基于理論與數(shù)值分析的衡重式擋墻優(yōu)化設(shè)計

方延強(qiáng)，蔣志軍，周昌全，明海波，鄭 瓊

(四川渝建研建設(shè)工程質(zhì)量檢測有限責(zé)任公司，四川成都 610041)

1 引言

重力式擋土墻因其就地取材，造價低廉，施工方便等特點(diǎn)，目前是擋土結(jié)構(gòu)中應(yīng)用時間最長且最廣泛的結(jié)構(gòu)型式。由于重力式擋土墻靠自重維持平衡穩(wěn)定，因此體積、質(zhì)量均較大，在軟弱地基上修建往往受到承載力的限制。如果墻太高，則耗費(fèi)材料過多，也不經(jīng)濟(jì)。在《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范》(GB 50007-2011)［1］中規(guī)定:“重力式擋土墻僅適用于H≤8m的情況”。但在施工工程中，由于其可就地取材、價格低廉等特點(diǎn)，在某些地基條件較好的高邊坡工程中也采用衡重式擋墻。

吳海根［2］通過對帶卸荷板的扶壁式擋土墻進(jìn)行了分析，并通過實例驗證，設(shè)置卸荷板可以增大擋土墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)的安全儲備，從而使墻的斷面尺寸具有進(jìn)一步優(yōu)化的余地;并從安全性和經(jīng)濟(jì)性角度考慮，得到了適合的卸荷板尺寸及位置優(yōu)化方案;胡云龍，劉國楠，趙有明［3］推導(dǎo)了衡重式樁板擋墻結(jié)構(gòu)內(nèi)力及變形計算公式，并采用有限元法對比驗證了理論計算公式;劉永春，王石磊［4］通過設(shè)計實例，研究了衡重式樁板擋墻的受力特征，并對影響因素進(jìn)行了分析;路林海，劉正銀，張明晶等［5］對某衡重式擋墻典型病害情況進(jìn)行了分析和討論，找出了病害產(chǎn)生的原因，通過數(shù)值模擬計算分析了此類擋墻的變形及受力特征，并在深入分析和計算的基礎(chǔ)上，制定了有針對性的加固處置方案。

在前人研究的基礎(chǔ)上，通過理論分析與數(shù)值分析相結(jié)合的方法對受地下管線限制條件下衡重式擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，通過在墻頂處增加鋼筋混凝土卸荷板，降低了墻身土壓力，進(jìn)而減小了墻身的尺寸，避免了現(xiàn)場管線的遷改，而且壓縮了施工工期，取得了良好的工程效益。

2 工程概況

某市山區(qū)道路在拓寬改建過程中，道路兩側(cè)形成高陡坡路基，該段道路上覆層為砂質(zhì)粘土，下伏基巖為強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂巖，基巖風(fēng)化情況嚴(yán)重。由于現(xiàn)狀地面橫坡較陡，為確保道路路基的穩(wěn)定性，在道路右側(cè)路肩處考慮設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)。根據(jù)工程實際情況，業(yè)主及設(shè)計、地勘等各方經(jīng)過討論，初步擬定采用衡重式擋土墻作為推薦方案。

在現(xiàn)場勘查過程中發(fā)現(xiàn)，路基底部存在大型通信光纜，根據(jù)計算，無論是采取衡重式擋墻還是扶壁式擋墻，其基礎(chǔ)墻趾處均與現(xiàn)有通信光纜沖突，沖突區(qū)段長達(dá)50m左右。

考慮到如果遷改通信光纜，一方面工程造價將大大增加，另一方面，也將嚴(yán)重影響到施工的進(jìn)度。因此，必須在現(xiàn)有方案的基礎(chǔ)上對擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，減小擋墻墻趾處的寬度，以便在不改遷光纜的基礎(chǔ)上進(jìn)行施工。

現(xiàn)場實際情況如下圖所示:

圖1 優(yōu)化前后衡重式路肩擋土墻比較圖

3 優(yōu)化設(shè)計計算

優(yōu)化后的衡重式擋墻，在原卸荷臺處增加了一個L型懸臂板，整個懸臂板采用鋼筋混凝土材料澆筑，通過該鋼筋混凝土卸荷板，大大減小了作用在擋土墻上的土壓力，故擋土墻的斷面面積得以減小，同時整個擋墻的高度可降低2m左右，節(jié)省了大量圬工材料。

針對優(yōu)化后的擋墻設(shè)計方案，對整個高邊坡進(jìn)行穩(wěn)定分析，確保邊坡在施工與運(yùn)營期整體穩(wěn)定性滿足要求。

(1)計算參數(shù)

根據(jù)現(xiàn)場資料，擋土墻墻背填料為砂石土及強(qiáng)風(fēng)化泥巖夾砂石，設(shè)計參數(shù)分別為:φ=32°，γ=19KN/m2，基底摩擦系數(shù)f=0.42。擋土墻上墻高4.0m，下墻高7.5m。承臺臺身采用C25片石混凝土，上部托盤采用C30鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)。

結(jié)構(gòu)計算斷面如圖2所示:

圖2 優(yōu)化后衡重式擋墻計算截面

(2)計算方法

優(yōu)化后方案臺后土壓力的計算采用折線形墻背土壓力的計算方法，分為上墻和下墻兩部分來分別計算［4-7］。

①作用在墻背上的主動土壓力按庫倫理論進(jìn)行計算，其中上墻按第二破裂面法計算，兩破裂面交點(diǎn)在卸荷板懸臂端;下墻按力多邊形法進(jìn)行計算，土壓力強(qiáng)度按矩形分布，作用點(diǎn)為下墻墻高1/2處;

②計算作用于卸荷板上的豎向壓力時，可先計算第二破裂面上的豎向分力，卸荷板承受其長度相應(yīng)部分投影的應(yīng)力，再計算第三破裂面及以上土體的自重，兩者疊加即為卸荷板的豎向壓力，在板上均勻分布。

(3)擋墻計算結(jié)果

實際計算結(jié)果如下:

①擋墻基最大壓應(yīng)力σ=496.3kPa:

②基底抗滑穩(wěn)定系數(shù):K滑=1.65＞1.3;

③抗傾覆穩(wěn)定系數(shù):K滑=1.95＞1.6。

計算結(jié)果滿足要求。

(4)邊坡整體穩(wěn)定性

采用極限平衡法對邊坡的整體穩(wěn)定性進(jìn)行分析。根據(jù)數(shù)值分析結(jié)果可知，邊坡滑動最小安全系數(shù)為1.499。

圖3 安全系數(shù)最小時對應(yīng)的滑動面

邊坡最不利滑動面上的有效正應(yīng)力和有效剪應(yīng)力如圖4、圖5所示。

圖4 最不利滑面有效正應(yīng)力圖

圖5 最不利滑面有效剪應(yīng)力圖

該邊坡為一級邊坡，邊坡穩(wěn)定安全系數(shù)限值為1.30［8］，數(shù)值分析計算結(jié)果，最小安全系數(shù) K=1.499＞1.30，滿足要求。

(5)邊坡潛在滑動面預(yù)測

采用有限元方法計算得到該邊坡滑動安全系數(shù)K＜1.6的潛在滑動面如圖6所示:

圖6 潛在滑動面分布圖(K＜1.6)

通過對邊坡潛在滑動面的分布進(jìn)行分析，對現(xiàn)場施工監(jiān)控與后期運(yùn)營期高邊坡的安全監(jiān)測提供理論依據(jù)。

(6)工程措施

①擋土墻沿道路前進(jìn)方向每隔10m設(shè)置一道伸縮縫;墻背后設(shè)置泄水孔，墻背泄水孔處設(shè)置0.5m后碎石反濾層，以減少降水對擋墻穩(wěn)定性的影響。

②施工過程中，先對墻身片石混凝土進(jìn)行連續(xù)澆筑，待其強(qiáng)度達(dá)到設(shè)計強(qiáng)度90%后，進(jìn)行懸臂下墻后土體的回填;回填完畢后進(jìn)行上部懸臂板施工，新增加L型懸臂板與墻身間設(shè)置分布鋼筋進(jìn)行連接，整個擋墻修筑完畢后，進(jìn)行懸臂板上填土的分層填筑。

③根據(jù)邊坡潛在滑動面分布圖，在安全系數(shù)K＜1.6的滑動區(qū)內(nèi)，埋設(shè)監(jiān)測設(shè)備，以便對邊坡運(yùn)營期穩(wěn)定性狀況進(jìn)行監(jiān)測。

4 經(jīng)濟(jì)效益

(1)采用原設(shè)計方案，需片石混凝土約3050m2，優(yōu)化后片石混凝土工程量為1950m2，相比原方案節(jié)省36%材料;優(yōu)化后新增鋼筋混凝土430m2;方案優(yōu)化后避免拆除已有光纜，節(jié)省光纜改遷費(fèi)總計約200萬;綜合對比，優(yōu)化后方案總計節(jié)省約20%工程費(fèi)用。

(2)此外，優(yōu)化后方案還進(jìn)一步縮減了施工工期，具有顯著經(jīng)濟(jì)效益;

(3)項目自施工完成投入使用至今，使用情況良好。

5 結(jié)論

(1)通過對原有衡重式擋墻后增設(shè)L型懸臂板，對原有擋墻進(jìn)行優(yōu)化，設(shè)置懸臂板后，大大減小了作用在擋墻后的土壓力，使擋墻自身尺寸減小，繼而減小擋墻墻趾處的寬度，以便避讓開墻趾處已有光纜設(shè)備。

(2)經(jīng)綜合計算，優(yōu)化后方案總計節(jié)省約20%工程費(fèi)用，且進(jìn)一步縮減了整個項目的施工工期，經(jīng)濟(jì)效益明顯。

(3)通過對整個邊坡滑動穩(wěn)定性進(jìn)行分析，繪制潛在滑動面分布圖，為后期對易 滑動區(qū)域進(jìn)行安全監(jiān)測提供依據(jù)。

［1］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計規(guī)范(GB50007-2011)［S］.北京:中國建筑工業(yè)出版社，2012:48-49.

［2］吳海根.扶壁式擋土墻卸荷板設(shè)計研究［J］.現(xiàn)代交通技術(shù)，2014，(2):76-79.

［3］胡云龍，劉國楠，趙有明.衡重式樁板擋墻內(nèi)力及變形計算方法［J］.路基工程，2013(4):70-74.

［4］劉永春，王石磊.衡重式樁板擋墻的應(yīng)用與研究［J］.鐵道建筑，2010(10):73-75.

［5］路林海，劉正銀，張明晶，等.某公路衡重式高擋墻病害分析與處置［J］.工程勘察，2012(12):22-26.

［6］王力威.庫倫主動土壓力作用點(diǎn)高度確定方法的改進(jìn)［J］.力學(xué)與實踐，2013(6):55-58.

［7］宋修廣，吳建清，張宏博，等.壓力分散型擋土墻土壓力分布規(guī)律分析［J］.科學(xué)技術(shù)與工程，2014(20):106-110.

［8］建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范(GB50330-2013).北京:中國建筑工業(yè)出版社，2014:60-61.