擋土墻抗震設(shè)計的要點分析

【摘 要】擋土墻是公路、鐵路、橋梁等交通的重要構(gòu)筑物，是交通運輸正常運轉(zhuǎn)和人生命安全的重要保障。近年來，隨著地震頻發(fā)，擋土墻的抗震設(shè)計也更加受到重視。本文指出了目前我國擋土墻抗震設(shè)計規(guī)范中存在的一些不足，以扶壁式擋土墻為例，對基于位移和力的壓力計算、截面設(shè)計等擋土墻抗震設(shè)計要點進(jìn)行了簡要探討。

【關(guān)鍵詞】擋土墻；抗震設(shè)計；要點

擋土墻被廣泛應(yīng)用到交通、水利、橋梁等工程，用于穩(wěn)定路面，防止水流沖刷，保護(hù)建筑物或整治塌方、滑坡等路基病害。但是，擋土墻很容易受到地震的影響，在地震中因側(cè)向土壓力的增加而產(chǎn)生變形、側(cè)向移動、沉降甚至坍塌，尤其是近些年來，地殼活動的劇烈和人類活動頻繁，導(dǎo)致了地震災(zāi)害的頻發(fā)，擋土墻也受到了極大破壞。例如： 2001我國新疆、青海交界處的昆侖山中發(fā)生8.1級地震，青藏公路（國道109線）受到嚴(yán)重破壞，路面出現(xiàn)多處破裂。擋土墻的破壞造成的不僅是經(jīng)濟(jì)損失，更是人員的傷亡，所以應(yīng)當(dāng)受到高度重視。

一、我國擋土墻抗震設(shè)計規(guī)范存在的不足

目前，我國公路擋土墻的抗震設(shè)計主要以《公路工程抗震設(shè)計規(guī)范》為依據(jù)。但是，隨著經(jīng)濟(jì)的高速增長和科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，該規(guī)范仍未進(jìn)行調(diào)整，故而其內(nèi)容稍顯落后，存在一些不足，無法滿足現(xiàn)階段公路建設(shè)發(fā)展的需要。

1.擋土墻的穩(wěn)定性及抗震強(qiáng)度驗算

擋土結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度抗震驗算中需要考慮地震作用沿高度的分布，考慮多種負(fù)荷。但是，我國現(xiàn)行的規(guī)范僅依靠有限的震害經(jīng)驗和試驗，對擋土墻地震作用沿高度分布系數(shù)做出規(guī)定，如以重力式擋土結(jié)構(gòu)為目標(biāo)，只有在達(dá)到12米的臨界點時才考慮放大效應(yīng)，12米以下則不予考慮；在進(jìn)行驗算時，只考慮垂直路線走向的水平荷載，對與地震荷載相關(guān)的水的浮力、土的重力及結(jié)構(gòu)重力等不予考慮。

2.擋土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算

地震土壓力是地震主動土或被動作用在擋土墻上的壓力，是擋土結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性計算中的最主要因素。我國對此采用庫侖公式進(jìn)行計算，考慮到了土的內(nèi)摩擦角j 、容量g 及填土與搶唄的摩擦角d ，但是對粘性土或者具有一定粘性土質(zhì)的土的粘性沒有考慮。此外，對于驗算、計算原理相通，具有相同功能（約束一側(cè)土體滑動）的擋土墻和橋臺，規(guī)范將其分為兩章，分別按各自的公式計算，在一定程度對擋土墻抗震設(shè)計造成了不便。

3.擋土墻材料的選擇與處理

規(guī)范中對擋土墻選用材料規(guī)定不明確。如規(guī)定不能采用干砌片石作為一級或高速公路擋土墻的建筑材料，而其他等級公路可采用該材料，但要控制高度，一般而言，“烈度為8度時，擋土墻不宜超過5米；烈度為9度時，擋土墻不宜超過3米?！钡珜τ谄渌恋男再|(zhì)和處理沒有明確要求。在對路基進(jìn)行填方時，要選擇壓實度符合規(guī)范的材料，如粘性土、碎石土、卵石土等；若選用了砂性土，則要對其壓實，同時要對邊坡進(jìn)行加固。

二、擋土墻抗震設(shè)計的要點分析

擋土墻的抗震設(shè)計主要有兩大方面：驗算本身的強(qiáng)度和驗算抗滑移抗傾覆的穩(wěn)定性，主要是指地震土壓力，這也是擋土墻的抗震設(shè)計要點。

1.本身強(qiáng)度

本身強(qiáng)度是指擋土墻自身抗震強(qiáng)度的設(shè)計，主要包括以下內(nèi)容：

1.1地基土的剛度

一項研究“不同擋土墻位置下的水平位移的均方根響應(yīng)隨著不同地基土剛度的變化規(guī)律”顯示：“墻頂?shù)乃轿灰凭礁憫?yīng)比墻底的均方根響應(yīng)要大，但都隨著地基土剛度的較小而成非線性增加”，說明“基礎(chǔ)土越軟，則地震過程中擋土墻結(jié)構(gòu)的水平位移均方根響應(yīng)將越大”，與實際地震中的擋土墻的位移變形是一致的。

1.2墻高

擋土墻設(shè)計尺寸對抗震設(shè)計也會有影響。有關(guān)學(xué)者對此進(jìn)行了研究，以4m、6m、1Om的三組擋土墻為例進(jìn)行計算，分析其對擋土墻的隨機(jī)地震響應(yīng)的影響?！笆紫扔渺o力法來設(shè)計三組擋土墻，墻頂寬度都為0.5米，基底和墻后填土及擋土墻的材料屬性同計算模型” 。

該項研究結(jié)果顯示“水平位移的均方根響應(yīng)隨墻高變化很顯著，擋土墻越高，則地震時的位移均方根響應(yīng)越大”。

以扶壁式擋土墻為例。扶壁式擋土墻依靠墻身自重和踵板上方填土的重力來保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，適用于地震地區(qū)。扶壁式擋土墻墻高一般在9—10m左右，段長度不宜大于20m，一般為1/4—1/2墻高；變截面隨高度逐漸向后加厚（或等厚式）。墻面板寬度和墻底板的厚度與扶肋間距成正比，墻面板頂寬不得小于0.2m，可采用等厚的垂直面板。墻踵板寬一般為墻高的1/4—1/2，且不小于0.5m。墻趾板寬宜為墻高的1/20—1/5，墻底板板端厚度不小于0.3m；扶壁式擋土墻的墻面板、墻踵板按矩形截面受彎構(gòu)件計算配筋。

此外，擋土墻自身容重，墻背傾角等因素也會影響擋土墻自身強(qiáng)度，對隨機(jī)地震響應(yīng)也會產(chǎn)生影響，但其影響不是很大。

2.地震土壓力

擋土墻以及地下箱型結(jié)構(gòu)、橋臺等一些簡單結(jié)構(gòu)之所以在地震中受到破壞，往往是由地震土壓力的增加所致。地震土壓力是擋土墻抗震設(shè)計的必要考慮要點。方法M-O 法和Eurocode-8充分考慮了地震土壓力，且考慮到了位移，較為合理，是目前應(yīng)用較為廣泛的設(shè)計方法。地震土壓力對于擋土墻的抗震設(shè)計至關(guān)重要。

扶壁式擋土墻的土壓力計算采用的是庫倫土壓力法。計算公式如下：

Kq=（Gb+Eya）∕Exh≥1.5

Kh=（G1+Ey）μ∕Ex≥1.3

（G為墻體自重，G1為墻體自重加上墻后土的重量，b為基底傾覆點與墻體形心水平距離，a為基底傾覆點與土壓力作用點距離，Ex、Ey為土壓力的水平、豎直分力，h為土壓力形心作用點與基底垂直距離，μ為擋土墻基底摩擦系數(shù)）也可采用朗金土壓力法。

目前，擬靜力分析方法是大多數(shù)國家相關(guān)規(guī)范所采用的方法，日本規(guī)范物部一岡部（M一O）公式的地震土壓力計算方法則是應(yīng)用較廣泛的地震土壓力計算方法。該方法對地震主動土壓力和被動土壓力進(jìn)行計算（同時需要考慮土的粘聚力、容量及超載等影響因素）。

對臨水的擋土墻進(jìn)行設(shè)計的時候，地震時對水產(chǎn)生的動水壓力也應(yīng)當(dāng)在考慮范圍內(nèi)，則此時動力水壓表示為（假設(shè)動水壓力方向與基礎(chǔ)慣性方向一致）：、

（H表示墻的高度， 表示填土容量，a 表示地面加速度比）

Euro code-8 規(guī)范是第一個將位移法運用于擋土墻抗震設(shè)計中的規(guī)范，詳細(xì)介紹了擋土墻的結(jié)構(gòu)、基礎(chǔ)及巖土等方面的設(shè)計，其關(guān)于擋土墻總承受力的計算公式表示為：

（H表示墻的高度，K表示土壓力系數(shù)， 表示靜水壓力， 表示動水壓力， 表示地震初值加速度的系數(shù)）

3.隨意性參數(shù)

在我國目前仍然主要是采用定值法，以安全系數(shù)為度量指標(biāo)，相對落后；其他很多國家的抗震設(shè)計規(guī)范則開始采用位移法，應(yīng)有廣泛且頗有成效。但是仍存在一些問題，它“將土性參數(shù)視為確定性的常量，沒有考慮擋土墻體系中實際存在的不確定性，導(dǎo)致在工程中某些擋土墻按定值法估計的安全系數(shù)是足夠的，而投入使用后卻很快發(fā)生了破壞”，即忽視了其他變量及其隨意性。擋土墻方針設(shè)計除常規(guī)設(shè)計考慮因素外，還應(yīng)考慮基底土、墻背填土、擋土墻彈性模量，基底、墻背填土、擋土墻密度，基底土泊墻背、填土泊、擋土墻泊松比等隨機(jī)參數(shù)。所以，目前興起了一種可靠度理論，采用可靠度設(shè)計方法，即考慮隨機(jī)參數(shù)，代替定值設(shè)計方法，對完善巖土工程擋土墻抗震設(shè)計意義重大，也將成為其要點設(shè)計的主要發(fā)展趨勢。

對擋土墻抗震進(jìn)行設(shè)計時，要實行彈性設(shè)計，即“保證在地震時位移控制在允許的范圍內(nèi)”，同時還要“保證擋土墻出現(xiàn)位移時對相鄰的設(shè)計或者結(jié)構(gòu)不會產(chǎn)生危害”，注重其實際情況和變化。

4.結(jié)語：

擋土墻抗震設(shè)計是保障建筑質(zhì)量和人們生命安全的重要內(nèi)容，應(yīng)當(dāng)受到極大重視。通過對比國外經(jīng)驗，我國的擋土墻抗震設(shè)計應(yīng)在原設(shè)計的基礎(chǔ)上，借鑒國外優(yōu)秀方法和規(guī)范，采用位移法，考慮隨機(jī)參數(shù)，盡可能的簡化設(shè)計計算量，避免重復(fù)驗算或遺漏，從而提高擋土墻設(shè)計結(jié)構(gòu)的可靠性。

參考文獻(xiàn)：

[1] 成語. 中外擋土墻抗震設(shè)計思路對比[J]. 科技創(chuàng)業(yè)家. 2013（01）