衡重式與扶壁式擋土墻穩(wěn)定性對比分析

陳彥剛 CHEN Yan-gang

（昆明喆凱工程技術(shù)有限公司，昆明 650500）

0 引言

衡重式擋土墻作為我國特有的一種巖土支護(hù)結(jié)構(gòu)，在西部山區(qū)道路建設(shè)中起著重要作用，但是西部山區(qū)多處于高烈度地震帶，地勢情況復(fù)雜，而衡重式擋土墻因其自重較大，地基要求較高等原因，在地勢環(huán)境變化較大的地區(qū)易出現(xiàn)病害，而后病害又會導(dǎo)致道路受損、橋梁破壞、邊坡失穩(wěn)等，嚴(yán)重影響了公路和橋梁的安全運(yùn)營，危害人民群眾的生命和財(cái)產(chǎn)安全。目前，因規(guī)范尚不完善，設(shè)計(jì)、施工互為獨(dú)立等多方面的原因，使得擋土墻的設(shè)計(jì)依賴于設(shè)計(jì)師的經(jīng)驗(yàn)以及現(xiàn)有圖集，這會造成設(shè)計(jì)方案始終無法完美契合現(xiàn)場情況，易使擋土墻在安全性和耐久性上出現(xiàn)問題，為了修復(fù)設(shè)計(jì)、施工中的缺陷，解決出現(xiàn)的安全性問題，又會耗費(fèi)大量的人力物力財(cái)力，造成更大的損失[1]。因地制宜的選擇合適的擋墻形式或設(shè)計(jì)優(yōu)化方法能夠在保證道路、橋梁安全運(yùn)營的同時節(jié)省造價，降低經(jīng)濟(jì)損耗，這對于日后的基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)有著重要的意義[2]。

本文通過對某公路一處擋土墻的改造設(shè)計(jì)，分析了該擋土墻的損害原因，并結(jié)合項(xiàng)目情況，制定了全新的擋墻方案，通過對比兩種方案計(jì)算結(jié)果，分析得出不同擋墻的適用情況及優(yōu)缺點(diǎn)，并針對此類情況指出現(xiàn)階段擋土墻的設(shè)計(jì)缺陷，討論一些解決辦法。為今后該類項(xiàng)目的設(shè)計(jì)提供部分設(shè)計(jì)參考。

1 項(xiàng)目概況

1.1 項(xiàng)目背景

本文依托某公路一處衡重式擋土墻，該擋土墻由于發(fā)生一定程度的傾覆，已屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，有較大的安全隱患，通過對擋墻周邊路基進(jìn)行采樣分析后，擬定傾覆原因?yàn)樵O(shè)計(jì)對地基承載力的估算不足，以及施工過程中對地基沉降不利因素的考慮不足，使得地基不均勻沉降過大，導(dǎo)致?lián)鯄Φ鼗休d力不足，最終擋土墻失穩(wěn)、傾覆。為了修復(fù)該擋土墻失穩(wěn)導(dǎo)致的安全隱患，設(shè)計(jì)單位通過實(shí)地考察，綜合考慮區(qū)域地形、地址、生態(tài)環(huán)境、施工條件、氣候變化等多種影響因素，并結(jié)合道路的設(shè)計(jì)方案以及前期勘探結(jié)果，最終商討決定對原設(shè)計(jì)的衡重式擋土墻進(jìn)行拆除，重新選擇扶壁式擋土墻作為支護(hù)結(jié)構(gòu)[3]。

1.2 理論依據(jù)

為了驗(yàn)證方案的有效性，先應(yīng)對擋土墻進(jìn)行受力分析，然后根據(jù)擋土墻的受力情況選擇合理的理論和模型假定對方案進(jìn)行計(jì)算。

擋墻的差異主要表現(xiàn)在對墻后荷載的抵抗能力及抵抗形式上，因此，擋墻的計(jì)算最重要的便是荷載的模擬。目前，工程界認(rèn)為擋土墻上的荷載變化是由土壓力和墻后填土超載所造成的，現(xiàn)階段常用的計(jì)算理論主要有庫倫定理和朗肯理論，兩種理論對力學(xué)模型的假定和工程實(shí)踐中的擋土墻墻后土壓力有一定的誤差，庫侖、朗肯計(jì)算土壓力的經(jīng)典理論都假定了滑裂面為同一平面，在一些工程實(shí)際情況下或者復(fù)雜的地質(zhì)條件下，滑移面往往都是復(fù)雜的曲面，由此會導(dǎo)致計(jì)算誤差偏大或者偏小，用庫倫公式在計(jì)算主動土壓力時，對墻背的傾覆角計(jì)算值會隨傾覆角的增大而增大，而計(jì)算被動土壓力時，會因?yàn)榛衙娴募俣▽?dǎo)致誤差較大，也會隨著摩擦角的增大而增大，誤差有可能式幾倍或者是幾十倍。朗肯理論因假定墻背豎直，光滑，填土面水平，主動土壓力的計(jì)算值會偏大，被動土壓力與實(shí)際相差不大。但是由兩大理論計(jì)算出的擋土墻在工程的實(shí)際表現(xiàn)來看，產(chǎn)生的誤差在工程設(shè)計(jì)允許的誤差內(nèi)，所以兩大理論一直是常規(guī)擋土墻的設(shè)計(jì)理論基礎(chǔ)[4]。

考慮到本項(xiàng)目擋土墻地基承載力不足，地基沉降較大，墻背的不均勻傾斜也較為明顯，因此本文將采用庫倫定理計(jì)算擋墻的受力，并對比分析。

2 結(jié)果對比

原設(shè)計(jì)的衡重式擋土墻設(shè)計(jì)過程中，考慮的地基承載力設(shè)計(jì)值為360kPa，由于項(xiàng)目位于山區(qū)路段，氣候多變，未考慮因大量雨水下滲（路面結(jié)構(gòu)層施工前多日大雨，降雨量較大）造成地基持力層承載力降低，產(chǎn)生不均勻沉降，引起滑移、傾覆，因此對于加固擋土墻設(shè)計(jì)可以從增加地基承載力方向考慮，但因現(xiàn)擋墻發(fā)生較大角度的傾覆，且公路路面已基本施工完成，對現(xiàn)有衡重式擋土墻進(jìn)行加固時，無法控制對現(xiàn)有路面的破壞，并且加固成本較高，加固后的耐久性也無法保證，綜合考慮后，設(shè)計(jì)單位決定放棄該種加固方法，換為拆除現(xiàn)有擋土墻更換為扶壁式擋土墻。原設(shè)計(jì)衡重式擋土墻高H=11m，擋墻墻背內(nèi)摩擦角30°，擋墻斷面如圖1所示。

圖1 原方案擋墻斷面圖

墻身截面尺寸是擋土墻設(shè)計(jì)的重要指標(biāo)，主要包括墻高、上墻高度、衡重臺寬度、面坡傾角、墻背坡坡度等參數(shù)，具體尺寸如表1所示。

表1 原方案擋墻尺寸

在擋墻設(shè)計(jì)計(jì)算中，使用理正軟件輔助進(jìn)行計(jì)算，對擋土墻進(jìn)行二維建模計(jì)算，確定擋土墻的墻身尺寸后，采用公路行業(yè)現(xiàn)行標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計(jì)算，加載位置在距離墻頂4.4m處，均布荷載qk=10kPa，下墻土壓力計(jì)算方法采用多邊形法，墻背和墻后填料摩擦角取值為15°。

表2為計(jì)算結(jié)果，擋墻抗滑移安全系數(shù)為1.372＞1.3，抗傾覆安全系數(shù)為2.724＞1.3，墻趾地基承載力驗(yàn)算346.557kPa＜360.000kPa，墻踵處地基承載力317.695kPa＜360.000kPa，滿足邊坡規(guī)范要求。

表2 計(jì)算結(jié)果表

扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，構(gòu)造簡單，施工方便，墻身斷面減小，自身質(zhì)量輕，由墻面板（立壁）、墻蹱板、墻趾板和扶肋（扶壁）組成，沿懸臂式擋土墻的墻長，每隔一定的距離增設(shè)扶肋，把墻面板和墻蹱板連接起來，扶壁式擋土墻的斷面圖及尺寸如圖2所示。

圖2 扶壁式擋土墻圖

計(jì)算過程仍采用理正軟件輔助進(jìn)行計(jì)算。計(jì)算結(jié)果如表3所示。

表3 計(jì)算結(jié)果表

表3計(jì)算結(jié)果，擋墻抗滑移安全系數(shù)為2.951＞1.3，抗傾覆安全系數(shù)為8.363＞1.3，墻趾地基承載力驗(yàn)算196.205kPa＜300.000kPa，墻踵處地基承載力231.751kPa＜300.000kPa，滿足邊坡規(guī)范要求。

將兩種擋土墻的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，如圖3所示。從圖3中可看出，雖然扶壁式擋土墻的截面面積更小，但其抗滑穩(wěn)定性和傾覆穩(wěn)定性要優(yōu)于衡重式擋土墻，且扶壁式擋土墻的墻趾壓應(yīng)力和墻踵壓應(yīng)力也更小，使得結(jié)構(gòu)更不容易發(fā)生局部破壞，耐久性更好。

圖3 結(jié)果比較圖

綜上所述，對于本工程而言，扶壁式擋墻的整體力學(xué)性能優(yōu)于衡重式擋土墻，改用扶壁式擋土墻是較好的解決方案。

3 現(xiàn)階段擋土墻存在的問題

目前的擋墻設(shè)計(jì)主要是設(shè)計(jì)師依據(jù)自身的經(jīng)驗(yàn)來確定擋土墻種類，然后依據(jù)當(dāng)?shù)氐乃臓顩r、墻體后面的土質(zhì)狀況等因素，對斷面進(jìn)行估算，并對其進(jìn)行初步的規(guī)劃，然后進(jìn)行滑移、傾覆、整體穩(wěn)定性的校核，若達(dá)不到要求，則需要進(jìn)行反復(fù)的設(shè)計(jì)，如此反復(fù)，直至達(dá)到規(guī)范要求的結(jié)果，這種方法對設(shè)計(jì)者來說，實(shí)在是太過依靠經(jīng)驗(yàn)了，反復(fù)的過程損失了大量的精力。設(shè)計(jì)過程中過于依賴圖集和原先的設(shè)計(jì)成果，反復(fù)采用一系列的方案，忽略了地基承載力等關(guān)鍵因素，截面尺寸統(tǒng)一選擇同一尺寸，忽略了項(xiàng)目本身的特點(diǎn)，如墻背填土的力學(xué)性能，最后不僅在經(jīng)濟(jì)上造成損失，還有可能造成安全隱患，施工階段，施工方以自身的施工經(jīng)驗(yàn)出發(fā)，可能忽略了設(shè)計(jì)師的主觀意圖，在施工環(huán)境惡劣的情況下，不及時通知設(shè)計(jì)單位，進(jìn)行盲目處理，最終造成施工質(zhì)量問題。

4 結(jié)論

本文通過對某公路一處擋土墻修復(fù)前后結(jié)構(gòu)形式的計(jì)算分析，得出結(jié)論如下：

①擋土墻的設(shè)計(jì)受多種因素的影響，其類型取決于擋土墻的高度，而墻后填土的物理參數(shù)、擋土墻斷面尺寸是控制計(jì)算結(jié)果的主要參數(shù)，但結(jié)合本文計(jì)算結(jié)果，地基對擋土墻的影響同樣不同忽視。

②在合理范圍內(nèi)，要盡量使地基的壓應(yīng)力均勻分布，減小墻趾、墻踵壓應(yīng)力比值，避免出現(xiàn)地基的局部破壞，設(shè)計(jì)過程中應(yīng)充分考慮施工誤差，留有足夠的安全富余值。

③在實(shí)際工程中，應(yīng)結(jié)合工程實(shí)際，設(shè)計(jì)合理的擋墻形式及斷面大小，充分考量危險因子，最大限度地降低和消除施工中存在的安全隱患，保證擋土墻的安全性和可靠性。

④擋土墻作為一種結(jié)構(gòu)形式，在國內(nèi)還沒有得到很好的發(fā)展，有關(guān)的技術(shù)規(guī)范、技術(shù)手冊、應(yīng)用軟件和程序等方面的資料尚不完善，說明整個行業(yè)對它的重視程度還不高，還有待進(jìn)一步的發(fā)展，相關(guān)的研究文獻(xiàn)較少，關(guān)于擋土墻的整體分析和抗震理論的處理也很少，可能是因?yàn)樗膽?yīng)用范圍和研究的深度不夠深，所以在安全和經(jīng)濟(jì)方面，仍然存在著巨大的發(fā)展空間。