衡重式擋土墻斷面優(yōu)化對(duì)地基應(yīng)力的影響分析

唐高來(lái)

文章以某高樁梁板式碼頭接岸擋土墻為例，通過(guò)對(duì)衡重式擋土墻斷面參數(shù)的優(yōu)化，分析衡重式擋土墻在滿足安全穩(wěn)定性的同時(shí)使斷面達(dá)到經(jīng)濟(jì)最優(yōu)對(duì)地基應(yīng)力的影響。同時(shí)，通過(guò)改變擋土墻墻背坡比、墻面坡比、基底逆坡等相關(guān)參數(shù)，結(jié)合調(diào)整衡重式擋土墻上墻寬、上墻高、衡重臺(tái)寬等參數(shù)，實(shí)現(xiàn)擋土墻斷面優(yōu)化，減少擋土墻墻身斷面面積，提高擋土墻安全性，平均分布?jí)Φ讐簯?yīng)力，避免地基局部破壞。

擋土墻;斷面優(yōu)化;安全穩(wěn)定性;經(jīng)濟(jì)性;地基應(yīng)力

0?引言

在西部大開發(fā)及共建“一帶一路”倡議的大背景下，西江黃金水道的建設(shè)正如火如荼，港口航道、碼頭泊位向著大型化的方向發(fā)展，在國(guó)家政策的推動(dòng)下，建設(shè)了一批又一批的港口碼頭。擋土墻在港口工程中的應(yīng)用極為廣泛，無(wú)論是重力式碼頭和高樁梁板式碼頭的接岸設(shè)施，還是后方陸域邊坡支護(hù)工程，都離不開擋土墻建設(shè)。而擋土墻根據(jù)不同的斷面形式，可以分為重力式擋土墻、衡重式擋土墻、扶壁式擋土墻、板樁式擋土墻等。不同結(jié)構(gòu)的擋土墻，可以使用在相同的擋土高度，也可以使用在不同的擋土高度，斷面形狀不同，斷面面積也有不相同，對(duì)基礎(chǔ)的作用力也不相同。在保證結(jié)構(gòu)安全的前提下，斷面面積越小，經(jīng)濟(jì)性越優(yōu)良。然而在實(shí)際設(shè)計(jì)中，很多設(shè)計(jì)者為了節(jié)約設(shè)計(jì)時(shí)間，習(xí)慣套用以往的擋土墻通用設(shè)計(jì)圖或設(shè)計(jì)手冊(cè)，忽略了地基應(yīng)力的分布及斷面的優(yōu)化。本文以衡重式擋土墻斷面優(yōu)化對(duì)地基應(yīng)力的影響作分析，以此說(shuō)明擋土墻斷面尺寸的設(shè)計(jì)和研究的必要性。

1?衡重式擋土墻介紹

衡重式擋土墻是擋土支護(hù)結(jié)構(gòu)中應(yīng)用較多的一種擋土墻結(jié)構(gòu)，其設(shè)置衡重臺(tái)使墻身中心后移，并利用衡重臺(tái)上的填土，增加墻身穩(wěn)定。但是衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜，施工難度相對(duì)重力式擋土墻要大很多，技術(shù)含量也高，施工質(zhì)量要求更高。擋土高度為4～12 m時(shí)多采用衡重式擋土墻。

2?衡重式擋土墻對(duì)地基應(yīng)力的影響分析

2.1?主要控制參數(shù)

衡重式擋土墻主要參數(shù)有墻高H、上墻高h(yuǎn)1、墻頂寬b、衡重臺(tái)寬bt、墻趾寬bj、墻面坡比m1、上墻墻背坡比m2、下墻墻背坡比m3、基底逆坡n等（見圖1）。

本文衡重式擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)采用理正巖土軟件計(jì)算。

安全穩(wěn)定性控制條件：抗滑移穩(wěn)定系數(shù)為1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.5。

2.2?工程概況

某港口工程高樁梁板式碼頭的接岸擋墻設(shè)計(jì)擬采用混凝土衡重式擋土墻。設(shè)計(jì)資料如下：擋墻高度H=10 m，墻后均布荷載qk=10 kPa，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1.0，設(shè)計(jì)使用年限為50 y，墻體材料為C20混凝土，重度為23 kN/m3;墻后回填砂性土，重度為18 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=30°;地基土重度為19.0 kN/m3，擋墻基底與地基土摩擦系數(shù)f=0.4。此外，墻身分段為15 m，外摩擦角δ=φ/2。本文研究只考慮墻后填土荷載及墻后均布荷載，暫不考慮墻后其他荷載。

2.3?設(shè)計(jì)圖集04J008衡重式擋土墻參數(shù)及計(jì)算結(jié)果

根據(jù)設(shè)計(jì)資料及設(shè)計(jì)圖集04J008，擬選定10 m高衡重式擋土墻，截面參數(shù)及計(jì)算結(jié)果見表1、表2、圖2、圖3。

主要參數(shù)墻頂寬b（m）衡重臺(tái)寬bt（m）墻趾寬bj（m）墻高H（m）上墻高h(yuǎn)1（m）下墻高h(yuǎn)2（m）上墻背坡比m2下墻背坡比m3墻面坡比比m1基底逆坡n

選定圖集0.51.640.5104.06.00.4-0.250.050.1

主要參數(shù)墻身截面積（m2）滑動(dòng)穩(wěn)定性KC傾覆穩(wěn)定性K0墻趾處基底壓應(yīng)力（kPa）墻踵處基底壓應(yīng)力（kPa）地基平均應(yīng)力（kPa）最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比

初始設(shè)計(jì)25.681.302.01411852484.8

2.4?優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

查詢圖集中衡重式擋土墻設(shè)計(jì)參數(shù)可知，圖集選定的衡重式擋土墻斷面尺寸能夠滿足抗滑與抗傾覆穩(wěn)定性要求，但墻趾處基底壓應(yīng)力為411 kPa，墻踵處基底壓應(yīng)力為85 kPa，基底應(yīng)力分布不均，墻趾處應(yīng)力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于墻踵處應(yīng)力，地基受力不均勻，因此，基底應(yīng)力分布還有很大的優(yōu)化空間。

設(shè)計(jì)優(yōu)化目的是在保證擋土墻滿足抗滑動(dòng)與抗傾覆穩(wěn)定性要求的同時(shí)，盡可能減少擋墻設(shè)計(jì)斷面，降低工程造價(jià)，減少墻趾處與墻踵處壓應(yīng)力的差值，使其最大最小應(yīng)力差值≤1.5，盡可能使基底應(yīng)力分布均勻，避免地基局部破壞發(fā)生失穩(wěn)事故。

2.5?優(yōu)化方法

通過(guò)改變擋土墻上墻背坡比m2、下墻背坡比m3、墻面坡比m1、基底逆坡n等相關(guān)參數(shù)，然后改變上墻頂寬、上墻高、衡重臺(tái)寬，實(shí)現(xiàn)擋土墻斷面優(yōu)化，盡可能使擋土墻中心后移，增大墻踵處基底壓應(yīng)力，使墻底壓應(yīng)力平均分配，提高擋土墻墻身安全性，同時(shí)減少擋土墻墻身斷面面積。

優(yōu)化設(shè)計(jì)后的擋土墻截面參數(shù)見表3。

根據(jù)優(yōu)化后擋土墻截面參數(shù)及設(shè)計(jì)資料計(jì)算結(jié)果見表4。

2.6?計(jì)算結(jié)果比較

在設(shè)計(jì)資料相同且墻高不變的情況下，改變衡重式擋土墻截面各個(gè)參數(shù)，可以得到不同的計(jì)算結(jié)果。擋土墻截面參數(shù)對(duì)比如表5所示。

計(jì)算結(jié)果對(duì)比見表6。

從表6可以看出，選用圖集時(shí)滑動(dòng)穩(wěn)定性Kc為1.30，已經(jīng)接近控制值1.3，傾覆穩(wěn)定性為2.01，滑動(dòng)穩(wěn)定與傾覆穩(wěn)定均滿足要求;墻趾處基底壓應(yīng)力為411 kPa，墻踵處基底壓應(yīng)力為85 kPa，地基平均應(yīng)力為248 kPa。擋土墻滿足安全穩(wěn)定性要求，但墻趾處基底壓應(yīng)力與墻踵處基底壓應(yīng)力相差甚遠(yuǎn)，應(yīng)力比達(dá)到了4.8，應(yīng)力分布很不均勻，大多數(shù)應(yīng)力集中在墻趾處。

優(yōu)化設(shè)計(jì)滑動(dòng)穩(wěn)定性Kc為1.818，土層水平滑移穩(wěn)定性為1.542，傾覆穩(wěn)定性為2.039，滑動(dòng)穩(wěn)定與傾覆穩(wěn)定有了較大的提升;墻趾處基底壓應(yīng)力為312 kPa，墻踵處基底壓應(yīng)力為212.97 kPa，地基平均應(yīng)力為262.48 kPa，最大應(yīng)力與最小應(yīng)力之比為1.47。墻趾處基底壓應(yīng)力與墻踵處基底壓應(yīng)力相差不大，應(yīng)力分布基本均勻，對(duì)地基承載力要求相對(duì)較低。優(yōu)化設(shè)計(jì)后擋土墻墻身面積相比選用圖集時(shí)少了3.55 m2，每延米衡重式擋土墻可減少數(shù)百元工程投資，優(yōu)化意義重大。

2.7?在實(shí)際應(yīng)用中的意義

衡重式擋土墻在水運(yùn)工程、公路工程、水利工程中均有廣泛的應(yīng)用，在設(shè)計(jì)中通過(guò)加大墻面坡比與下墻背坡比，可使擋土墻重心向后，對(duì)均勻分布基底壓應(yīng)力，減少擋土墻工程斷面面積效果顯著。截面積越小，工程材料就可以相應(yīng)減少，可節(jié)約投資，為業(yè)主節(jié)省費(fèi)用。同時(shí)，基底壓應(yīng)力分布均勻可避免地基局部失穩(wěn)，提高擋土墻的穩(wěn)定性。

3?問(wèn)題與建議

目前在很多工程建設(shè)中，設(shè)計(jì)人員或施工人員經(jīng)常套用設(shè)計(jì)圖集，而不根據(jù)實(shí)際情況加以分析優(yōu)化，導(dǎo)致結(jié)構(gòu)斷面富余太大，對(duì)擋土墻基底壓應(yīng)力分布情況不夠重視，雖然抗滑移與抗傾覆穩(wěn)定性滿足要求，但墻趾與墻踵處應(yīng)力比太大，甚至有些衡重式擋土墻設(shè)計(jì)成墻踵處沒有壓應(yīng)力，這就失去了設(shè)計(jì)衡重式擋土墻的意義，未能發(fā)揮衡重式擋土墻的優(yōu)勢(shì)。個(gè)人建議盡量少用設(shè)計(jì)圖集，應(yīng)根據(jù)不同項(xiàng)目不同地質(zhì)區(qū)別對(duì)待，盡可能優(yōu)化斷面設(shè)計(jì)，使基底應(yīng)力分布均勻，以減少地基局部破壞，確保設(shè)計(jì)安全可靠、節(jié)省投資。

4?結(jié)語(yǔ)

（1）衡重式擋土墻設(shè)計(jì)受到諸多因素的影響，其中擋土墻高度、墻后回填土的內(nèi)摩擦角、填土容重、墻底摩擦系數(shù)等對(duì)擋土墻的截面尺寸設(shè)計(jì)起著決定性的作用，屬于外部因素。在外部設(shè)計(jì)條件相同的情況下，通過(guò)改變衡重式擋土墻的斷面設(shè)計(jì)參數(shù)，可以得到不同的設(shè)計(jì)計(jì)算結(jié)果。

（2）在擋土墻建設(shè)中，很多設(shè)計(jì)者未充分研究墻趾與墻踵處壓應(yīng)力分布情況，套用設(shè)計(jì)圖集雖然能滿足穩(wěn)定要求，但基底壓應(yīng)力可能出現(xiàn)分布不均。在擋土墻設(shè)計(jì)中應(yīng)充分驗(yàn)算基底應(yīng)力，盡可能保證基底應(yīng)力平均分布，避免地基局部破壞。

（3）通過(guò)改變擋土墻墻背坡、墻面坡、墻底斜坡率等相關(guān)參數(shù)，結(jié)合調(diào)整衡重式擋土墻上墻寬、上墻高、衡重臺(tái)寬等參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)擋土墻斷面優(yōu)化，減少擋土墻墻身斷面面積，提高擋土墻墻身安全性，平均分布?jí)Φ讐簯?yīng)力。

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