帶卸壓架懸臂擋墻的結(jié)構(gòu)性能研究

劉延厚

（洛陽(yáng)水利勘測(cè)設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司，河南 洛陽(yáng) 471000）

1 概述

懸臂式擋墻憑借著厚度小、形式簡(jiǎn)單的優(yōu)勢(shì)在支擋工程中被廣泛應(yīng)用。但傳統(tǒng)懸臂擋墻對(duì)基底抗壓能力要求較高，當(dāng)墻基存在不良基土?xí)r，其抗傾覆和抗滑移能力較弱，會(huì)出現(xiàn)墻身傾斜現(xiàn)象。因此對(duì)懸臂式擋墻進(jìn)行性能優(yōu)化設(shè)計(jì)具有重要意義[1-2]。當(dāng)前國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)懸臂擋墻的研究包括以下幾個(gè)方面：上覆荷載、墻身混凝土強(qiáng)度、擋墻寬高比等因素對(duì)懸臂式擋墻墻背土壓力分布的影響[3-4]；懸臂式擋墻斷面優(yōu)化[5-7]；擋墻位移以及結(jié)構(gòu)內(nèi)力等隨板寬與埋深的變化[8]；懸臂式擋土墻結(jié)構(gòu)極限狀態(tài)下主動(dòng)土壓力以及抗滑穩(wěn)定性等等[9-10]。以上研究主要是對(duì)懸臂式擋墻的力學(xué)性能影響因素進(jìn)行綜合探討，但少有研究從結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的角度對(duì)懸臂式擋墻進(jìn)行優(yōu)化分析。

本研究以傳統(tǒng)懸臂式擋土墻研究為基礎(chǔ)，通過(guò)設(shè)計(jì)一種新型帶卸壓架懸臂擋墻來(lái)增大懸臂擋墻抗傾覆抗滑移能力，使其能夠在不良地基條件下具有較好的擋土能力。卸壓架是一種混凝土材質(zhì)的預(yù)制板，其設(shè)計(jì)思路主要是在墻背設(shè)置卸荷平臺(tái)或卸荷板，達(dá)到減少墻背土壓力和增加穩(wěn)定力矩，以填土重量和墻身自重共同抵抗土體側(cè)壓力的擋土結(jié)構(gòu)。本文考慮到卸壓板位置、寬度以及數(shù)量等因素對(duì)擋墻性能的影響共設(shè)計(jì)了3組擋墻，通過(guò)改變卸壓架的位置與尺寸，找到使懸臂擋墻性能達(dá)到最優(yōu)的卸壓架的位置和尺寸，從而實(shí)現(xiàn)解決擋墻抗傾覆問(wèn)題，研究成果可為相關(guān)工程提供參考。

2 擋墻設(shè)計(jì)

本文分析的擋土墻高14m，填土為單位重量為20kN/m3、內(nèi)摩擦角為30°的無(wú)粘性回填土。底板與回填土之間的摩擦系數(shù)為0.55，考慮承載力為300kN/m2。擋土墻頂部的桿件厚度為0.3m，在桿件和底板的連接處線性增加至1m。此外，底板厚度為1.2m，底板向坡腳的投影為1.5m，減壓架的厚度被視為0.6m。基底寬度是本文研究的參數(shù)之一，其變化范圍在6—7m。圖1給出了本文研究的擋土墻示意圖。

圖1 擋土墻示意圖

本文共創(chuàng)建了三組模型。第1組包括不帶擱板的擋土墻，其基底寬度分別為7m、6.5m和6m。第2組包括帶單擱板的擋土墻。在該組中，單個(gè)擱板的位置在0.1到0.9h之間變化，間隔為0.1h，其中h是懸臂擋土墻的高度。本項(xiàng)研究進(jìn)行了3.5m，4m和4.5m的擱板寬度變化，基底寬度進(jìn)一步變化為7m、6.5m和6m。第3組由帶兩個(gè)擱板的懸臂擋土墻組成，擱板的位置在0.3到0.7h之間變化，擱板寬度為1.5m、2m和2.5m。值得一提的是，當(dāng)擋土墻高度固定時(shí)，選擇卸荷架的數(shù)量時(shí)，應(yīng)確保卸荷架的寬度不太大，并且兩個(gè)連續(xù)卸荷架之間應(yīng)有足夠的間隙，以便在施工期間適當(dāng)壓實(shí)回填料。因此，對(duì)于14m高的擋土墻，本次分析選擇了兩個(gè)減壓架。所有擋土墻均承受側(cè)向土壓力，并使用克萊因解進(jìn)行分析。表一給出了這些模型組的詳細(xì)信息。

3 設(shè)計(jì)結(jié)果分析

3.1 第一組擋墻

表1給出了無(wú)卸壓架的懸臂墻在不同基底寬度下的分析結(jié)果，即7m、6.5m和6m。由圖可知，抗傾覆和滑動(dòng)的安全系數(shù)隨著基底寬度的減小而降低。所有情況下，防滑安全系數(shù)均低于1.4。底板下方的最大壓力（Pmax）超過(guò)土壤的安全承載力，最小壓力（Pmin）值為負(fù)值。因此模型不滿足穩(wěn)定性條件，進(jìn)行第二組設(shè)計(jì)擋墻分析。

表1 懸臂式無(wú)卸壓架擋墻分析結(jié)果

3.2 第二組擋墻

圖2給出了卸荷架在不同位置下的擋墻底部彎矩。圖中分析了含有一個(gè)卸荷板的懸臂擋墻，寬度分別為3.5m，4m和4.5m。與傳統(tǒng)擋土墻相比，帶卸荷架的擋土墻在形狀上有所不同，水平卸荷架的增加了擋土墻的重量，并將此類擋土墻的重心移向回填方向。側(cè)向推力的減少也引起了基底接觸壓力的變化。通過(guò)分許得出，適當(dāng)選擇隔架寬度可以顯著降低底板下方的總接觸壓力，進(jìn)而提高承載力失效的安全系數(shù)。本次分析中，對(duì)于所有寬度，在0.5h的擱板位置，擋墻底部的最小彎矩都達(dá)到設(shè)計(jì)要求。三種卸荷板寬度中，位于0.5h處的4.5m貨架寬度的彎矩最小。

圖2 卸荷架在不同位置下的擋墻底部彎矩

圖3給出了卸荷架在不同位置下的一端的彎矩。由圖可知，對(duì)于所有卸荷架寬度，其端部的彎矩值隨著從0.1h到0.9h高度的增加而增加。對(duì)于3.5m的卸荷架寬度，彎矩值小于4m和4.5m的值?？紤]到擋墻底部和卸荷架端的彎矩結(jié)果，擱板的最優(yōu)位置可考慮為0.4h處。

圖3 卸荷架一端在不同位置下的彎矩

圖4給出了不同卸荷架位置下的最大基底壓力。由圖可知，對(duì)于寬3.5m的卸荷架擋土墻，當(dāng)擱板位置為0.4h和0.5h時(shí)滿足穩(wěn)定性條件；對(duì)于寬4m的卸荷架擋土墻，當(dāng)擱板位置為0.3h，0.4h和0.5h時(shí)滿足穩(wěn)定性條件，對(duì)于寬4.5m的卸荷架擋土墻同樣滿足。由于基底寬度、桿底彎矩、架子端部和頂部節(jié)點(diǎn)位移不受影響，但考慮到7m基底寬度的最大基底壓力值小于6.5 m和6m基底寬度的懸臂擋土墻的壓力，因此該參數(shù)對(duì)實(shí)現(xiàn)擋墻穩(wěn)定性至關(guān)重要?；A(chǔ)寬度為6m，擱板寬度為3.5m的懸臂擋土墻模型在任何位置都不滿足基礎(chǔ)壓力的穩(wěn)定條件，因此，考慮到所有四個(gè)參數(shù)，擱板的高度可考慮為0.4m。將這些擋土墻的結(jié)果與無(wú)擋土墻的懸臂擋土墻模型進(jìn)行了比較，對(duì)于擱板位置為0.4h的懸臂擋土墻，桿底彎矩降低70%。對(duì)于這個(gè)位置，節(jié)點(diǎn)位移也減少了約90%。

圖4 不同卸荷架位置下的最大基底壓力

3.3 第三組擋墻

本次分析懸臂擋土墻帶有兩個(gè)卸壓板，擱板寬度不同，組合為1.5m，2m和2.5m，板的位置在0.3到0.7h之間變化。表2給出了兩個(gè)卸壓板寬度分別為1.5m和1.5m的擋墻分析結(jié)果。由表1可知，有9種實(shí)際可行的卸壓板位置組合，由表可知，寬1.5米的卸壓板最佳位置為0.4h和0.6h，其的頂部節(jié)點(diǎn)位移為39.50mm，比無(wú)卸壓板懸臂擋土墻的位移小約55%。擋墻底部的彎曲力矩為1 421kN·M，比無(wú)支架懸臂擋墻的彎曲力矩小約45%，也比兩個(gè)支架的任何其他位置的彎曲力矩小。

表2 卸壓板寬度分別為1.5m和1.5m的擋墻分析結(jié)果

表3給出了兩個(gè)卸壓板寬度分別為1.5m和2.5m的擋墻分析結(jié)果。由表可知，這些模型在擋墻底部的彎矩值小于表2中卸壓板寬度為1.5m和1.5m的彎矩值。因此，當(dāng)卸壓板寬度增加時(shí)?？梢杂^察到擋墻底部的內(nèi)彎力矩減小，但以卸壓板端的彎矩增加為代價(jià)。因此，得出的結(jié)論是，隨著卸壓板寬度的增加，卸壓板端部的彎矩會(huì)隨之增加，并且擋墻的抗傾覆和滑動(dòng)的安全系數(shù)也會(huì)增加。本次組合下的最佳位置是卸壓板1和卸壓板2分別安置在為0.45h和0.65h處，該處擋墻節(jié)點(diǎn)位移為28.53mm，與普通擋土墻相比減少約67%。從分析中可以看出，隨著卸壓板寬度的增加，頂部節(jié)點(diǎn)位移減小。

表3 卸壓板寬度分別為1.5m和2.5m的擋墻分析結(jié)果

表4給出了兩個(gè)卸壓板寬度分別為2.5m和2.5m的擋墻分析結(jié)果。由表可知，本次組合下的最佳位置是卸壓板1和卸壓板2分別安置在為0.35h和0.65h處，此處擋土墻底部的彎矩為545.1kN·m，這比普通懸臂擋土墻的彎矩小78%。此外，該處頂部節(jié)點(diǎn)位移為6.87mm，比普通懸臂擋墻的位移小約90%。與上述任何其他組合相比，懸臂擋土墻與卸壓板組合在擋土墻產(chǎn)生的彎矩更小。

表4 卸壓板寬度分別為2.5m和2.5m的擋墻分析結(jié)果

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)卸壓懸臂式擋土墻進(jìn)行參數(shù)研究得出，相比傳統(tǒng)的懸臂式擋土墻，卸壓板可降低擋土墻上的側(cè)向土壓力，并減少凈彎矩，有助于使擋土墻更加穩(wěn)定。其中：

（1）對(duì)于兩個(gè)卸壓板寬度分別為1.5m和1.5m的擋墻，卸壓板最佳位置為0.4h和0.6h，比無(wú)卸壓板懸臂擋土墻的位移小約55%；

（2）兩個(gè)卸壓板寬度分別為1.5m和2.5m的擋墻，其最佳位置是卸壓板1和卸壓板2分別安置在為0.45h和0.65h處，該處擋墻節(jié)點(diǎn)位移為28.53mm，與普通擋土墻相比減少約67%；

（3）兩個(gè)卸壓板寬度分別為2.5m和2.5m的擋墻，最佳位置是卸壓板1和卸壓板2分別安置在為0.35h和0.65h處，此處比普通懸臂擋土墻的彎矩小78%。因此，帶卸壓板的擋土墻可以作為高擋土墻的有效解決方案。□