凸榫對(duì)懸臂式擋土墻安全性的影響分析

韓 雷

（廣東省冶金建筑設(shè)計(jì)研究院有限公司 廣州 510080）

0 引言

懸臂式擋土墻是一種由立壁板、墻踵板和墻趾組成的輕型擋土結(jié)構(gòu)，由自重和上部填土維持自身穩(wěn)定性。由于其結(jié)構(gòu)簡單、自重較輕、占地面積小、價(jià)格經(jīng)濟(jì)以及對(duì)地基承載力要求不高等優(yōu)點(diǎn)［1-2］，被廣泛應(yīng)用于高填土路堤和邊坡防護(hù)工程中。目前，隨著懸臂式擋土墻在工程中的大量使用，已有許多學(xué)者對(duì)其受力情況展開了研究分析［3-6］，并對(duì)其施工工藝以及結(jié)構(gòu)尺寸進(jìn)行了優(yōu)化［7-9］。

實(shí)際工程中，懸臂式擋土墻通常會(huì)在基礎(chǔ)底部添加凸榫結(jié)構(gòu)，增加其穩(wěn)定性，以減小基礎(chǔ)尺寸，降低工程造價(jià)。盡管在擋土墻設(shè)計(jì)中對(duì)凸榫的使用較為廣泛，但其設(shè)計(jì)理論還很不成熟。面對(duì)這種情況，有部分學(xué)者對(duì)凸榫的作用展開了研究，俞亞南等人［10］以現(xiàn)場試驗(yàn)為基礎(chǔ)，結(jié)合極限平衡理論，分析了凸榫前后受力情況，得到了不同凸榫長度對(duì)擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的影響。屠毓敏等人［11-12］通過室內(nèi)模型試驗(yàn)以及極限平衡理論計(jì)算，認(rèn)為在軟弱地基中凸榫結(jié)構(gòu)能有效提高擋土墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性，并計(jì)算出了相應(yīng)安全穩(wěn)定系數(shù)。但由于條件限制，這些實(shí)驗(yàn)研究均通過施加水平推力來模擬擋土墻的受力狀況，擋土結(jié)構(gòu)物的滑動(dòng)趨勢和滑裂破壞方式與實(shí)際情況有較大區(qū)別。

鑒于此，以廣州市花都區(qū)某道路中5.3 m 高的懸臂式擋土墻為例，基于數(shù)值模擬和《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范：JTG D30—2004》［13］計(jì)算結(jié)果，深入分析凸榫位置以及尺寸變化對(duì)于懸臂式擋土墻抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及對(duì)整體穩(wěn)定性的影響，以期為類似工程設(shè)計(jì)與施工提供參考。

1 擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算理論

1.1 抗滑動(dòng)穩(wěn)定性計(jì)算

抗滑移能力是擋土墻能否處理受力平衡狀態(tài)的關(guān)鍵因素，為界定擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性，工程上將抗滑力與滑動(dòng)力的比值Kc作為抗滑移安全系數(shù)，當(dāng)Kc≥1.3，才能說明擋土墻具有一定的抗滑移能力。根據(jù)文獻(xiàn)［13］的要求，采用以極限狀態(tài)設(shè)計(jì)的分項(xiàng)系數(shù)法對(duì)擋土墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性進(jìn)行計(jì)算。其滑動(dòng)穩(wěn)定性方程與抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc計(jì)算方程如下所示：式中：G為作用于基底以上的重力；γQ1為主動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)；γQ2為墻前被動(dòng)土壓力分項(xiàng)系數(shù)；Ey、Ex分別為墻后主動(dòng)土壓力的豎向分量與水平分量；Ep為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量；N為作用于基底土合力的豎向分力；α0為基底傾斜角；μ為基底與地基間的摩擦系數(shù)。

1.2 抗傾覆穩(wěn)定性計(jì)算

傾倒破壞是擋土墻最常見的失穩(wěn)破壞形式，工程上將繞墻趾的抗傾覆力矩與傾覆力矩的比值定義為抗傾覆安全系數(shù)K0，當(dāng)K0≥1.6 時(shí)，才能說明擋土墻具有一定的抗滑移能力。根據(jù)文獻(xiàn)［13］要求，傾覆穩(wěn)定性方程與抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0的計(jì)算方程如下所示：

式中：ZG為墻身重力、基礎(chǔ)重力、基礎(chǔ)上填土的重力及作用于墻頂?shù)钠渌奢d的豎向力合力重心到墻趾的距離；Zx、Zy分別為墻后主動(dòng)土壓力的豎向分量和水平分量到墻趾的距離；Zp為墻前被動(dòng)土壓力的水平分量到墻趾的距離。

1.3 整體穩(wěn)定性計(jì)算

目前，在我國巖土工程設(shè)計(jì)領(lǐng)域中對(duì)邊坡穩(wěn)定性的計(jì)算方法主要有極限平衡法和有限元強(qiáng)度折減法。其中極限平衡法采用分塊的原理，用安全系數(shù)來定義邊坡的穩(wěn)定性，物理含義分明，計(jì)算方便，是發(fā)展最為成熟、工程上最普遍的求解方法。本文使用的數(shù)值軟件采用瑞典條分法作為內(nèi)置程序，對(duì)擋土墻的整體穩(wěn)定性計(jì)算公式如下所示［14］：

式中：K為整體穩(wěn)定安全系數(shù)；Mk為抗滑力矩；Mq為滑動(dòng)力矩；c′ik、φ′ik為最危險(xiǎn)滑動(dòng)面上第i根土條滑動(dòng)面上的粘聚力和內(nèi)摩擦角標(biāo)準(zhǔn)值；li、bi和wi分別為第i根土條的滑裂面弧長、寬度以及重量；θ i為第根i土條弧線中點(diǎn)切線與水平線的夾角；q0為作用于坡面上的荷載；Pe為筋帶作用力產(chǎn)生的抗滑力矩。

2 工程概況

廣州市花都區(qū)某道路位于廣州市花都區(qū)中西部，北起風(fēng)神大道，途經(jīng)新華街、炭步鎮(zhèn)，南止佛山一環(huán)北延長線與西二環(huán)相交點(diǎn)，總體呈南北走向。項(xiàng)目里程范圍為K0+000～K8+133.987，道路等級(jí)為城市快速路，計(jì)算行車速度60 km/h；紅線寬度為50 m。其地理位置及大致走向如圖1所示。

2.1 地層參數(shù)

2.2 水文地質(zhì)條件

地表水以江河為主，水量主要受季節(jié)性影響。地下水以孔隙水為主，埋藏深度較淺，賦存于第四系砂土層中，水量豐富，稍具承壓性，補(bǔ)給來源主要為大氣降雨及地表水滲透，水位常年變化幅度一般小于2.00 m，水質(zhì)對(duì)混凝土結(jié)構(gòu)及其中鋼筋具有輕微的腐蝕性。

3 凸榫效果的影響因素分析

3.1 研究對(duì)象

廣州市花都區(qū)某道路工程中，巴江河大橋橋頭地層一定深度內(nèi)存在淤泥質(zhì)軟土，地基承載能力較差，路基工程不宜采用天然淺基礎(chǔ)。因此，對(duì)路基進(jìn)行填換處理，以處理合格后的人工地基作為基礎(chǔ)持力層，并設(shè)置懸臂式擋土墻以提高路堤穩(wěn)定性。填換土層的具體參數(shù)以及懸臂式擋土墻具體布置如表1和圖2所示。

表1 填換土層分布及材料參數(shù)Tab.1 Distribution of Filling Soil Layer and Material Parameters

3.2 凸榫的尺寸影響

為減少資源浪費(fèi)，降低工程造價(jià)，在不影響支擋效果的前提下，有必要對(duì)擋土墻尺寸進(jìn)行優(yōu)化。為研究凸榫尺寸對(duì)懸臂式擋土墻的影響，保持凸榫位置處于距墻踵末端1.44 m 處，分別改變其高度和寬度，得到凸榫尺寸與擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性的關(guān)系曲線，如圖3～圖4所示。

由圖3 可知，保持懸臂式擋土墻的凸榫寬度為0.6 m，高度以每次0.25 m的增幅由0 m逐漸增至1.0 m。在此過程中，其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc呈非線性增長，數(shù)值由2.30增至2.98，增大了29.56%，增長幅度較大，受凸榫高度影響顯著。其中，凸榫高度由0 m 增為0.25 m 時(shí)，擋土墻抗滑穩(wěn)定性系數(shù)變化更為明顯，數(shù)值由2.30 增至2.65，增幅為15.21%，與無凸榫結(jié)構(gòu)的懸臂式擋土墻相比，設(shè)置凸榫后懸臂式擋土墻的抗滑穩(wěn)定性有顯著提高。但隨凸榫高度由0 m 增至1.0 m，凸榫抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0由6.17 增至6.43，整體穩(wěn)定性系數(shù)K由1.60增至1.63，兩者均無明顯變化，受凸榫高度影響較小。

由圖4 可知，保持懸臂式擋土墻的凸榫高度為0.5 m，寬度以每次0.3 m的增幅由0 m逐漸增至1.2 m。在此過程中，懸臂式擋土墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc由2.3 增至2.86，增長了約24.35%，增幅較大。其中，凸榫寬度由0 m 增至0.3 m 時(shí)，其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性增加了19.13%，設(shè)置凸榫的效果明顯。但是，凸榫寬度由0.3 m增至1.2 m 過程中，每增加0.3 m 其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性僅增加約1.43%，增加凸榫寬度對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物抗滑動(dòng)穩(wěn)定性的影響較小。懸臂式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0隨凸榫寬度的增加呈非線性增長，凸榫寬度由0 m增至1.2 m 時(shí)，K0由6.17 增至6.68，增長了約8.26%，其整體穩(wěn)定性系數(shù)K則保持為1.6，不受凸榫寬度影響。

由此可見，與無凸榫式懸臂式擋土墻相比，在擋土墻底板上設(shè)置凸榫后能有效提升其抗滑穩(wěn)定性，但對(duì)懸臂式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性和整體穩(wěn)定性的提升較小，而且凸榫長度或?qū)挾却笮〕^某一數(shù)值后，增大凸榫尺寸對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物的抗滑穩(wěn)定性不再有明顯提升。因此，進(jìn)行凸榫設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)謹(jǐn)慎考慮尺寸大小，減少材料浪費(fèi)。

3.3 凸榫的位置影響

在實(shí)際工程中，一般在懸臂式擋土墻底板的墻踵末端、墻趾末端或者兩者之間設(shè)置凸榫以增強(qiáng)基礎(chǔ)穩(wěn)定性。為研究這3種不同的凸榫布置方式對(duì)懸臂式擋土墻的具體影響，現(xiàn)在通過數(shù)值模擬，以墻踵末端為起點(diǎn)，墻趾末端為終點(diǎn)逐漸改變凸榫位置，得到了擋土墻穩(wěn)定性系數(shù)與凸榫位置的關(guān)系曲線，如圖5所示。

如圖5可知，凸榫位置由墻踵向墻趾移動(dòng)過程中，懸臂式擋土墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc和抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0均成非線性減小，整體穩(wěn)定性系數(shù)K則呈先減小后增大的趨勢，并在起點(diǎn)處得到最大值2.13。當(dāng)凸榫位置從墻踵末端移至0.72 m 處時(shí)，其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc由3.07減至2.82，削減了約8.14%，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0由6.64減至6.34，減少了約4.73%，兩者受影響凸榫位置影響變化較為明顯。就整體而言，凸榫位于墻趾末端與位于墻踵相比，抗滑動(dòng)穩(wěn)定性系數(shù)Kc由3.08 減至2.58，減少了約15.96%，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)K0由6.64減至6.19，減少了約6.78%，擋土結(jié)構(gòu)物的安全性明顯減弱。

由此可知，凸榫墻踵末端位置時(shí)，懸臂式擋土墻的的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性均達(dá)到最大，懸臂式擋土墻最為安全。因此，在懸臂式擋土墻底板上進(jìn)行凸榫布置時(shí)應(yīng)，應(yīng)盡量設(shè)置在墻踵末端。

4 結(jié)論

本文以廣州市花都區(qū)某道路中5.3 m 高的懸臂式擋土墻為例，經(jīng)過深入分析凸榫位置以及尺寸變化對(duì)于懸臂式擋土墻的影響，得出以下結(jié)論：

⑴在擋土墻底板上設(shè)置凸榫后能有效提升其抗滑動(dòng)穩(wěn)定性，但對(duì)抗傾覆穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性的影響較小。

⑵保持懸臂式擋土墻的凸榫位置不變，增大凸榫長度或?qū)挾?，?duì)抗滑動(dòng)穩(wěn)定性提升較大，但凸榫長度或?qū)挾瘸^某一數(shù)值后，增大凸榫尺寸對(duì)擋土結(jié)構(gòu)物的抗滑穩(wěn)定性不在有明顯提升。凸榫尺寸變化對(duì)懸臂式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性并無明顯影響。

⑶保持懸臂式擋土墻的凸榫尺寸不變，凸榫位于墻踵末端位置時(shí)，懸臂式擋土墻的的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性以及整體穩(wěn)定性均達(dá)到最大，懸臂式擋土墻最為安全。