淺析鐵路重力式擋土墻設計方法

蔣 亮，王 園，黃 蘋

(1.中國建筑東北設計研究院有限公司;2.東北大學碩士研究生)

0 引言

基礎設施建設作為社會經濟發(fā)展的基礎，正隨著我國經濟的騰飛而快速發(fā)展。在基礎設施建設中，不管是港口、水利、園林，還是公路、鐵路都離不開擋土墻的身影，可見擋土墻的重要程度。在鐵路建設中，其線路經過地形多比較復雜，擋土墻應用更為普遍。其中重力式擋土墻又由于其造價低、形式簡單、取材容易而應用最廣。重力式擋土墻的基本設計思路是先擬定墻身斷面形式及尺寸，這個步驟正是體現(xiàn)一位工程師的創(chuàng)造性一步;再計算出墻所受的荷載;最后進行檢算，包括抗滑穩(wěn)定性檢算、抗傾覆穩(wěn)定性檢算、墻身截面強度檢算、基底應力及偏心距檢算等。如果檢算不滿足條件或者過于安全，應重新擬定墻身截面尺寸，再重復上述設計步驟。這樣設計對于設計人員的經驗要求比較高，很難做到快速設計。故本文對鐵路上形式簡單、高度比較低又無特殊要求的重力式擋土墻的設計過程及快速設計進行探討。

1 擋土墻尺寸初步擬定及設計荷載計算

1.1 截面選取

初步擬定內容包括：墻頂寬度、墻背和墻胸的坡度、墻底寬度和坡度。通常可由《鐵路工程設計技術手冊—路基》初步確定。由于仰斜式擋土墻抗滑及抗傾覆穩(wěn)定性均比較令人滿意，故如果沒有什么特殊要求的情況下該類型應作為首選。值得注意的是，同一地段斷面形式不宜過多，以免造成施工困難或者影響美觀。

1.2 設計荷載計算

計算設計荷載前，首先應將軌道和列車荷載通過換算土柱法轉化成靜荷載，換算方法參照《鐵路路基支擋結構設計規(guī)范》中的附錄A。

根據(jù)規(guī)范要求，擋土墻上的力一般可只考慮主力。主力中需要著重計算的是作用在墻上的土壓力。由于墻前土壓力發(fā)揮作用需要較大的位移，這在工程上是不允許的，并且重力式擋土墻通常埋深比較淺，故從安全可靠的角度考慮擋土墻前的被動土壓力可以不計算，僅當基礎埋置較深且地層穩(wěn)定、不受水流沖刷和擾動破壞時，可采用被動土壓力的作用。作用在墻背的主動土壓力一般按庫侖土壓力公式計算。當破裂面與路基面相交時，破裂棱體的面積S隨著擋土墻及破裂面位置而變化，但都可歸納為一個表達式

式中

A0、B0中參數(shù)見《鐵路工程設計技術手冊—路基》擋土墻設計部分。

當邊界條件確定后，A0、B0為常數(shù)，并可從破裂棱體的幾何關系求得。

《鐵路工程設計技術手冊—路基》中給出了不同邊界條件下的庫侖主動土壓力計算公式。在具體計算時，由于無法預知破裂面的位置，一般是先假設破裂面位置，然后按此情況下的公式計算出破裂角θ，再根據(jù)幾何關系來校核假設是否正確。若假設不合理，則需選用另外的破裂面位置重新計算，直至校核合理。最后可根據(jù)附表中公式可計算土壓力的大小，方向和作用點位置。

2 擋土墻的檢算

2.1 檢算基本方法步驟

重力式擋土墻受力分析簡圖如圖1所示。

圖1 擋土墻受力分析簡圖

(1)擋土墻穩(wěn)定性檢算

重力式擋土墻的穩(wěn)定性檢算主要內容及要求見表1。

表1 擋土墻穩(wěn)定性檢算要求

式中：∑N為作用基底上的總垂直力，kN;∑EX為土壓力的總水平分力，kN;EP為墻前土壓力的水平分力，kN;f為基底與地層間的摩擦系數(shù)。

②擋土墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)檢算

①擋土墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)檢算

式中：∑MY為穩(wěn)定力系對墻趾的總力矩，kN·m;∑M0為傾覆力系對墻趾的總力矩，kN·m。

③擋土墻偏心距檢算

基地合力偏心距為

式中：e為基底合力的偏心距，m，當為傾斜基底時，為傾斜基底合力的偏心距;B為基底寬度，m，傾斜基底為其斜寬;ΣN為作用于基底上的總垂直力，kN。

④基底壓應力檢算

式中：σ1為擋土墻趾部的壓應力，kPa;σ2為擋土墻踵部的壓應力，kPa;C為作用于基底上的垂直分力對墻趾的力臂，m。

(2)擋土墻截面強度檢算

強度檢算通常僅選取一、兩個墻身截面進行強度撿算，例如基礎頂面、基底、1/2墻高處、墻身變截面處等截面。檢算內容及要求見表2。

表2 擋土墻強度檢算要求

2.2 快速確定截面途徑分析

進行檢算的過程我們都已經明確了，但是如果某一項檢算不合格該就需要修改截面，但具體從哪個方面來修改是需要設計經驗的，這對于經驗不足的設計人員來說是有些困難的。下面我們通過一個計算實例來總結重力式擋土墻截面尺寸的確定思路。

算例：擋土高度6 m，填土重度γ=19 kN·m-3，填土內摩擦角φ=45°，墻背與墻后填土摩擦角δ=22.5°，墻后填土坡線及換算土柱尺寸等條件見圖2。對各檢算項目進行檢算，檢算結果見表3。

圖2 擋土墻檢算原始條件

從表3中數(shù)據(jù)分析可得如下結果：當擋土墻抗滑動穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求時，采取增大墻頂寬度、增大墻底寬度、增加墻背傾角等措施時效果明顯。這也正驗證了公式(2)，通過增大基底壓力可以增加抗滑力。增加墻背傾角能提高抗滑動穩(wěn)定系數(shù)，經計算分析得知其原因是增加墻背傾角雖然會降低基底摩擦力，但卻大幅降低了墻后土壓力的水平分力，達到提高抗滑穩(wěn)定系數(shù)效果。當然也可以設法提高摩擦系數(shù)，或者加設防滑凸榫來增大基底摩擦力，來滿足抗滑穩(wěn)定要求。

當抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求時，可采取的措施有，增大墻底寬度、增加墻背傾角或者加設墻趾。原理可從公式(3)中分析得出，通過增加穩(wěn)定力系對墻趾的總力臂，來增加穩(wěn)定力系對墻趾臺階的總力矩，這樣就增加了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

從表3中還可以看出，當偏心距或者墻底最大壓應力不滿足驗算要求時，均可通過增加墻底寬度、加設墻趾臺階或者調整墻背傾角來使其滿足驗算要求。

表3 擋土墻檢算結果

3 結束語

重力式擋土墻的設計除必須滿足強度與穩(wěn)定性的要求，還應考慮就地取材、經濟合理、施工養(yǎng)護的方便與安全等因素，因此在設計過程中，設計經驗是非常重要的。筆者對重力式擋土墻的設計過程進行概述并對截面確定方法做出歸納總結，希望對缺少設計經驗的工程設計人員有所幫助。

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［1］郝瀛.鐵道工程［M］.中國鐵道出版社，2000.

［2］鐵路路基支擋結構設計規(guī)范［M］.中國鐵道出版社，2006.

［3］鐵路路基設計規(guī)范(TB10001-2005)［S］.中國鐵道出版社，2005.

［4］鐵路工程設計技手冊 路基.鐵道部第一勘測設計院［M］.中國鐵道出版社，1995.