某豎直擋墻應力分析及工程措施選擇

李 陶

(黔南州水利水電勘測設計院項目管理中心，貴州 都勻 558000)

1 工程概況

某豎直C15混凝土擋墻高17.8m，頂寬7m，底寬7m，長30m，墻前常年有水，正常水位約5m，墻背側為非黏性土回填至墻頂，墻體無縱向及側向排水措施，回填區域土體平均寬度約20m，長度、高度同擋墻尺寸，擋墻結構示意圖如圖1所示。

圖1 擋墻結構示意圖

2 應力分析

2.1 二維應力分析

根據相關規范及資料選取計算參數、確定計算工況，對其應力狀態進行分析計算，計算成果見表1。

根據上述計算成果可知各工況下擋墻基底均會產生拉應力，但二維計算成果無法準確描述基底拉應力的作用方向、位置及范圍，因此可能會影響后續措施選擇的合理性和可靠性[1]。

2.2 三維應力分析

為進一步確定基底拉應力的作用方向、位置及范圍，同時檢驗二維計算成果，現對該擋墻進行了三維有限元分析計算，具體成果見圖2及表2。

圖2 擋墻應力分析計算圖

注：上圖從左至右分別為最大主拉應力分布圖、最大主壓應力分布圖、豎直向應力、水平向應力、剪應力、主應力矢量圖。

表2 擋墻應力極值計算成果表

注：表中正應力符號正為拉應力，負為壓應力。

根據上述計算成果分析可知：

1)擋墻應力極值出現在墻底，最大拉應力出現在墻底靠回填土側角點，最大主拉應力達到2.277MPa，最大豎直向拉應力達到1.356MPa，主拉應力方向傾斜與水平面大致呈45°角。

2)受墻背側回填區域土壓力、內外靜水壓力、墻底揚壓力影響，擋墻拉應力分布范圍較大，在擋墻底部豎直向拉應力分布范圍約占1/3墻寬，在高度方向也大致分布約1/3墻高。

3)墻底平均剪應力約0.5MPa，靠近截面內、外邊緣處剪應力值較大，約1.0MPa。

4)擋墻應力值在墻體底部較大，墻底至1/3墻高范圍內應力值明顯較大，上部2/3墻高范圍內，應力水平明顯降低。

綜上，三維計算成果可較為直觀的展示擋墻的應力狀態，對后續措施的合理選擇更為有利。

3 措施選擇分析

為消除基底拉應力對結構安全的影響，綜合考慮該擋墻自身的結構特點及受力情況，可嘗試從以下幾個角度提出相應處理措施。

3.1 對墻背側回填土體進行處理

因該擋墻墻背側為非黏性土回填至墻頂，回填高程較高，且墻體無縱向及側向排水措施，故針對其特點可對墻背側回填土體進行處理，以達到直接降低其土壓力、靜水壓力、揚壓力的效果，進而消除基底拉應力并滿足相關要求，主要思路可歸納如下：

1)置換處理：

通過工程措施直接置換該區域回填土體，如采用塊石置換回填土體、或對回填土區域進行高壓旋噴灌漿等，但該思路的施工難度較大、投資較高。

2)開挖處理：

經計算，可考慮對回填區域大部土體直接進行開挖處理，并增設縱向及側向排水措施，該思路較為簡潔，投資較小，但未綜合考慮回填區域土體的開挖難度、施工風險及后期管護需求。若將該思路作進一步延伸，以充分降低回填區域的開挖難度、施工風險，并確保后期管護需求為主要目的，可由對回填區域大部土體進行開挖處理調整為局部土體進行開挖處理，并輔以工程措施，如在開挖區域新增加筋土或衡重式擋墻等對未開挖回填土體形成二次攔擋以滿足要求，但延伸后的開挖處理思路施工難度雖有所降低、但投資增幅明顯。

綜上，雖然在墻背側對回填土體進行處理思路比較明確，但受回填區域平面尺寸較小、高度較高等客觀因素制約，其施工風險較大，投資較高。

3.2 對墻體沿主拉應力方向進行錨固

考慮到擋墻主拉應力區的范圍、方向、大小等特點，經計算后也可直接采用雙排或三排錨筋沿著主拉應力方向對墻體基底受拉區域進行錨固。該思路也較為明確，雖其投資較低，但施工難度較大，特別對是錨固角度的控制要求較高。

3.3 在墻外側增加支撐體

考慮到擋墻為直墻的結構特點，經計算，可在擋墻外側新增混凝土支撐體達到通過調整結構形心位置來改善其受力狀態以達到消除基底拉應力的目的，該思路清晰，施工難度較小、投資適中，該支撐體結構型式或可考慮如圖3所示。

圖3 支撐體結構示意圖

4 結 語

在對改善豎直擋墻應力狀態的工程措施進行選擇時，應充分考慮其自身結構特點和客觀條件限制，重視主拉應力區的范圍、方向、大小，以確保方案的科學合理，同時在滿足要求的前提下應優先考慮降低施工難度以確保施工安全及工程質量。