做成逆坡時,被動土壓力會增大,從而使擋墻的穩(wěn)定性增加,如圖7所示。

      圖7 擋墻基底逆坡示意圖

      但擋墻基底逆坡的坡度過大會導(dǎo)致墻踵陷入地基中,也會使保持擋土墻墻身的整體性變得困難。為了避免這一情況,《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》(GB 50330-2013)[4]規(guī)定,重力式擋土墻在土質(zhì)地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶10,在巖質(zhì)地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶5。

      2.5 墻后填料問題

      擋墻后面的填土應(yīng)優(yōu)先選擇抗剪強度高和透水性較強的填料,以降低墻后土壓力的作用,從而使擋墻的穩(wěn)定性增加。當(dāng)采用黏性土作墻后填料時,宜摻入適量的砂礫或碎石。不應(yīng)采用淤泥質(zhì)土、耕填土、膨脹性黏土等軟弱有害的巖土作墻后填料。

      3 結(jié)束語

      通過對重力式擋墻的穩(wěn)定性及其影響因素進行分析,可以充分地認(rèn)識到,土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料對重力式擋墻的穩(wěn)定性都有影響,其影響機理也非常復(fù)雜??傊匾曋亓κ綋鯄Φ姆€(wěn)定性,就是重視相關(guān)土木工程的質(zhì)量,就是重視工程的建設(shè)和使用效果。

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