路堤擋土墻選型及適用條件分析

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)公路管理局，平潭350400)

路堤擋土墻選型及適用條件分析

■石敏

(平潭綜合實(shí)驗(yàn)區(qū)公路管理局，平潭350400)

重力式擋墻是道路工程設(shè)計(jì)中最常用的支擋型式，重力式擋墻又分為仰斜式、俯斜式、衡重式等多種型式，具體在設(shè)計(jì)中應(yīng)采用何種型式的擋墻，本文通過對(duì)三種不同型式重力式擋墻的土壓力及經(jīng)濟(jì)性等方面對(duì)比分析，闡述了如何進(jìn)行路堤擋土墻選型以及重力式擋墻的適用條件。

路堤擋土墻重力式擋墻選型

重力式擋土墻墻身自重支撐土壓力來維持其穩(wěn)定。重力式擋墻型式簡(jiǎn)單，施工方便，適應(yīng)性較強(qiáng)，因此被廣泛運(yùn)用。但由于其圬工數(shù)量較大，對(duì)地基承載力要求較高。常用的擋墻截面型式為仰斜式、俯斜式、衡重式三種，由于不同擋墻型式所受的土壓力不同，因此截面尺寸和擋墻基底應(yīng)力均不同，本文通過在相同條件下對(duì)三種擋墻型式進(jìn)行受力特征和經(jīng)濟(jì)比較，為道路工程擋墻設(shè)計(jì)提供參考。

1 路堤擋土墻選型分析

1.1 擋墻設(shè)計(jì)參數(shù)

為方便比較，本文按路堤填土高度0m、4m、8m控制，并為三種擋墻選用的相同的設(shè)計(jì)參數(shù)，參數(shù)選擇參考《公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》(JTG D30-2015)。具體如下表1。

表1 擋墻設(shè)計(jì)參數(shù)

計(jì)算僅考慮一般地區(qū)擋墻，取用荷載組合Ⅰ、Ⅱ。

1.2 擋土墻土壓力計(jì)算

作用在擋土墻墻背上的主動(dòng)土壓力，一般按庫倫理論計(jì)算。

庫倫主動(dòng)土壓力基本公式,如公式(1)。

式中，Ea為主動(dòng)土壓力(kN)；γ為土的容重(kN/m3)； H為擋土墻高(m)；Ka為庫倫土壓力系數(shù)。

1.3 擋土墻穩(wěn)定驗(yàn)算及強(qiáng)度計(jì)算

擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動(dòng)和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強(qiáng)度、基底應(yīng)力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后，應(yīng)進(jìn)行墻的穩(wěn)定及強(qiáng)度驗(yàn)算。

(1)滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋土墻沿基底的滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc應(yīng)不小于1.3，計(jì)算公式如式(2)。

式中，W為擋土墻自重；Ex、Ey為主動(dòng)土壓力的水平和垂直分力(kN)；f為基底摩擦系數(shù)。

(2)傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算

擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)不小于1.5，計(jì)算公式如式(3)。

式中，Zx為Ey對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂(m)；ZY為Ex對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂(m)；為對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂(m)。

(3)基底應(yīng)力及偏心驗(yàn)算

基底的合力偏心距e的計(jì)算公式如式(4)：

式中，[σ]為地基土修正后的容許承載力(kPa)。

(4)墻體截面強(qiáng)度驗(yàn)算

通常選取1～2個(gè)截面進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算截面可選在基礎(chǔ)底面、1/2墻高處或上下墻交界處等。墻身截面強(qiáng)度驗(yàn)算包括法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的驗(yàn)算。剪應(yīng)力包括水平剪應(yīng)力和斜剪應(yīng)力兩種，重力式擋土墻只驗(yàn)算水平剪應(yīng)力。

1.4 計(jì)算結(jié)果

根據(jù)數(shù)值分析軟件計(jì)算，表2、3、4分別為仰斜式、衡重式、俯斜式擋墻在相同參數(shù)條件下滿足穩(wěn)定性及強(qiáng)度的計(jì)算結(jié)果。

表2 仰斜式擋墻計(jì)算結(jié)果

表3 衡重式擋墻計(jì)算結(jié)果

表4 俯斜式擋墻計(jì)算結(jié)果

1.5 計(jì)算分析

對(duì)仰斜式、衡重式、俯斜式擋墻分別從擋墻截面面積、主動(dòng)土壓力、墻趾部壓應(yīng)力對(duì)比圖1～3可以看出，在相同墻高及擋墻計(jì)算參數(shù)一致的情況下仰斜墻背所受的土壓力為最小，衡重墻背次之，俯斜墻背較大；因此仰斜式的墻身斷面較經(jīng)濟(jì)，且對(duì)地基承載力要求較低。這是由于仰斜式擋墻墻背后仰，在破裂角范圍內(nèi)的填土重度最小，因此所受的主動(dòng)力較小。俯斜式擋墻墻背后俯，在破裂角范圍內(nèi)填土重度最大，故俯斜式擋墻所受主動(dòng)土壓力最大。衡重式擋墻墻背介于兩者之間，因此受力居中。

圖1 表面面積對(duì)比圖

圖2 主動(dòng)土壓力對(duì)比圖

圖3 墻趾壓應(yīng)力對(duì)比圖

2 路堤擋土墻適用條件

路堤擋土墻是道路工程設(shè)計(jì)中由于路線附近存在構(gòu)筑物、河流等有避讓需要時(shí)設(shè)置，或者現(xiàn)狀地面坡度較大，造成填方階數(shù)過大以及薄填的時(shí)候施工機(jī)具不好碾壓而在設(shè)計(jì)中考慮設(shè)置擋墻。

在確定需要設(shè)置支擋措施收坡的情況下，首先需考慮設(shè)計(jì)的用地范圍，因?yàn)橹亓κ綋鯄ι砑皳鯄A(chǔ)均較大，當(dāng)臨近建筑物較近時(shí)，則無法實(shí)施需考慮其他的支擋措施；其次在確定可以實(shí)施重力式擋墻的情況下，則要從墻身截面尺寸、地基土承載力、場(chǎng)地施工條件等去選用重力式擋墻。下面結(jié)合擋墻計(jì)算結(jié)果及分析分別闡述三種重力式擋墻的適用條件。

2.1 仰斜式擋墻適用條件

在上述的擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果和對(duì)比分析中，我們可以看出仰斜式擋墻在相同條件下墻身面積最優(yōu)且對(duì)地基承載力要求較低，但由于仰斜式擋墻墻背后仰，后部存在三角區(qū)域，導(dǎo)致施工機(jī)具無法對(duì)該塊區(qū)域的填料進(jìn)行壓實(shí)；由于面坡后仰在橫坡較陡的情況下，擋墻基礎(chǔ)埋置深度需用墻趾前的安全襟邊寬度來控制，導(dǎo)致仰斜式擋墻墻身高度較其他類型擋墻要高，擋墻的經(jīng)濟(jì)性降低。所以仰斜式擋墻適用于在地面平坦的路肩墻和路堤墻。

2.2 衡重式擋墻適用條件

在上述的擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果和對(duì)比分析中，我們可以看出衡重式擋墻墻身面積和地基承載力均居中。衡重式擋墻采用陡直的墻面，比仰斜式擋墻占地少；墻背在上下墻間設(shè)有衡重臺(tái)，利用衡重臺(tái)上填土的重力使全墻重心后移，從穩(wěn)定性計(jì)算表中可以看出墻趾墻踵壓應(yīng)力接近，增加了墻身的穩(wěn)定；下墻采用仰斜墻背，可以減小基礎(chǔ)寬度，減少開挖工作量，但存在三角區(qū)域，無法機(jī)械壓實(shí)。所以衡重式擋墻適用于山區(qū)地形陡峻處的路肩墻和路堤墻。

2.3 俯斜式擋墻適用條件

在上述的擋墻穩(wěn)定性驗(yàn)算結(jié)果和對(duì)比分析中，我們可以看出俯斜式擋墻墻身面積和地基承載力均較大。俯斜式擋土墻采用陡直的墻面，占地少；俯斜墻背的坡度緩，施工方便；在有石料來源且地基承載力較好的路段可以采用俯斜式擋墻作為路肩墻和路堤墻。

3 結(jié)束語

本文在相同的擋墻計(jì)算參數(shù)的條件下對(duì)仰斜式、衡重式、俯斜式擋墻按不同填土高度分別計(jì)算。在擋墻穩(wěn)定均滿足的情況下對(duì)三種擋墻在墻身截面面積、主動(dòng)土壓力、基礎(chǔ)壓應(yīng)力進(jìn)行對(duì)比分析，并根據(jù)分析結(jié)果分別闡述了擋墻的適用條件。在地形地貌復(fù)雜的道路工程中，擋墻占比較大，因此在安全性、經(jīng)濟(jì)性的情況下合理的選擇擋墻型式顯得尤為重要。

[1]陳忠達(dá).公路擋土墻設(shè)計(jì)[M].北京:人民交通出版社,1999.

[2]JTGD30-2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

[3]JTG F10-2006，公路路基施工技術(shù)規(guī)范[S].

[4]交通部第二勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)《路基》[M].北京:人民交通出版社,1996.