框架橋引道擋土墻工程在復(fù)雜土應(yīng)力下的受力分析

框架橋引道擋土墻工程在復(fù)雜土應(yīng)力下的受力分析

本文以工程實(shí)例為基礎(chǔ)，在確定框架橋引道擋土墻尺寸的前提下，對其本身和周圍土體進(jìn)行受力分析，驗(yàn)證擋土墻設(shè)計(jì)的合理性，論證框架橋引道擋土墻在復(fù)雜土應(yīng)力下的受力特性。經(jīng)計(jì)算，其結(jié)果滿足承載力、抗傾覆、抗滑驗(yàn)算等工程要求。

路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)積極采用新技術(shù)、新結(jié)構(gòu)、新材料、新工藝。現(xiàn)用的路基支擋結(jié)構(gòu)有重力式擋土墻、短卸荷植式擋土墻、懸臂式和扶壁式擋土墻、錨抨擋土墻、錨定板擋土墻、加筋土擋土墻、土釘墻、抗滑樁、樁板式擋土墻和預(yù)應(yīng)力錨索等。分離式引道的擋土墻多采用重力式，本文將對常用的重力式擋土墻進(jìn)行分析。該框架橋引道擋土墻基于某一工程實(shí)例，在擋土墻各尺寸設(shè)計(jì)好的前提下，對其進(jìn)行受力分析，得出相關(guān)結(jié)論。

重力式擋土墻

重力式擋土墻是依靠墻體自重抵抗土壓力、防止土體坍滑的支擋結(jié)構(gòu)，可作為路肩、路堤和路塹等部位應(yīng)用于一般、浸水、地震和特殊巖土等地區(qū)，路肩、路堤和土質(zhì)路塹擋土墻高度不宜大于10m，石質(zhì)路塹擋土墻不宜大于12m。重力式擋土墻按其墻背傾斜情況分仰斜、垂直和俯斜三種，挖方的情況下適合使用仰斜式擋土墻；填方的情況下適合使用垂直或俯斜式擋土墻。

土壓力的作用點(diǎn)

庫倫土壓力理論是在假設(shè)土為理想散粒體，滑動面為平面，滑動土體為剛體的條件下，在墻后土體處于極限平衡狀態(tài)的情況下，運(yùn)用楔體的靜力平衡條件，可得土壓力理論為：

并認(rèn)為土壓力為線性分布，得出作用點(diǎn)距墻趾1/3H高度的結(jié)論。

關(guān)于這一點(diǎn)，曹振民先生，楊仲節(jié)先生在《土壓力合力作用點(diǎn)的分析與計(jì)算》一文中做出了相關(guān)評論，可概括為：庫侖理論是在基于土壓力按線性分布的假設(shè)前提下（呈三角形分布），得出土壓力的合力作用點(diǎn)位于距墻下緣 1 / 3 墻高處。實(shí)際上，無論是根據(jù)理論分析還是實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，土壓力的分布形式都表現(xiàn)出非線性特征，依墻背傾角、光滑程度以及填土性質(zhì)的不同，土壓力的合力作用點(diǎn)也有所變化。庫倫土壓力如圖1所示。

并提出，土壓力距墻底距離kH中系數(shù)k滿足：

本文由于土體為內(nèi)傾，在參考上述結(jié)論的情況下，將楔體視為剛體，在有摩檫力的情況下，對作用點(diǎn)進(jìn)行分析，如圖2所示，認(rèn)為重力G作用于滑裂體重心上，而墻對楔體的作用力P墻，土體對作用楔體的作用線，過重心。在CAD中作圖，可求出作用點(diǎn)距地面分別為236cm，325cm。

擋土墻重力計(jì)算

本文計(jì)算基于某實(shí)際工程框架橋引道擋土墻設(shè)計(jì)，擋土墻各項(xiàng)尺寸如圖3所示，可進(jìn)行擋土墻的重力計(jì)算如下：

總重力ω總=ω1+ω2=123.0 KN /m

距墻趾距離為

圖1　庫倫土壓力

擋土墻的承載力，抗傾覆，抗滑驗(yàn)算

地基承載力驗(yàn)算

地基容許承載力要求參照《公路設(shè)計(jì)手冊·路基》，有公式：

對于本工程的偏心受力，需要滿足基底平均壓力pk和基底最大壓力pmax的要求，如下：

帶入數(shù)值計(jì)算可得：

圖2　土壓力對擋土墻作用點(diǎn)位置

圖3　擋土墻重力計(jì)算圖

抗傾覆能力計(jì)算

為了保證重力式擋土墻滿足抗傾覆穩(wěn)定性要求，具體表現(xiàn)為墻身不產(chǎn)生繞墻趾的傾覆破壞，因此需要滿足如下的數(shù)學(xué)表達(dá)式：

式中，Ky為抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)，MR 為抗傾覆力矩，MS 為傾覆力矩。

由此可得，繞墻趾轉(zhuǎn)動的抗傾覆穩(wěn)定的功能函數(shù)為：

式中Ex為墻背主動土壓力的水平分力，Ey為墻背主動土壓力的垂直分力； ZG 為重力到墻趾的力臂，Zx 為土壓力的水平分力到墻趾的力臂，Zy 為土壓力的垂直分力到墻趾的力臂；G為擋土墻每延長米自重。

帶入數(shù)值可得：

滿足設(shè)計(jì)要求.

抗滑移穩(wěn)定性計(jì)算

基底摩擦系數(shù)μ應(yīng)依據(jù)基底粗糙程度、排水條件和土質(zhì)確定，具體的取值參照表1。

表1　基底摩擦系數(shù)參考值表

為了保證重力式擋土墻抗?jié)M足滑穩(wěn)定性要求，具體表現(xiàn)為墻身沿基底不產(chǎn)生滑動破壞，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

式中，KC為抗滑安全系數(shù)，F(xiàn)R為抗滑力，F(xiàn)S 為滑動力。

土壓力同上，由此可得抗滑移穩(wěn)定的功能函數(shù)為：

式中：μ為土對擋土墻基底的摩擦系數(shù)； Gn為垂直于基底的重力分力，Gt 為垂平行于基底的重力分力； Ean為垂直于基底的主動土壓力分力， E at，為平行于基底的主動土壓力分力。

不滿足抗滑要求。

考慮到地面為1：0.2的斜面（11.3°在圖紙中有說明），可以對抗滑安全系數(shù)再次求解：

滿足抗滑要求。

結(jié)語

本文考慮了土壓力分布形式的非線性特征，結(jié)合工程實(shí)際，根據(jù)擋土墻墻背的傾角、光滑程度、填土性質(zhì)等條件的不同從而確定土壓力合力作用點(diǎn)，其計(jì)算結(jié)果更加貼近工程實(shí)際。經(jīng)計(jì)算，其結(jié)果滿足承載力、抗傾覆、抗滑驗(yàn)算等工程要求，且比傳統(tǒng)的土壓力計(jì)算方法更加經(jīng)濟(jì)。該分析過程給相關(guān)工程中擋土墻的受力分析提供了參考依據(jù)，也給相關(guān)工程設(shè)計(jì)提供了詳細(xì)的理論依據(jù)。

10.3969/j.issn.1001- 8972.2016.18.022