考慮地震作用下的云南山區(qū)高速公路衡重式擋土墻設(shè)計優(yōu)化

汪媛媛

摘要 考慮地震的作用下，通過安全性及經(jīng)濟(jì)合理性分析，文章對云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。通過分析得出，衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)是影響其基底壓應(yīng)力的重要參數(shù)。通過調(diào)整以上參數(shù)，在滿足安全性的前提下，可對衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，以提高其經(jīng)濟(jì)合理性。

關(guān)鍵詞 云南山區(qū)高速公路；衡重式路堤擋土墻；土壓力；安全性分析；設(shè)計優(yōu)化

中圖分類號 U417.11文獻(xiàn)標(biāo)識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0144-03

0 引言

山區(qū)高速公路擋土墻通常情況下是采用標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計，未結(jié)合實際情況，針對工點進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以最大限度滿足工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。該文以云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻為實例，對標(biāo)準(zhǔn)圖中擋土墻高度為8 m、填土高度為6 m的擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計，并通過分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度，兩種情況下?lián)跬翂Φ陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性，對常用高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

1 工程概況

某新建高速公路設(shè)計標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車道，設(shè)計速度100 km/h，主線按4車道高速公路建設(shè)，整體式路基寬度為26 m，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計工點主要土層物理、力學(xué)指標(biāo)詳見表1。

2 擋土墻設(shè)計

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計

該工程擋土墻設(shè)計中，采用衡重式擋土墻，墻身材料為混凝土，墻高為8 m，墻頂填土高度為6 m。擋土墻斷面示意詳見圖1，墻身詳細(xì)尺寸見表2。

2.2 計算分析

在工程建設(shè)領(lǐng)域，土壓力計算的常用理論有朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論。由于兩者計算的主動土壓力誤差不大，且?guī)靷惱碚撨m用于較廣泛的邊界條件，應(yīng)用范圍更廣，一般通過手冊[1-2]的經(jīng)驗公式進(jìn)行計算。庫倫主動土壓力的計算原理[3]：假定擋土墻為剛性，墻后填土為無黏性土，墻后填土以一個楔體的形式滑動，楔體的邊界為地面、墻背和填土土體中通過墻踵的滑動平面，當(dāng)墻背移離填土，墻后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時，根據(jù)土楔的力系平衡條件，可求出擋土墻對滑動土楔的支承反力，即為庫倫主動土壓力（Ea），表達(dá)式如式（1）：

（1）

式中，Ea——庫倫主動土壓力（kN）；W——自重加上部作用在楔體范圍內(nèi)地面上的附加荷載重（kN/m）；θ——滑動面與水平面的夾角（°）；α——擋土墻背與水平面的夾角（°）；φ——土的內(nèi)摩擦角（°）；β——墻背與土間的摩擦角（°）。

庫倫土壓力計算理論通常適用于擋土墻背部填料為砂性土類的材料。遇到擋土墻墻后填土為非砂性土的情況時，可對土體的黏聚力c值進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換后，采用庫倫土壓力計算理論。設(shè)計時采用公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，土壓力采用庫倫土壓力理論計算，利用理正擋土墻計算軟件，荷載加載位置在距離墻頂面9 m處，墻頂填土高度為6 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5，墻背與墻后填料內(nèi)摩擦角取值為20 °，由于庫倫土壓力計算主動土壓力時與實際值接近，在采用庫倫土壓力理論計算時，對擋土墻的整體穩(wěn)定性也進(jìn)行計算。滑移穩(wěn)定、傾覆穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性計算結(jié)果詳見表3。

根據(jù)通用圖中該地區(qū)衡重式擋土墻尺寸，考慮地震作用，通過表3計算結(jié)果可知：該擋土墻斷面尺寸滿足滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性要求，但擋土墻界面尺寸較大，且擋墻墻趾與墻踵壓應(yīng)力差值較大，受力不均勻。因此，該衡重式路堤擋土墻尺寸存在優(yōu)化設(shè)計空間。

3 優(yōu)化設(shè)計

3.1 墻身尺寸優(yōu)化

在保證擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性滿足規(guī)范要求的前提下，通過調(diào)整衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)，減小擋土墻圬工量，滿足工程安全性及經(jīng)濟(jì)合理性的要求。調(diào)整參數(shù)后的擋土墻尺寸詳見表4。

3.2 安全性及經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)過計算得出斷面優(yōu)化后，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)詳見表5，滿足規(guī)范要求，優(yōu)化前后計算結(jié)果對比詳見圖2。

安全性方面，從圖2可以得出，擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，滑移穩(wěn)定系數(shù)由4.211減小至4.175，擋土墻的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)從優(yōu)化前的5.611減小至優(yōu)化后的4.818，滑移穩(wěn)定系數(shù)降低0.8%，相差較小，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)降低14%，兩個數(shù)值仍滿足規(guī)范要求。傾覆穩(wěn)定性系數(shù)減小的原因是在擋土墻優(yōu)化過程中，減小了墻身斷面尺寸，進(jìn)而減小了擋土墻的自身重力，導(dǎo)致?lián)跬翂Φ目箖A覆穩(wěn)定性系數(shù)減小，但也滿足規(guī)范要求。

經(jīng)濟(jì)性方面，擋土墻優(yōu)化前，每延米體積為35.900 8 m3，優(yōu)化后為26.78 m3，圬工量顯著減小。

4 針對云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖的設(shè)計優(yōu)化

采用庫倫土壓力計算理論，通過分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度兩種情況下?lián)跬翂Φ陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性，對云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。限于篇幅，該文針對高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。

4.1 不同填土高度時，8 m衡重式路堤擋土墻最優(yōu)尺寸計算

不同填土高度時，8 m衡重式路堤擋土墻墻身尺寸優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比詳見表6，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果詳見表7。

4.2 相同填土高度時，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻的最優(yōu)尺寸計算

相同填土高度時，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻墻身尺寸優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對比詳見表8，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)計算結(jié)果詳見表9。

5 結(jié)語

考慮地震的作用下，該文通過安全性及經(jīng)濟(jì)合理性分析，對云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化。對于山區(qū)高速公路路堤擋土墻設(shè)計，從防護(hù)高度、地質(zhì)情況等因素考慮，確定擋土墻的選用類型。擋土墻墻身尺寸、墻后填土的物理參數(shù)、地基土承載力及計算荷載等因素影響擋土墻的安全性及經(jīng)濟(jì)性。同時，在擋土墻設(shè)計中，滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)滿足規(guī)范要求并不意味著設(shè)計合理，應(yīng)通過調(diào)整擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)，有針對性地對擋土墻進(jìn)行設(shè)計優(yōu)化，以滿足經(jīng)濟(jì)合理性的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部第一勘測設(shè)計院. 鐵路工程設(shè)計技術(shù)手冊-路基（修訂版）[M]. 北京：中國鐵道出版社， 1995.

[2]顧慰慈. 擋土墻土壓力計算手冊[M]. 北京：中國建材工業(yè)出版社， 2005.

[3]李振山， 葉燎原， 李晶. 經(jīng)典土壓力理論的一般形式[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報（理工版）， 2007（4）： 120-124.