土的特性與支錨位置對支錨式擋墻嵌固深度的影響

韋人偉,楊瑞敏

(1.安徽安德建筑設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230000;2.安徽科技學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

土的特性與支錨位置對支錨式擋墻嵌固深度的影響

韋人偉1,楊瑞敏2

(1.安徽安德建筑設(shè)計有限公司，安徽 合肥 230000;2.安徽科技學(xué)院,安徽 鳳陽 233100)

目的：研究基坑開挖深度、土的重度、內(nèi)摩擦角、外加荷載與支錨位置等對支錨式擋土墻嵌固深度的影響，為非粘性土中支錨式及懸臂式擋土墻的設(shè)計提供理論依據(jù)。方法:提出一個支錨式擋土墻的計算模型，通過對模型進行合理的簡化和控制變量法，計算分析土體特性與支錨位置對擋土墻嵌固深度的影響。結(jié)果:擋土墻嵌固深度與土的重度無關(guān)，隨著外加荷載和擋土墻高度的增加呈線性增加，隨著土體內(nèi)摩擦角的增加呈非線性減少，支錨位置對擋墻嵌固深度的影響也較大。結(jié)論:隨著支錨發(fā)揮作用，所需擋墻的最小嵌固深度減少超過50%，從開挖深度4/5位置以上向下移動支錨，所需擋墻的嵌固深度隨之減少，最佳支錨位置在基坑開挖深度的3/4位置處。

擋土墻設(shè)計；嵌固深度；土的特征；支錨的作用；最佳支錨位置

擋土墻能夠起到阻止墻后土體滑坍、保護路基及收縮邊坡的作用，在房屋建筑、橋梁、道路及水利工程中應(yīng)用廣泛。擋土墻的設(shè)計中，擋墻結(jié)構(gòu)及構(gòu)造的選擇、土壓力的計算、抗傾覆與抗滑移破壞的驗算均尤為關(guān)鍵[1-4]。懸臂式、扶壁式、錯桿式和加筋土式擋土墻等柔性支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計中，擋墻最小嵌固深度的確定是支錨式擋土墻設(shè)計的關(guān)鍵[5-6]。目前國內(nèi)外擋土墻設(shè)計的研究，主要集中于探討擋土墻的破壞機制、擋土墻設(shè)計的簡化模型及擋土墻穩(wěn)定性驗算安全系數(shù)等問題[7-8]。本文主要研究土的特性和支錨對擋土墻設(shè)計的影響，尤其是支錨位置對支錨式擋土墻嵌固深度的影響。

1 原理與方法

1.1 無支錨式擋土墻中嵌固深度計算

圖1 無支錨式擋土墻中的土壓力

(1)朗肯主動土壓力系數(shù)Ka和朗肯被動土壓力系數(shù)Kp計算：

(1)

(2)

(2)主動土壓力Pa和被動土壓力Pp計算：

(3)

(4)

圖1所示為擋土墻中受力情況、主動土壓力和被動土壓力的分布，根據(jù)力矩平衡法則∑M0=0即Mpa-Mpp= 0，對擋土墻頂部求合力矩可得：

(5)

由式(5)可得擋土墻的嵌固深度。為了分析支錨的影響，首先不放置支錨對擋土墻中嵌固深度進行計算，用控制變量的方法分析基坑開挖深度、內(nèi)摩擦角、土體重度，外加荷載對嵌固深度的影響。第Ⅰ組試驗研究的是基坑開挖深度對嵌固深度的影響，根據(jù)控制變量法，在這組試驗中保持內(nèi)摩擦角、土體重度、外加荷載不變、分別假設(shè)基坑開挖深度為5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m,按照上述計算方法求不同基坑開挖深度的嵌固深度。

(6)

(7)

(8)

(9)

同理，擋墻兩側(cè)土壓力分別對擋土墻頂部求力矩，可求得嵌固深度。第Ⅱ組試驗保持基坑開挖深度、土體重度、外加荷載不變，分別增加內(nèi)摩擦角到25°，35°，40°，45°，分別求得嵌固深度。

1.1.3 土體重度對嵌固深度的影響 假設(shè)φ′=30°、基坑開挖深度為10 m，改變土體重度，可得擋土墻中主被動土壓力(見式10～11)，其中Ka=0.5，Kp=2.0分別為主動、被動土壓力系數(shù)。

(10)

(11)

第Ⅲ組試驗保持基坑開挖深度、內(nèi)摩擦角、外加荷載不變，增加土體重度至10 kN/m3、15 kN/m3、20kN/m2、25 kN/m3、30 kN/m3，分別求得嵌固深度。

1.1.4 外加荷載對嵌固深度的影響 假設(shè)φ′=30°以及基坑開挖深度H =10 m 并將土體重度調(diào)整為γ=20 kN/m3,在擋土墻頂部布置均布荷載q=10 KN/m?？紤]到新增的外加荷載作用，需要對擋土墻中內(nèi)力進行重新分析，可得擋墻的嵌固深度如下表1所示。

表1 無支錨嵌入式擋土墻在外加荷載為10 KN/m時嵌固深度的計算

根據(jù)力矩平衡條件，由Mpa+Mpp-Mpp=0可得擋墻嵌固深度。第Ⅳ組試驗中將外加荷載q逐步增加，由q=10 KN/m增加到20 KN/m，30 KN/m，40 KN/m，50 KN/m，通過計算可得到不同的嵌固深度。

1.2 支錨嵌入式擋土墻中嵌固深度的計算

擋土墻設(shè)計中常采用無固定端支撐法假設(shè)，當(dāng)主動土壓力和被動土壓力增加到一定程度時，擋土墻將發(fā)生滑移，可假設(shè)由底部B處滑移產(chǎn)生的擋土墻內(nèi)土壓力分布，如圖2所示。

圖2 無固定端支撐法在支錨嵌入式擋土墻中設(shè)計中

有支錨嵌入式擋土墻中嵌固深度的計算將基于以上的原理，在無支錨嵌入式擋土墻中嵌固深度的計算基礎(chǔ)上，引入支錨進一步研究，新的擋土墻計算模型及內(nèi)部土壓力分布如圖3所示：

圖3 支錨嵌入式擋土墻中的土壓力

首先，將支錨放置于地平線等高處，即dp=0m，對插入點處受力分析并列出力矩平衡方程，可得擋墻的嵌固深度如下表2所示。

表2 基坑開挖深度為5m支錨距地面0.5m時嵌固深度的計算

Mpa-Mpp=0

(12)

(13)

將支錨下移，使dp=1.5 m，dp=2 m，dp=2.5 m，dp= 3 m=3.5 m，dp=4 m，dp=4.5 m，dp=5 m，通過計算可得相應(yīng)的嵌固深度。當(dāng)計算到dp=5 m時發(fā)現(xiàn)結(jié)果并不可用。因此從dp= 4 m處周圍進一步進行試驗，分別將支錨放置在距離地平面3.8 m以及3.9 m處，便可得到更加精確的數(shù)據(jù)。為了防止計算出現(xiàn)的偶然性對結(jié)果的影響，增加兩組試驗分別將基坑開挖深度增加到10 m以及15 m，并同樣將支錨安置在地平面處開始并逐漸下移求得最佳嵌固深度。

2 結(jié)果與分析

2.1 基坑開挖深度、內(nèi)摩擦角、外加荷載等對無支錨擋土墻嵌固深度的影響

基于1.1節(jié)提出的方法可計算不同開挖深度時內(nèi)摩擦角、外加荷載、土體重度對嵌固深度的影響：(1)取不同開挖深度5 m、10 m、15 m、20 m、25 m、30 m、35 m、40 m進行計算可知，嵌固深度隨開挖深度的增大而線性增大；(2)取不同的內(nèi)摩擦角25°、35°、40°、45°進行計算可知，嵌固深度隨土體摩擦角的增大而非線性減小；(3)取不同的附加荷載10 KN/m、20 KN/m、30 KN/m、40 KN/m、50 KN/m進行計算可知，嵌固深度隨附加荷載的增大而線性增大；(4)取不同的土體重度10 KN/m3、15 KN/m3、20 KN/m3、25 KN/m3、30 KN/m3計算可知，嵌固深度與土體重度無關(guān)。

由上述計算結(jié)果可知，嵌固深度與基坑開挖深度呈線性正相關(guān)關(guān)系；當(dāng)內(nèi)摩擦角在一定范圍內(nèi)增加時，嵌固深度的值將減小；嵌固深度和外加荷載亦呈正相關(guān)關(guān)系，但不如基坑開挖深度對嵌固深度影響明顯；嵌固深度不隨土體重度的改變而改變，其原因在于在計算所列平衡方程中主動土壓力Pa和被動土壓力Pp都包含土體重度 ，當(dāng)土體重度改變時，主被動土壓力將同步改變，所以圖中顯示為一條直線。

2.2 支錨插入深度對嵌固深度的影響

為分析支錨插入深度對擋墻嵌固深度的影響，分別取開挖深度5 m、10 m、15 m時不同支錨插入深度進行計算：(1)開挖深度5 m時分別取支錨插入深度1 m、2 m、3 m和4 m計算可知，隨著支錨插入深度的增加，所需擋墻嵌固深度逐漸減小，當(dāng)支錨插入深度超過4 m后，擋墻的嵌固作用很?。?2)當(dāng)開挖深度為10 m、15 m時，支錨插入深度分別超過8 m、12 m后，擋墻的嵌固作用很小，主要由支錨承擔(dān)荷載。

由上述計算結(jié)果可知，當(dāng)支錨插入時嵌固深度將明顯減少，支錨沿著地平面下移時，嵌固深度也隨之漸漸減少，直到距離地平面大約3.8m時出現(xiàn)陡降并產(chǎn)生負(fù)值，可能意味著擋土墻破壞的發(fā)生；當(dāng)基坑開挖深度為10 m時的嵌固深度變化，同樣出現(xiàn)趨勢基本與基坑開挖深度為5 m時保持一致；當(dāng)基坑開挖深度為15 m時的嵌固深度變化，除了趨勢與之前保持一致之外，在11.5 m處出現(xiàn)破壞。經(jīng)過比較發(fā)現(xiàn)，破壞都大約發(fā)生在將支錨放置在距離地平面占整個基坑開挖深度的3/4處。所以，下邊將進一步探究兩者比值dp/H與嵌固深度的關(guān)系。

2.3 dp/H與嵌固深度的關(guān)系

綜合考慮基坑開挖深度為5 m、10 m、15 m時dp/H與嵌固深度的關(guān)系可發(fā)現(xiàn)，三組實驗都在 比值約3/4處，嵌固深度達(dá)到最小值，即所需插入深度值最低，可知將支錨安置在整個基坑開挖深度的3/4左右處是最合理的設(shè)計。

2.4 無支錨和有支錨嵌入式擋土墻嵌固深度比較

為了將無支錨和有支錨時擋土墻所需嵌固深度進行比較，通過計算可得表3。從表中可明顯看出，有支錨的擋土墻中所需嵌固深度要比無支錨擋土墻中嵌固深度小得多。

表3 無支錨和有支錨擋土墻所需嵌固深度的比較

3 結(jié) 論

提出一個支錨式擋土墻的計算模型，通過對模型進行合理的簡化和控制變量法，計算分析土體特性與支錨位置對擋土墻嵌固深度的影響，主要得到如下結(jié)論：

(1)嵌固深度與土體重度無關(guān)，柔性支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計中無需考慮土重度對最小嵌固深度的影響；

(2)嵌固深度隨著外加荷載和擋土墻高度的增加而線性增加，隨著內(nèi)摩擦角的增加而非線性減少，在合理范圍內(nèi)適當(dāng)減小外加荷載和擋土墻高度和增加內(nèi)摩擦角有利于優(yōu)化設(shè)計；

(3)隨著支錨發(fā)揮作用，所需的最小嵌固深度將減少一半以上，最大可減少80%，擋土墻高度較高時，選擇柔性支擋結(jié)構(gòu)更經(jīng)濟；

(4)受力分析發(fā)現(xiàn)最大彎矩發(fā)生在插入支錨附近處，且支錨的引入將造成擋土墻彎矩值的減少，從而降低擋土墻破壞的可能性；

(5)開挖深度4/5位置以上向下移動支錨，所需的嵌固深度將減少，最佳支錨位置在開挖深度的3/4位置處。

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(責(zé)任編輯：李孟良)

The Influence of Soil Characteristics and Prop Location on the Required Penetration Depth of Embedded Retaining Walls

WEI Ren-wei1,YANG Rui-min2

(1.Ande Corporation of Architectural Designing of Anhui,Hefei 230000,China;2.Anhui Science and Technology University, Fengyang 233100,China)

Objective: This study is aimed at helping foster a comprehensive understanding of the influence of the prop location together with the retained height, value of surcharge and some soil characteristics on the penetration depth of embedded retaining walls, which will stand subsequent civil engineers in good stead by facilitating the decision-making process when designing cantilever or anchored retaining walls in granular soils. Methods: A simplified calculation model was created to stimulate the function of embedded retaining walls,to evaluate the effect of characteristics and prop location on the required penetration depth of embedded retaining walls respectively after the performing these detailed calculations. Results: Prodigious quantities of calculations plotted on graphs show that the required depth of embedment has nothing to do with γ(unit weight),increases linearly with q(surcharge) and h(height),and decreases non-linearly with friction angle. Conclusions: With a prop, the design depth of penetration will decrease by more than 50%.Additionally, the design depth of penetration decreases when you lower the prop before around 4/5 of the excavated depth measured from the ground level and the optimum prop level is about 3/4 of the retained height.

Design of retaining structures; Design penetration depth; Soil characteristics; Function of prop; Optimum prop location

2016-07-01

安徽科技學(xué)院人才引進項目(830158)。

韋人偉(1991-)，男，安徽省肥東縣人，碩士，助理工程師，主要從事土木結(jié)構(gòu)數(shù)值計算方面研究。

TU431

A

1673-8772(2016)06-0088-06