重力式擋渣墻斷面型式對基底應力極值比的影響研究

臺秉洋

(遼寧省水利水電勘測設計研究院，遼寧 沈陽 110006)

擋渣墻是水土保持工程的重點內容，重力式擋渣墻結構簡單、施工容易、取材方便，在水利水電、城鎮市政、交通、港口等工程建設中使用比較廣泛[1]。擋渣墻斷面結構型式及尺寸應通過抗滑穩定、抗傾覆穩定和基底應力計算等確定[2]，一般是憑經驗或多次試算來確定[3]，不斷調整斷面結構型式及尺寸，直到滿足設計要求。目前，我國科研人員對重力式擋渣墻截面設計已經進行了一些研究，如黃太華[4- 6]、陳棟梁[7- 8]、黃愛民[9]、吳曉楓[10]等，但這些研究多注重抗滑穩定、抗傾覆穩定及最大基底應力等指標的滿足情況，而忽略了基底應力的最大值與最小值之比這一指標，而實際工作中這一指標常常較大，不容易達到規范標準，需要設計人員反復試算，頗為費事。擋渣墻基底應力的最大值與最小值之比這一指標主要是控制擋渣墻不均勻沉降，如果該指標過大，可能發生不均勻沉降導致墻身傾斜，危及擋渣墻安全。文章設計了9種重力式擋渣墻斷面型式，分析研究不同斷面型式對基底應力最大值與最小值之比的影響，為重力式擋渣墻設計提供理論依據。

1 技術方法及路線

文章選取某工程棄渣場為實例，應用理正巖土5.11軟件對重力式擋渣墻進行計算。在保證其他設計參數不變以及擋渣墻斷面面積基本相同(工程量基本相同)的前提下，設計不同擋渣墻斷面型式，比較不同斷面型式對基底應力最大值與最小值之比的影響。

2 擋渣墻設計基本參數

某工程棄渣場位于遼寧省綏中縣境內，為溝道型棄渣場，棄渣場溝口至溝頂長270m，最大堆渣高度16m，棄渣成梯級臺階形式堆置，具體堆置形式如圖1所示。擋渣墻設計基本參數詳見表1。

圖1 棄渣堆置形式斷面圖

序號項目單位參數值1擋土墻類型 抗震區擋土墻2地基土類型 土質地基3擋渣墻類型 漿砌石擋渣墻4地基土摩擦系數 0.55墻后填土內摩擦角(°)356墻后填土黏聚力kPa07墻后填土容重kN/m3208墻背與墻后填土摩擦角(°)17.59地基土容重kN/m31810墻底摩擦系數 0.411地基土內摩擦角(°)3012地震烈度 設計烈度7°13抗震基底容許偏心距 B/514土壓力計算方法 庫倫

表2 墻身斷面設計型式及尺寸表

3 擋渣墻斷面型式設計

文章將擋渣墻斷面分為兩種設計情況，分別為背坡傾斜型式(簡稱“背斜”)和面坡傾斜型式(簡稱“面斜”)。在兩種設計情況基礎上細分了背斜(基本型式)、背斜+墻趾、背斜+墻踵、背斜+墻底傾斜(簡稱“底斜”)、面斜(基本型式)、面斜+墻趾1、面斜+墻趾2、面斜+墻踵、面斜+底斜等9種斷面型式組合。各斷面設計型式及尺寸詳見表2。各斷面型式設計圖如圖2所示。

圖2 各斷面型式設計圖

4 結果與分析

應用理正巖土5.11軟件，輸入擋渣墻設計基本參數以及墻身斷面尺寸等數據，進行擋渣墻驗算，得出各墻身斷面型式的基地應力的計算結果，計算結果見表3。

根據計算結果，背斜型式基底應力最大值與最小值之比在一般情況下為3.808，地震情況下為4.510；面斜型式基底應力最大值與最小值之比在一般情況下為2.107，地震情況下為1.621。可以看出，面斜型式比背斜型式基底應力最大值與最小值之比小，更容易達到規范允許值。

背斜+墻趾型式在背坡傾斜這種設計情況中，基底應力最大值與最小值之比最小(一般情況下為1.217，地震情況下為1.327)，相比單純的背斜型式，有效地降低了基底應力最大值與最小值之比。

面斜+墻踵型式在面坡傾斜這種設計情況中，基底應力最大值與最小值之比較小(一般情況下為1.118，地震情況下為1.364)，相比單純的面斜型式，有效地降低了基底應力最大值與最小值之比。

在底斜與兩種基本型式組合中，背斜+底斜型式相比背斜型式，基底應力最大值與最小值之比在一般情況下降低了18.5%，在地震情況下減低了21.8%；面斜+底斜型式相比面斜型式，基底應力最大值與最小值之比在一般情況下降低了4.8%，在地震情況下減低了4.6%。可以看到，底斜與背斜、面斜兩種基本型式組合相比背斜、面斜兩種基本型式，基底應力最大值與最小值之比雖然有所降低，但是效果不明顯。

表3 各墻身斷面型式基底應力計算結果表

在背斜基本型式中，無論是一般情況還是地震情況，基底應力最大值均出現在趾部，在背斜+墻趾型式中增加了墻趾設計，結果基底應力最大值與最小值之比得到了明顯降低。而在背斜基本型式上增加墻踵設計的背斜+墻踵型式中，基底應力最大值與最小值之比不但沒有降低，反而有所升高。在面斜基本型式中，無論是一般情況還是地震情況，基地應力最大值均出現在踵部，在面斜+墻踵型式中增加了墻踵設計，結果基底應力最大值與最小值之比也得到了明顯降低。但是在面斜基本型式中增加墻趾設計，基底應力最大值與最小值之比卻出現了相反的結果，在面斜+墻趾1型式中，相比面斜基本形式，基底應力最大值與最小值之比有所增加(一般情況下增加22.2%，地震情況下增加22.9%)；而在面斜+墻趾2型式中，相比面斜基本形式，基底應力最大值與最小值之比明顯降低(一般情況下為1.125，地震情況下為1.168)，這是由于面斜+墻趾1型式與面斜型式比較，相當于增加了墻趾的長度，而面斜+墻趾2型式與面斜型式比較，相當于減少了墻趾的長度。綜合分析，無論是背斜型式還是面斜型式，基底應力最大值出現在趾部(踵部)，可以通過增加墻趾(墻踵)的長度，或減少墻踵(墻趾)的長度，能夠達到降低基底應力最大值與最小值之比的目的。

綜上所述，研究結果表明：

(1)面斜型式比背斜型式基底應力最大值與最小值之比小，更容易達到規范允許值。

(2)背斜+墻趾型式能夠有效降低基底應力最大值與最小值之比。

(3)面斜+墻踵型式能夠有效降低基底應力最大值與最小值之比。

(4)無論是背斜型式還是面斜型式，基底應力最大值都出現在趾部或踵部。若基底應力最大值出現在趾部，可以通過增加墻趾長度或減少墻踵長度，來降低基底應力最大值與最小值之比；若基底應力最大值出現在踵部，可以通過增加墻踵長度或減少墻趾長度，來降低基底應力最大值與最小值之比。

5 結語

文章以某工程棄渣場為實例，研究了重力式擋渣墻不同斷面型式對基底應力最大值與最小值之比的影響，能夠指導設計人員快速、有效地確定擋渣墻斷面型式，并滿足基底應力最大值與最小值之比這一指標的安全標準，避免設計人員盲目試算，為重力式擋渣墻設計提供了借鑒經驗及理論依據。

[1] 何善國. 病險及舊擋土墻加固改造途徑與措施探討[J]. 水利規劃與設計, 2013(02): 30- 34.

[2] SL575- 2012. 水利水電工程水土保持技術規范[S].

[3] 羅林. 重力式擋土墻斷面設計的優化[J]. 巖土工程技術, 2005, 19(05): 262- 267.

[4] 黃太華, 袁健. 關于重力式擋土墻截面尺寸確定方法的探討[J]. 巖土工程技術, 2004, 18(05): 242- 247.

[5] 黃太華, 饒英明, 譚萍. 關于擋土墻的地基承載力驗算及抗傾覆穩定性驗算方法的探討[J]. 巖土工程技術, 2003(06): 315- 318.

[6] 黃太華, 袁健, 唐小弟. 重力式擋土墻設計簡化方法[J]. 路基工程, 2008(02): 68- 69.

[7] 陳棟梁, 黨進謙. 重力式擋土墻的截面優化設計研究[J]. 巖土力學, 2007, 28(09): 1969- 1973.

[8] 陳棟梁, 黨進謙. 重力式擋土墻優化設計和計算參數影響分析[J]. 路基工程, 2006(01): 18- 20.

[9] 黃愛民. 重力式擋土墻截面尺寸快速確定方法[J]. 湖南水利水電, 2009(02): 31- 32.

[10] 吳曉楓. 擋土墻抗傾覆穩定性及地基承載力驗算探討[J]. 路基工程, 2008(03): 90- 91.