重力式擋土墻的設(shè)計(jì)

王 暉，劉 勝，王 鑫

（中國石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

化工設(shè)計(jì)

重力式擋土墻的設(shè)計(jì)

王 暉，劉 勝，王 鑫

（中國石油工程建設(shè)公司大連設(shè)計(jì)分公司， 遼寧 大連 116011）

重力式擋土墻是一種用于支撐天然邊坡或者人工填土邊坡來保持土體穩(wěn)定的構(gòu)筑物。重力式擋土墻具有可就地取材、施工便利、經(jīng)濟(jì)安全等優(yōu)點(diǎn),廣泛地用于我國的石油化工、公路、鐵路、港灣等工程建設(shè)中。擋土墻設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算等多個(gè)因素，涉及多個(gè)公式和參量的計(jì)算，通過編制重力式擋土墻計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了公式自動(dòng)計(jì)算，簡化了設(shè)計(jì)過程。結(jié)合工程實(shí)例，研究重力式擋土墻的影響因素及卸荷臺(tái)的作用。

重力式擋土墻；卸荷臺(tái)；計(jì)算軟件

1 引 言

擋土墻是為防止山坡土體或路基填土坍塌而修筑的承受土體側(cè)壓力的墻式構(gòu)造物。在工程領(lǐng)域，擋土墻廣泛地應(yīng)用于支撐路堤填土或路塹邊坡以及隧道洞口、河流堤岸和橋臺(tái)等處。常見的擋土墻結(jié)構(gòu)形式為：重力式、衡重式、扶壁式、懸臂式、加筋土式、錨桿式和錨定板式。擋土墻類型應(yīng)綜合考慮工程地質(zhì)、水文地質(zhì)、荷載作用、環(huán)境條件、沖刷深度、施工條件、工程造價(jià)等多種因素［1-3］。

中國石油商業(yè)儲(chǔ)備大連石化油庫項(xiàng)目新港北庫罐區(qū)擋土墻設(shè)計(jì)為重力式擋土墻，圖紙要求高度h≥6m時(shí)，基礎(chǔ)應(yīng)落在強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖上。現(xiàn)場開挖后，發(fā)現(xiàn)實(shí)際地基持力層為全風(fēng)化輝綠巖，因此需要根據(jù)現(xiàn)有持力層的有關(guān)數(shù)據(jù)重新驗(yàn)算原設(shè)計(jì)是否安全。本文結(jié)合工程實(shí)例研究重力式擋土墻的影響因素及卸荷臺(tái)的作用。擋土墻設(shè)計(jì)需要同時(shí)考慮抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基承載力驗(yàn)算等多個(gè)因素［4］。，涉及多個(gè)公式和參量的計(jì)算，計(jì)算過程較復(fù)雜，通過編制基于規(guī)范驗(yàn)算公式的重力式擋土墻計(jì)算軟件，實(shí)現(xiàn)了公式自動(dòng)計(jì)算，把工程設(shè)計(jì)人員從繁重的計(jì)算過程中解放出來,使他們能夠?qū)⒏嗟木性趦?yōu)化設(shè)計(jì)上，簡化了設(shè)計(jì)過程。

2 重力式擋土墻設(shè)計(jì)

2.1 擋土墻斷面尺寸選擇

擋土墻墻高為 h，頂寬約為(1/12)h，底寬可取(1/3～1/2)h。初步選擇頂寬 b，底寬B迚行試算。在這里。

2.2 主動(dòng)土壓力Ea計(jì)算

2.2.1 填土h處的主動(dòng)土壓力強(qiáng)度Pah

式中：γ—填土的重度,kN/m3；

φ—屮填土的內(nèi)摩擦角,(°)；

q—填土表面作用的均布荷載,kPa。

2.2.2 主動(dòng)土壓力Ea

主動(dòng)土壓力在數(shù)值上等于壓強(qiáng)分布圖的面積與主動(dòng)土壓力增大系數(shù)ψa之積，根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第6.7.3條第1款的規(guī)定（圖1），當(dāng)高度大于8 m時(shí)，ψa宜取1.2 。

式中：Ea—主動(dòng)土壓力,kN。

圖1 主動(dòng)土壓力強(qiáng)度分布圖Fig.1 The intensity distribution of active soil pressure

2.2.3 主動(dòng)土壓力作用位置zf

主動(dòng)土壓力作用線通過壓強(qiáng)分布圖的形心

式中：z —土壓力作用點(diǎn)至墻踵的高度,m。

2.3 擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第6.7.5條第2款的規(guī)定，擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性應(yīng)符合下式要求，抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖見圖2。

圖2 抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖Fig.2 Schematic view of the anti-overturning stability

表1 三種情況擋土墻主要參數(shù)Table 1 The main parameters of the retaining wall in three cases

式中：x0—擋土墻重心離墻趾的水平距離,m;

Gx0=G1x01+G2x02+G3x03+G4x04+G5x05+G6x06，Eaz= Eacos(α -δ)，Eax= Easin(α -δ)，xf=B- zcotα ，zf=z- B cotα0，

B —基礎(chǔ)水平投影寬度,m。

2.4 擋土墻抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第6.7.5條第1款的規(guī)定，擋土墻抗滑移穩(wěn)定性應(yīng)符合下式要求，抗滑移穩(wěn)定性示驗(yàn)算意圖見圖3。

式中：G —擋土墻每延米自重,kN；

Gn=G cosα0，Gt=G sinα0，Ean= Eacos(α -α0-δ)，Eat= Easin(α-α0-δ)

α0—擋土墻基底的傾角,(°)；

α—擋土墻墻背的傾角,(°)；

δ—土對擋土墻墻背的摩擦角,(°)，可按表6.7.5-1選用；

μ—土對擋土墻基底的摩擦系數(shù)，可按《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第6.7.5條表6.7.5-2選用。

2.5 地基承載力驗(yàn)算

2.5.1 基礎(chǔ)底面合力的偏心距驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第6.7.5條第4款的規(guī)定，基礎(chǔ)底面合力的偏心距滿足下式要求：

2.5.2 基礎(chǔ)底面承載力驗(yàn)算

根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》GB50007-2011第 5.2.2條的規(guī)定，基礎(chǔ)底面的壓力應(yīng)符合下式要求，地基承載力驗(yàn)算示意圖見圖4。

式中：pk—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，基礎(chǔ)底面處的平均壓力值,kPa；

fa—修正后的地基承載力特征值,kPa；

Fk—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，上部結(jié)構(gòu)傳至基礎(chǔ)頂面的豎向力值,kN；

Gk—基礎(chǔ)自重和基礎(chǔ)上的土重,kN；

Mk—相應(yīng)于荷載效應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)組合時(shí)，作用于基礎(chǔ)底面的力矩值,kN? m；

W—基底底面的抵抗矩,m3；

A—基礎(chǔ)底面面積,m2。

式中：l—垂直于力矩作用方向的基礎(chǔ)底面邊長,m，取l=1 m；

a—合力作用點(diǎn)至基礎(chǔ)底面最大壓力邊緣距離, m。

3 擋土墻工程實(shí)例計(jì)算

中國石油商業(yè)儲(chǔ)備大連石化油庫項(xiàng)目新港北庫罐區(qū)擋土墻原設(shè)計(jì)擋土墻高度h=13.505 m，墻后回填土的內(nèi)摩擦角φ=40°，土的粘聚力 c=0，重度γ =20 kN/m3。擋土墻墻背豎直光滑δ=0，墻后填土水平，8 m綠化帶旁設(shè)有路面，滑裂面與水平面成角

圖3 抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算示意圖Fig.3 Schematic view of the anti-slip stability

圖4 地基承載力驗(yàn)算示意圖Fig.4 Schematic view of ground bearing capacity checking

為45°+φ/2=65°，路面上的汽車荷載傳不到擋土墻上，填土表面作用均布荷載q=0 kN/ m2。擋土墻頂寬b=1 m，底寬B=7.075 m。α0=11.31°，α=90°。

擋土墻1：原持力層為強(qiáng)風(fēng)化輝綠巖，地基承載力特征值fak=450 kPa，μ=0.5。

擋土墻2：現(xiàn)持力層為全風(fēng)化輝綠巖，地基承載力特征值fak=220 kPa，μ=0.3。

擋土墻3：現(xiàn)持力層為全風(fēng)化輝綠巖，地基承載力特征值fak=220 kPa，μ=0.3。加卸荷臺(tái)，寬1 000 mm，高300 mm，臺(tái)底距墻趾距離h2=6.6 m。

分別驗(yàn)算三種情況擋土墻各項(xiàng)參數(shù)是否滿足規(guī)范要求，通過編制基于 EXCEL的擋土墻計(jì)算軟件計(jì)算，主要計(jì)算結(jié)果見表 1。通過驗(yàn)算發(fā)現(xiàn)，在原持力層上滿足設(shè)計(jì)要求的擋土墻（擋土墻 1）在現(xiàn)持力層上（擋土墻2），由于土對擋土墻基底的摩擦系數(shù)減小，抗滑移穩(wěn)定性不滿足要求，而其他性能沒有發(fā)生變化。通過加卸荷臺(tái)（擋土墻 3）提高了擋土墻自重，不僅提高了抗傾覆穩(wěn)定性，也提高了抗滑移穩(wěn)定性，但由于自重增加，基礎(chǔ)底面的平均壓力值也有所提高。通過在原設(shè)計(jì)上加卸荷臺(tái)，使其在現(xiàn)持力層上也滿足設(shè)計(jì)要求。

4 結(jié)束語

（1） 卸荷臺(tái)對擋土墻性能的影響。在其他條件相同的情況下，擋土墻上加卸荷臺(tái)，卸荷臺(tái)和擋土墻作為一個(gè)整體受力，卸荷臺(tái)的自重以及其上土層的重量都作用在擋土墻基礎(chǔ)底面上，增加了擋土墻整體的重量G，提高了結(jié)構(gòu)的抗傾覆性能，但也提高了基礎(chǔ)底面的平均壓力值。擋土墻自重增大，在一定程度上有助于提高抗滑移穩(wěn)定性。

（2） 基于規(guī)范驗(yàn)算公式編制的擋土墻驗(yàn)算軟件，實(shí)現(xiàn)了公式自動(dòng)計(jì)算，簡化了設(shè)計(jì)過程。軟件是輔助計(jì)算的，計(jì)算結(jié)果是否合理，是否有實(shí)際意義還需要設(shè)計(jì)人員結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)自行判斷。

（3） 擋土墻材料應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度，因此還需迚行墻身強(qiáng)度驗(yàn)算。對于擴(kuò)展基礎(chǔ)，要迚行配筋。由于篇幅原因，此處不再贅述。

［1］周平根．一般重力式抗滑擋土墻設(shè)計(jì)[J].中國地質(zhì)災(zāi)害與防沺學(xué)報(bào)，1994，5：318-323．

［2］劉家文.重力式擋土墻結(jié)構(gòu)斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)[J].有色金屬設(shè)計(jì)，2012， 39（3）：37-41.

［3］楊雪強(qiáng)．分層填土作用在擋土墻上的主動(dòng)土壓力[J].湖北工學(xué)院學(xué)報(bào)，2001,16(1)：59-61．

［4］李純玉．重力式擋土墻穩(wěn)定性影響因素分析研究[J].工程勘察，2014，(5)：21-25．

［5］建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范[S]. GB50007-2011．

Design of the Gravity Retaining Wall

WANG Hui，LIU Sheng，WANG Xin
（ China Petroleum Engineering Co., Ltd. Dalian Design Company, Liaoning Dalian 116011，China）

The gravity retaining wall is a structure which retains a natural slope or an artificial fill slope to maintain the stability of soil. The gravity retaining wall has the advantages of convenient construction, economic and security, and so on. It is widely used in the construction of China's petrochemical industry, roads, railways and harbors. In the retaining wall design, the factors of the anti-slip stability, the anti-overturning stability and ground bearing capacity should be taken into account; the design involves multiple formulas and calculation parameters. The calculation software of the gravity retaining wall has been programmed to achieve an automatic calculation and simplify the design process. In this paper, combined with the engineering examples, impact factors of the gravity retaining wall and effect of unloading platform were researched.

Gravity retaining wall; Unloading platform; Calculation software

TU 476

A

1671-0460（2014）09-1889-03

2014-08-05

王暉（1983-），女，遼寧大連人，工程師，碩士，2008年畢業(yè)于哈爾濱工業(yè)大學(xué)防災(zāi)減災(zāi)及防護(hù)工程專業(yè)，研究方向：從事石油領(lǐng)域結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)工作。E-mail：wanghui-dl@cnpc.com.cn。