G318 國(guó)道拉薩段重力式擋土墻墻背穩(wěn)定性?xún)?yōu)化設(shè)計(jì)

王亞萍 倪 帆 旺 久 陳 昊

（西藏大學(xué)工學(xué)院，西藏 拉薩 850000）

拉薩所處地區(qū)又不同于其他地區(qū)，高寒、干燥，溜砂坡這種高原特有易失穩(wěn)的一種坡體在這里尤為常見(jiàn)。拉薩地處青藏高原，也決定了公路兩旁地質(zhì)及自然災(zāi)害不同于內(nèi)地。所以找出帶渡槽口散粒體擋土墻的不足，提出多閘門(mén)式有渡槽口擋土墻概念。對(duì)于溜砂坡特有的流動(dòng)性，現(xiàn)有一種帶有渡槽口的溜砂坡?lián)跬翂1]。

通過(guò)對(duì)G318 國(guó)道拉薩段有渡槽口擋土墻的調(diào)研和研究[2]，并結(jié)合力學(xué)分析找出其防治邊坡失穩(wěn)的不足并通過(guò)建造物理模型從而改進(jìn)渡槽口擋土墻，提高重力式擋土墻的使用效率和年限，可以更好的防治邊坡失穩(wěn)，為拉薩市的道路安全提出一些實(shí)質(zhì)性的建議。

溜砂坡是在干熱河谷路段，由于氣候干燥，陡峭山坡坡面植被很差，在物理風(fēng)化作用和冰雪機(jī)械作用下，形成大量疏松砂石[3]，在重力作用下不間斷地沉積于坡腳形成。國(guó)道G318 西藏境內(nèi)路段溜砂坡的頻發(fā)，對(duì)過(guò)往車(chē)輛、行人、道路邊坡植被和生態(tài)恢復(fù)造成嚴(yán)重危害，嚴(yán)重影響了道路的正常運(yùn)營(yíng)。

1 重力式擋土墻的工作原理及缺陷

1.1 重力式擋土墻的工作原理

G318 道路沿線(xiàn)中使用最多的為重力式擋土墻。重力式擋土墻是以自身重力來(lái)維持擋土墻在溜砂坡作用下的穩(wěn)定。由于石塊間空隙被漿水充塞密實(shí)，因而擋墻具有更好的整體性、密實(shí)性和強(qiáng)度，可以防止擋墻墻體滲水漏水，增加擋墻抵抗侵蝕的能力。[12]

1.2 重力式擋土墻的缺陷

經(jīng)實(shí)地考察G318 國(guó)道拉薩段發(fā)現(xiàn)該種重力式擋土墻在選擇適宜的砂坡對(duì)象、選擇合適的相關(guān)材料以及重力式擋土墻的施工工藝等方面存在諸多問(wèn)題。例如擋墻的透水性能較低、在擋墻的設(shè)計(jì)時(shí)要加設(shè)導(dǎo)滲濾管，擋墻也存在著砂體溢出、片石松動(dòng)、墻體被沖斷等實(shí)際問(wèn)題[4]。

國(guó)道G318 拉薩段使用最頻繁的是使用當(dāng)?shù)厥瘔K修筑的簡(jiǎn)易式重力式擋土墻。這種擋土墻想要在不破壞擋墻的情況下來(lái)清理砂粒很難，山體滾下的沙粒會(huì)對(duì)墻體產(chǎn)生沖撞并將墻體破壞修筑擋墻的石塊為高原石塊，高原石塊的本身材質(zhì)為砂質(zhì)土，酥松多孔。石塊與石塊之間黏合度也低，整體牢固性并不強(qiáng)。背面遇流水沖刷或砂體流動(dòng)沖刷，受損較嚴(yán)重；其受流水或者受砂體沖刷時(shí)背面會(huì)暴露在空氣里，石塊也大面積的暴露出來(lái)；在光照和風(fēng)化作用或者二次受到流水沖刷等作用下，受損破壞程度會(huì)更加嚴(yán)重[5]。擋墻的上部遭遇損壞，以及兩石塊接觸面斷開(kāi)；上部擋土墻厚度較薄，并且溜砂坡的砂礫流動(dòng)性大；并且擋墻背路面沒(méi)有采用糊漿，裸露的石塊受到雨水或者溜砂沖刷容易破壞；國(guó)道G318 拉薩段附近大部分簡(jiǎn)易式重力式擋土墻均采用當(dāng)?shù)厥瘔K混凝土修筑，由于修筑這些擋墻的大小石塊之間受力不均等也容易造成擋土墻被石塊之間的作用力所破壞。

2 擋土墻改進(jìn)設(shè)計(jì)及分析

通過(guò)三次對(duì)G318 國(guó)道拉薩- 日喀則方向的重力式擋土墻的調(diào)研，對(duì)使用最頻繁的漿砌片式重力式加槽口擋墻進(jìn)行改進(jìn)及分析[6]，針對(duì)其背部受主動(dòng)土壓力容易損壞對(duì)其背部采用覆水泥處理；針對(duì)擋墻縱向橫向在受力后易斷裂，采用加扶壁并用混凝土或磚混結(jié)構(gòu)處理，在擋墻上加鋼閘門(mén)來(lái)減輕擋墻壓力。

2.1 擋土墻的改進(jìn)設(shè)計(jì)

圖1 安裝排水管和背部平整處理圖

擋土墻內(nèi)應(yīng)具有防水排水系統(tǒng)來(lái)排除擋墻后的積水，通過(guò)降低積水量來(lái)減少墻體受到的土壓力和溜砂坡的沖擊力，提高抗剪強(qiáng)度指標(biāo)。國(guó)道G318 拉薩段的氣候較特殊，降水稀少，日照時(shí)間長(zhǎng)，故根據(jù)氣候條件選定的排水孔尺寸為直徑5-10cm 的圓孔，泄水孔間距為2m。

原擋墻背部的石塊裸露在外面，容易受到溜砂沖毀破壞；對(duì)其原擋墻的背部采用覆水泥漿澆灌來(lái)處理，水泥漿由水、水泥、外加劑和外摻料組成，將外加劑與外摻料水泥漿的是為了調(diào)節(jié)水泥漿性能。擋墻的粗糙程度和不均勻性將直接影響到主動(dòng)土壓力的大小和作用方向，裸露的石塊層次不平，受壓力較大，采用覆水泥處理后，擋墻與填土面的之間更為平滑，摩擦力減小，現(xiàn)擋墻可以平整受力[7]，能減少不均受力對(duì)擋墻背部石塊的破壞，使得擋墻的整體性加強(qiáng)，抵抗水、砂沖刷擠壓的能力增強(qiáng)。再加排砂管排砂，減輕了擋墻所受到流砂的壓力，延長(zhǎng)了重力式擋土墻的使用年限。

圖2 加扶壁圖

原擋墻石塊砌筑整體性不強(qiáng)，擋墻的縱向橫向受力后都容易斷裂。為了防止擋墻撓度較大，增強(qiáng)擋墻的抗彎抗滑性能，扶壁間距約為1.5m。添加混凝土或磚混結(jié)構(gòu)的m 壁使得擋墻的整體性增強(qiáng)，擋墻從上至下抵抗土動(dòng)力壓力能力增大，可以更好的抵抗溜砂坡的沖擊，原擋墻中上部抗破壞能力不強(qiáng)，在遇到流砂的沖擊，擋墻會(huì)出現(xiàn)裂縫甚至破損，在增加扶壁后擋墻中上部會(huì)變得更加穩(wěn)靠。

圖3 加閘門(mén)圖

在扶壁之間的孔隙增加鋼制閘門(mén)，鋼閘門(mén)簡(jiǎn)單方便容易大批量生產(chǎn)，我們選擇好優(yōu)質(zhì)鋼材后再在其表面噴沙除銹及熱噴鋅，鋼閘門(mén)的結(jié)構(gòu)堅(jiān)硬，耐磨耐腐蝕，后期也方便維修。進(jìn)行在人工采砂的過(guò)程中打開(kāi)鋼制閘門(mén)可以使采砂過(guò)程變得更加快速簡(jiǎn)便，另一方面鋼制閘門(mén)可以讓擋墻變得更加穩(wěn)固，鋼制閘門(mén)有著重量輕、止水性好、使用壽命強(qiáng)、可雙向承壓受力等條件，增加鋼制閘門(mén)同樣可以排水排砂，從而來(lái)減輕溜砂對(duì)擋墻的作用力，使得擋墻在受到溜砂的作用下可以保持擋墻的完整性。

2.2 優(yōu)化后的擋土墻的受力分析

主動(dòng)土壓力是指擋墻受到自?xún)?nèi)外移動(dòng)，使墻后的土體應(yīng)力狀態(tài)達(dá)到主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)，填土作用在墻背的土壓力[8]。主動(dòng)土壓力是檢驗(yàn)擋墻穩(wěn)定性的一條重要性指標(biāo)，將重力式擋土墻進(jìn)行主動(dòng)土壓力分析，對(duì)比改進(jìn)前后的分析，可以比較出擋墻的優(yōu)劣。

2.2.1 背部平整分析

作用在平整光滑墻面的主動(dòng)土壓力要比作用在粗糙墻面上的主動(dòng)土壓力要小，當(dāng)墻面平整光滑時(shí)，主動(dòng)土壓力的作用方向和墻面相垂直，而當(dāng)主動(dòng)土壓力作用在粗糙面時(shí)，墻面法線(xiàn)則和作用方向有一定的角度δ（和墻面與填土的角度相同）[9]。

Kα的常見(jiàn)計(jì)算公式為：

Kα——用來(lái)表示主動(dòng)土壓力系數(shù)；φ——墻后填土的內(nèi)摩擦角；α——墻背的傾斜角，即為墻背與垂直線(xiàn)之間的夾角，以垂直線(xiàn)為準(zhǔn)，逆時(shí)針?lè)较驂筠D(zhuǎn)為正；β——表示墻后填土表面的傾斜角；δ——墻背與填土之間的摩擦角，被稱(chēng)外摩擦角。

經(jīng)過(guò)調(diào)研后所測(cè)量擋墻的高度H 取5m，假設(shè)墻后填土的重度γ 取20kN/m2砂石及砂礫石φ≥35°，溜砂坡屬于砂及砂礫石，φ 取35°；經(jīng)過(guò)多次調(diào)研，該路段擋土墻墻背接近于垂直，于是我們將α 取0°；理想狀態(tài)下，擋土墻所擋溜砂坡的坡角為45°，β 取45°。

背部平整前，當(dāng)土的內(nèi)摩擦角φ=35°時(shí)，若δ 取15°，Kα=0.422

背部平整后，當(dāng)土的內(nèi)摩擦角φ=35°時(shí)，若δ 取0°，Kα=0.412

經(jīng)過(guò)多次數(shù)據(jù)驗(yàn)算我們可得：隨著填土與地面的摩擦角δ 的增大，主動(dòng)土壓力系數(shù)Kα逐漸減小。

故采用覆水泥處理使之變得更為平整后，摩擦力減小，平整受力，能減少不均受力對(duì)擋墻背部石塊的破壞，增強(qiáng)擋土墻在抵抗水、砂沖刷擠壓時(shí)的整體性能。

2.2.2 主動(dòng)土壓力對(duì)比

Eα主動(dòng)土壓力的計(jì)算公式為：

Kα的常見(jiàn)計(jì)算公式為：

經(jīng)過(guò)對(duì)擋土墻的優(yōu)化，進(jìn)行覆水泥漿平整背部墻面，加扶壁，并且增加特質(zhì)鋼制閘門(mén)后，對(duì)比了擋土墻所受的主動(dòng)土壓力。

優(yōu)化前的擋墻經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，Kα=0.645，Eα=93.23（KN）。

優(yōu)化后的擋墻經(jīng)過(guò)計(jì)算可得，Kα=0.553，Eα=85.42（KN）。

當(dāng)擋土墻增加扶壁后擋墻更加整體化，從而外摩擦角δ 大，主動(dòng)土壓力系數(shù)也減小，所承受的主動(dòng)土壓力也便減小。增加擋土墻的鋼制閘門(mén)來(lái)排砂，墻后的砂重度γ 減小，作用在墻背上的總土壓力Eα減小，擋墻承受的土壓力減少，擋墻更為穩(wěn)定。

2.2.3 擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性

擋土墻抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)為

傾覆力矩

[Ky]=1.6

經(jīng)計(jì)算可得優(yōu)化前Ky=3.45，優(yōu)化后Ky=2.94。

Ky——擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)；My- 作用在擋土墻上的抗傾覆力矩，kN·m；Mc——作用在擋土墻上的傾覆力矩，kN·m；[Ky]- 滿(mǎn)足擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性安全要求的最小安全系數(shù);H- 擋土墻的高度，m；P0——擋土墻處在靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)作用在擋土墻上的土壓力；Pa——擋土墻處在主動(dòng)極限平衡狀態(tài)時(shí)作用在擋土墻上的土壓力,kN；Ga- 當(dāng)擋土墻處在極限平衡狀態(tài)時(shí)。擋土墻墻體及其上填土的重量，kN；W0- 擋土墻剖面的墻體自重，kN。根據(jù)擋土墻形狀和鋼閘門(mén)的面積取單位厚度進(jìn)行其自重W 的計(jì)算，作用點(diǎn)在墻體重心上，方向豎直向下，鋼的重量為7.85g/cm3，漿砌石的重量為23kN/m3，則優(yōu)化前漿砌石的重量為 Wa=285.9kN， 優(yōu)化后Wb=W1+W2+W3=312.95kN。

由擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算[10]可得，平整背部、加扶壁和開(kāi)閘門(mén)的優(yōu)化能使擋墻的整體性增強(qiáng)，從而增強(qiáng)擋墻的穩(wěn)定性。

2.3 優(yōu)化后擋土墻的優(yōu)勢(shì)

從材料上來(lái)分析，擋土墻所需的材料基本不變。只是增加了少量片石水泥的使用量，局部使用鋼制閘門(mén)，所用的材料都因地制宜，制作擋墻的為石塊為高原當(dāng)?shù)刎S富的塊石，所需的成本并不大。材料基礎(chǔ)為擋墻的修筑提供了保障，除鋼制閘門(mén)外，擋墻的重量基本保持不變，為墻體的安全性提供了基礎(chǔ)；從結(jié)構(gòu)上來(lái)分析，墻體的結(jié)構(gòu)基本保持原有不變，只是增加閘門(mén)和扶壁，而扶壁的肋板進(jìn)行基礎(chǔ)現(xiàn)澆[11]，外形美觀(guān)、體積小、自重輕，施工難度幾乎沒(méi)有增大，對(duì)原有改進(jìn)破壞程度低，現(xiàn)實(shí)可操作性大；從重力式擋墻的缺點(diǎn)來(lái)分析，重力式擋墻需利用擋墻自重來(lái)抵抗溜砂的沖擊，故擋墻體積較大，占地面積大，而近些年災(zāi)害頻發(fā)，為了防治災(zāi)害的發(fā)生我們需對(duì)已有的擋墻進(jìn)行升級(jí)，而采用本文提出的方法可以方便快捷的對(duì)擋墻進(jìn)行完善；從整體性能上來(lái)分析，擋墻的整體結(jié)構(gòu)更為穩(wěn)固[12]，抵抗破壞能力變強(qiáng)，對(duì)于溜砂坡的防治效果變得更為顯著，可以較為輕松的排除砂粒，使得工人們的操作工作量減輕，人工負(fù)擔(dān)減輕，維護(hù)費(fèi)用以及維修時(shí)間降低。

2.4 結(jié)論

發(fā)現(xiàn)在選擇合適砂坡對(duì)象，選擇的材料，施工工藝等方面存在諸多問(wèn)題，在對(duì)進(jìn)行安裝排水管以及背部平整處理和在墻壁加扶手、閘門(mén)等措施對(duì)擋墻進(jìn)行優(yōu)化并根據(jù)力學(xué)分析將擋砂墻進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化。

將優(yōu)化部分系統(tǒng)整理并根據(jù)CAD 繪制出來(lái)；對(duì)其背部采用覆水泥漿處理，使背部平整受力面減小，整體性加強(qiáng)；抵抗水、砂沖刷擠壓能力增強(qiáng)。加排水管排水，減輕了擋墻受到的壓力；加扶壁用混凝土或磚混結(jié)構(gòu)使擋墻整體性大大加強(qiáng)，擋墻從上制下受土壓力能力增大，中上部抵抗破壞能力加強(qiáng)；在扶壁間加閘門(mén)，閘門(mén)更加穩(wěn)固。加閘門(mén)同樣排水拍砂，減輕擋墻壓力，能夠有效的解決擋墻之前出現(xiàn)的問(wèn)題。

2.5 總結(jié)與不足

2.5.1 通過(guò)把G318 國(guó)道拉薩段沿線(xiàn)的溜砂坡災(zāi)害擋砂排砂墻的防治措施類(lèi)型調(diào)查整理分類(lèi)，發(fā)現(xiàn)拉薩段沿線(xiàn)最為常見(jiàn)的是簡(jiǎn)易式重力式擋土墻，該種擋土墻是以擋土墻自身重力來(lái)維持擋土墻在壓力作用下的穩(wěn)定，經(jīng)過(guò)三次調(diào)研發(fā)現(xiàn)該種簡(jiǎn)易式重力式擋土墻其中的缺陷，將這幾種缺陷系統(tǒng)整理后，對(duì)該種擋土墻進(jìn)行升級(jí)優(yōu)化并將優(yōu)化后的模型帶入物理模型中，分析其中的修改前和修改后的優(yōu)劣性。所以根據(jù)此類(lèi)擋墻所提出理論改進(jìn)，為今后西藏地區(qū)乃至全國(guó)高原地區(qū)有關(guān)溜砂坡的治理和防治措施的改進(jìn)提供了參考。

2.5.2 在調(diào)研G318 國(guó)道拉薩段擋土墻的時(shí)候，由于是租車(chē)前往，所觀(guān)察的擋土墻局限于G318 國(guó)道周邊的相關(guān)擋土墻，有一定的局限性；在完成論文設(shè)計(jì)的時(shí)候因?yàn)闀r(shí)間問(wèn)題沒(méi)有將改進(jìn)后的重力式擋土墻用更專(zhuān)業(yè)的軟件所展現(xiàn)出來(lái)；同時(shí)也沒(méi)有更為深入的研究該種擋土墻更多深入的問(wèn)題，可能分析的問(wèn)題較為淺顯。