擋土墻抗滑凸榫設(shè)計(jì)

王洪波

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

擋土墻抗滑凸榫設(shè)計(jì)

王洪波

（悉地（蘇州）勘察設(shè)計(jì)顧問有限公司，江蘇 蘇州 215123）

結(jié)合工程實(shí)際，研究擋土墻抗滑凸榫的工作原理及工程設(shè)計(jì)。利用凸榫的被動(dòng)土壓力有效抵擋擋土墻的滑動(dòng)力，同時(shí)由于凸榫對(duì)地基的嵌固作用，一定程度上提高地基抗傾覆力。通過對(duì)比分析，可以得知凸榫設(shè)計(jì)構(gòu)造簡(jiǎn)單，抗滑效果好，經(jīng)濟(jì)效果佳等特點(diǎn)。

擋土墻；凸榫；抗滑穩(wěn)定；被動(dòng)土壓力

0　引言

隨著城市建設(shè)的發(fā)展，空間交通、道路景觀要求已成為一個(gè)重要的發(fā)展方向，空間交通的構(gòu)筑中道路結(jié)構(gòu)體系要求漸高。濱河道路、空間道路無一不涉及到道路支擋結(jié)構(gòu)，擋土墻是重要的支擋結(jié)構(gòu)之一。在荷載作用下，擋土墻的設(shè)計(jì)一般要求滿足抗傾覆、抗滑移、墻身強(qiáng)度、地基承載力幾個(gè)方面的要求。城市建設(shè)中擋土墻受空間制約、墻前無法設(shè)置支撐結(jié)構(gòu)，墻后荷載多樣化，擋土墻的滑動(dòng)穩(wěn)定常常成為擋墻結(jié)構(gòu)斷面的主要控制條件。增加擋墻的抗滑穩(wěn)定性，采用凸榫是一種非常有效的抗滑措施。

凸榫設(shè)計(jì)在擋土墻設(shè)計(jì)中一直沒有引起足夠的重視，對(duì)凸榫設(shè)計(jì)理論不是很清晰，在凸榫設(shè)計(jì)中往往存在種種偏差，不能很好地利用凸榫的特性。故對(duì)擋土墻凸榫的工作原理與設(shè)計(jì)要點(diǎn)進(jìn)行詳解。

1　凸榫的抗滑原理

凸榫是擋土墻在基礎(chǔ)底面設(shè)置的一個(gè)與底板連成整體的榫狀凸體。利用凸榫前土體的被動(dòng)土壓力，增加擋土墻抗滑穩(wěn)定性。

大量的模型實(shí)驗(yàn)、原型觀測(cè)和理論研究表明，相同條件下，被動(dòng)土壓力大于靜止土壓力，靜止土壓力大于主動(dòng)土壓力，且產(chǎn)生被動(dòng)土壓力的位移大于產(chǎn)生主動(dòng)土壓力所需的位移，見圖1。即ep＞eo＞ea，相應(yīng)的介于ea和eo之間的土壓力稱為位移主動(dòng)土壓力，用ea（δ）表示［1］。

圖1　土壓力與位移關(guān)系曲線

如圖1所示，在相同的位移時(shí)，所需的被動(dòng)土壓力ep要大于主動(dòng)土壓力ea。主動(dòng)土壓力極限狀態(tài)一般較易達(dá)到，而達(dá)到被動(dòng)土壓力極限狀態(tài)則需要較大的土體位移。

表1和表2分別給出了《加拿大基礎(chǔ)工程手冊(cè)》和《歐洲巖土設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 7》（BS EN1997-1:2004）達(dá)到極限土壓力所需的墻體變位。由表中可以看出，達(dá)到被動(dòng)土壓力極限值所需的位移一般而言較達(dá)到主動(dòng)土壓力極限所需的位移要大很多，前者可達(dá)后者的15～50倍。

擋土墻凸榫如能利用好榫前的被動(dòng)土壓力，可以有效減少滑動(dòng)位移，將是非常有效的一種抗滑措施。

2　凸榫的設(shè)計(jì)

2.1凸榫的布置范圍

為使榫前被動(dòng)土壓力能夠完全形成，墻背主動(dòng)土壓力不致因設(shè)置凸榫而增大，必須將整個(gè)凸榫置于過墻趾與水平成角線及通過墻踵與水平成角線所包圍的三角形范圍內(nèi)［2］，見圖2。

表 1發(fā)揮主動(dòng)土壓力所需的位移（根據(jù)《加拿大基礎(chǔ)工程手冊(cè)》）

表 2發(fā)揮主動(dòng)土壓力所需的位移（根據(jù)《歐洲巖土設(shè)計(jì)規(guī)范Eurocode 7》）

圖2　凸榫基礎(chǔ)

凸榫位置、高度和寬度必須符合下列要求：

凸榫前側(cè)距墻趾的最小距離BT1min

式中：B為擋土墻底板寬；Kc為加凸榫前擋土墻計(jì)算抗滑穩(wěn)定系數(shù)：Ex為作用于擋土墻全部水平荷載之和；μ為為擋土墻底面與地基土間的摩擦系數(shù)；σ1為為墻趾處基底壓應(yīng)力（見圖2）；φ為防滑凸榫底面處地基土的內(nèi)摩擦角。

由此可以得知，凸榫的設(shè)計(jì)需放置在工作區(qū)才能避免不必要的損失。

2.2凸榫高度的確定

擋土墻未設(shè)置凸榫前，抗滑力主要由基底摩擦力承擔(dān)。

在圖2中基底設(shè)凸榫后，擋土墻抵滑動(dòng)穩(wěn)定主要由三部分組成。Br和BT2的基底抗滑摩擦力及凸榫前被動(dòng)土壓力σp。BT1在榫前只有被動(dòng)土壓力，無摩擦阻力。

砂土地基或中小型工程粘性土地基在未加榫前的擋土墻抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算:

式中:Kc為計(jì)算抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；∑G為作用于擋土墻基底全部豎向荷載之和；Ex為作用于擋土墻全部水平荷載之和；μ為擋土墻底面與地基土間的磨擦系數(shù)。

這時(shí)抗滑力μ∑G＝KcEx。

［Kc］為加凸榫后的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，加凸榫后抗滑力為T=［Kc］Ex，抗滑力增加值為:

加凸榫后擋土墻基底摩擦阻力的抗滑力:

凸榫承擔(dān)的抗滑力為：

凸榫的抗滑力由榫前被動(dòng)土壓力承擔(dān)：

由此可得：

式中：［Kc］規(guī)范規(guī)定的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，一般規(guī)定不小于1.3。

σ1、σ2、σ3分別為墻趾、墻踵及凸榫前緣處基底壓應(yīng)力；σp為凸榫前的被動(dòng)土壓應(yīng)力，按式（9）計(jì)算。

由此分析可知，在基底寬度一致時(shí)，凸榫在設(shè)置范圍內(nèi)越靠近墻趾，（B-BT1）越大，加凸榫后的基底可利用摩擦力越大，在滿足抗滑要求的前提下可減少凸榫承擔(dān)的抗滑力從而優(yōu)化凸榫結(jié)構(gòu)斷面。

2.3凸榫的寬度［3］

按截面上的彎矩計(jì)算：

按截面上的剪力求解：

式中：［σwl］為凸榫的容許彎曲拉應(yīng)力；［σj］為凸榫的容許剪應(yīng)力；K為凸榫強(qiáng)度設(shè)計(jì)安全系數(shù)，一般工程k取值為1.0。

取兩者計(jì)算結(jié)果的大值做為凸榫設(shè)計(jì)結(jié)果。需要注意的是擋墻底面加入凸榫后，凸榫與墻踵、墻趾形成的夾角有角度的限制，詳見圖2。

3　凸榫設(shè)計(jì)實(shí)例

新建道路臨河設(shè)置擋土墻。擋土墻根據(jù)受力荷載和地質(zhì)情況分段采用扶壁式擋土墻和重力式擋土墻兩種結(jié)構(gòu)。工程斷面見圖3～圖5。

圖3　工程斷面圖（單位：cm）

圖4　重力式擋墻（單位：cm）

圖5　扶壁式擋墻（單位：cm）

工程條件：

場(chǎng)地環(huán)境：一般地區(qū)；

墻后填土內(nèi)摩擦角：20.000°；

墻后填土粘聚力：15.000 kPa；

墻后填土容重：19.400 kN/m3；

墻背與墻后填土摩擦角：10.000°；

墻底摩擦系數(shù)：0.350。

計(jì)算結(jié)果見表3。

表3　計(jì)算結(jié)果

由表3可知，抗滑往往成為擋墻截面的主要控制條件。采用凸榫后，抗滑力、抗傾覆均有提高。

4　凸榫研究結(jié)論

綜上所述，在擋土墻底部設(shè)置凸榫，由于凸榫的被動(dòng)土壓力作用，增強(qiáng)了擋土墻的抗滑和抗傾覆性能，提高了地基的穩(wěn)定性，減小擋土墻斷面，節(jié)省工程投資，提高經(jīng)濟(jì)效益。為此，在不良地基條件下可優(yōu)先考慮設(shè)置凸榫。

［1］劉國(guó)彬，王衛(wèi)東.基坑工程手冊(cè)［M］.北京:中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2009.

［2］鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院.鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)-路基［M］.北京:中國(guó)鐵道出版社，1995.

［3］交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院，公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:人民交通出版社，1996.

U417.1+1

B

1009-7716（2016）01-0029-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.010

2015-09-22

王洪波（1968-），女，河南安陽人，高級(jí)工程師，從事道路設(shè)計(jì)工作。