高地震烈度區(qū)域擋土墻形式比選分析

吳科亮

上海勘測(cè)設(shè)計(jì)研究院有限公司 上海 200335

正文：

1.前言

我國(guó)地震活動(dòng)頻度高、強(qiáng)度大、震源深度淺，分布范圍廣，是一個(gè)地震災(zāi)害發(fā)生非常嚴(yán)重的國(guó)家。自20世紀(jì)以來(lái)，有統(tǒng)計(jì)的我國(guó)死于地震的人數(shù)達(dá) 55萬(wàn)之多，占全世界因地震死亡人數(shù)的53%。與此同時(shí)隨著國(guó)家西部大開(kāi)發(fā)戰(zhàn)略、一帶一路方針的實(shí)施，不可避免的需要在青藏高原地震帶等高烈度地震區(qū)域范圍內(nèi)進(jìn)行基礎(chǔ)建設(shè)和經(jīng)濟(jì)開(kāi)發(fā)。

為降低地震對(duì)人民安全的威脅、減少地震產(chǎn)生的經(jīng)濟(jì)損失，研究設(shè)計(jì)合適的擋土墻形式非常必要。常見(jiàn)的擋墻形式主要有：重力式擋土墻、衡重式擋土墻、懸臂式擋土墻及卸荷板式擋土墻等。由于工程地理位置所限，本文中僅對(duì)重力式擋土墻、衡重式擋土墻、卸荷板式擋土墻等三種形式擋墻進(jìn)行比選分析。

2.工程概況

墨脫縣位于雅魯藏布江下游活躍的地震帶上，地震活動(dòng)強(qiáng)烈。根據(jù)歷史地震監(jiān)測(cè)資料揭示，地震震中主要分布于旁辛～墨脫縣沿江一帶，與活動(dòng)斷裂的展布基本一致。本文依托墨脫水電基地工程展開(kāi)研究，該工程位處區(qū)域地震活動(dòng)強(qiáng)度大、頻率高，曾發(fā)生過(guò)中國(guó)歷史上最大的地震：1950年察隅-墨脫8.6級(jí)地震。

本工程位于墨脫舊縣城老城區(qū)的西南側(cè)，距老城區(qū)最近僅約500米?；匾郎蕉?，分為上下兩個(gè)臺(tái)地，臺(tái)地間高差12m，考慮使用擋土墻8m高結(jié)合放坡進(jìn)行防護(hù)。

3.計(jì)算參數(shù)

3.1 工程地質(zhì)條件

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及勘探資料分析，場(chǎng)地表面主要分布第四系覆蓋層，勘探資料表明基巖主要為燕山期花崗巖(r5-6)。第四系各種成因的松散積物不整合于燕山期花崗巖基巖之上。各地層按由新至老的順序簡(jiǎn)述如下。

碎礫石砂土（Q4pl+dl）：整個(gè)場(chǎng)地廣泛分布，整體呈黃褐色～灰褐色，稍濕～濕，結(jié)構(gòu)松散～密實(shí)。主要由礫石、砂、土及少量碎石組成。鉆探揭示該層厚度較大，一般厚幾米～十幾米左右。

粉質(zhì)粘土（Q4dl）：該層主要分布于基巖頂面，其中平緩地段厚度較大，一般1.5m～4m；斜坡地段厚度薄，僅約幾十厘米。整體呈黃色～黃褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑。

淤泥質(zhì)砂土（Q4pl+l）：鉆探揭示該層主要分布于平緩地段，埋藏深度較大，厚度一般0.5m～3.5m。整體呈灰黑色，稍濕～濕，軟塑～可塑。主要由砂、土及少量礫石組成。

燕山期花崗巖(r5-6) ：燕山期的侵入巖體，分布面積較廣、厚度較大。受區(qū)域構(gòu)造及氣候等影響，巖體風(fēng)化較強(qiáng)，場(chǎng)地及附近均表現(xiàn)為全風(fēng)化，厚度大。

結(jié)合《中國(guó)地震動(dòng)參數(shù)區(qū)劃圖》（GB 18306-2015）及《建筑抗震設(shè)計(jì)規(guī)范》(GB50011-2010)，場(chǎng)區(qū)抗震設(shè)防烈度Ⅸ度，動(dòng)峰值加速度0.40g，地震反應(yīng)譜特征周期0.45s，抗震設(shè)計(jì)分組第三組。

3.2 工程地質(zhì)參數(shù)

根據(jù)地質(zhì)調(diào)查及勘探資料揭示，現(xiàn)場(chǎng)土層物理力學(xué)性質(zhì)參數(shù)如下表所示：

表1 土層物理、力學(xué)性質(zhì)參數(shù)一覽表

4.計(jì)算原理

4.1 荷載作用機(jī)理

地震影響下的擋土墻所受荷載主要由擋土墻的自重、墻后均布荷載及墻背回填土的主動(dòng)土壓力、水平地震荷載組成。其中不同形式的擋土墻土壓力分析情況分別如下：

首先重力式擋土墻土壓力受力分析情況如圖1所示：

圖1 重力式擋土墻土壓力、受力分解圖

其次，衡重式擋土墻利用衡重臺(tái)將上墻土壓力減少，從而減小下墻部分的土壓力，其土壓力受力分析情況如圖2所示：

圖2 衡重式擋土墻土壓力、受力分解圖

最后，卸荷板擋土墻土壓力的計(jì)算，按假想衡重式擋土墻模型（在卸荷板右端點(diǎn)處做一垂直的假象墻背）進(jìn)行計(jì)算，再對(duì)卸荷板影響的土壓力處進(jìn)行處理。上墻土壓力計(jì)算同衡重式擋土墻，下墻受卸荷板的卸荷作用影響，土壓力減小，土壓力合力作用點(diǎn)下降。卸荷板式擋土墻土壓力情況如圖3所示：

卸荷板式擋土墻的上墻土壓力(ab段)、卸荷板端部土壓力(bc段)、下墻下段土壓力(ef段)均與衡重式擋土墻計(jì)算方法相同；卸荷板下土壓力(cd段)僅考慮卸荷板下土體自重；卸荷板下變化段內(nèi)土壓力(de段)由d、e兩點(diǎn)對(duì)應(yīng)的土壓力(d’、e’ )相連接得到。

根據(jù)《公路工程抗震規(guī)范》中規(guī)定，擋土墻的水平地震荷載如下：

4.2 擋土墻參數(shù)

根據(jù)04J008擋土墻圖集中的填料內(nèi)摩擦角為30°，基底摩擦系數(shù)=0.4條件下的直立式擋土墻以及衡重式擋土墻參數(shù)分別設(shè)計(jì)。

圖4擋土墻剖面圖（h1=0.4H）

各形式擋土墻參數(shù)見(jiàn)下表2所示。

表2 擋土墻參數(shù)一覽表

5.計(jì)算結(jié)果與分析

使用理正巖土擋土墻設(shè)計(jì)軟件對(duì)三種擋土墻的土壓力分別進(jìn)行計(jì)算，結(jié)果如下表所示：

表3 各式擋土墻土壓力計(jì)算表

由于衡重臺(tái)、卸荷板的卸荷作用，隔斷了上墻土體對(duì)下墻土體的土壓力傳遞，使下墻所受的土壓力變小。下墻所受的土壓力變小，相應(yīng)的水平地震荷載也隨之減小，從而擋土墻受到的傾覆力矩變小，擋土墻的抗傾覆能力提高。

進(jìn)行穩(wěn)定性計(jì)算后可以得到以上三種形式擋土墻的安全系數(shù)與工程量的對(duì)比如下表所示。

表4擋土墻安全系數(shù)及工程量對(duì)比表

分析上表易知，衡重式擋土墻相比直立式擋土墻減少圬工10.7%，抗傾覆系數(shù)和整體穩(wěn)定性（圓弧滑動(dòng)）系數(shù)分別提高了14.3%和8%;而卸荷板式擋墻相比直立式擋墻減少圬工19.2%，抗傾覆系數(shù)和整體穩(wěn)定性（圓弧滑動(dòng)）系數(shù)分別提高了7%和8%。

6.結(jié)論與建議

（1）根據(jù)驗(yàn)算，參考圖集設(shè)計(jì)的三種擋土墻在考慮地震影響的條件下是均穩(wěn)定的，并具有一定的安全儲(chǔ)備。

（2）衡重式擋土墻與卸荷板式擋土墻相較一般的重力式擋墻，無(wú)論是圬工用量（經(jīng)濟(jì)成本）還是各項(xiàng)穩(wěn)定性系數(shù)（安全）均有顯著的優(yōu)勢(shì)。

（3）由于卸荷板式擋土墻在卸荷板下的圬工數(shù)量相較衡重式擋墻更少，同時(shí)在安全性上并不遜色。顯然在施工中圬工數(shù)量較少的卸荷板式擋墻更加具有優(yōu)勢(shì)。

綜上所述卸荷板式擋土墻在高烈度地震區(qū)有明顯的優(yōu)勢(shì)，工程設(shè)計(jì)中建議選用該種形式進(jìn)行施工。