衡重式擋土墻斷面優(yōu)化設(shè)計研究

衡重式擋土墻斷面優(yōu)化設(shè)計研究

0擋土墻設(shè)計研究隨著現(xiàn)代技術(shù)的發(fā)展，中國的土木工程也逐漸進(jìn)入世界邊緣。在國家政策的推動下，我國的工程更是得到了世界的認(rèn)可。在工程建設(shè)中，為了克服高差、避免大填大挖、保障結(jié)構(gòu)物的穩(wěn)定，在鐵路、公路、水利等工程中常常修建擋土結(jié)構(gòu)物。它是一種經(jīng)過加工或處治的天然或人工結(jié)構(gòu)物，其主要荷載來自擋土結(jié)構(gòu)物的土壓力。黃岳文前人學(xué)者在擋土墻的研究中主要是以理論基礎(chǔ)、結(jié)構(gòu)形式和計算方法等方面進(jìn)行了研究，在設(shè)計中往往采用標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計。對模板圖庫的套用，使得擋土墻在設(shè)計中往往以驗算通過為主，并沒有針對相關(guān)的擋土墻進(jìn)行優(yōu)化、細(xì)化，對于工程實際的經(jīng)濟性有待提高。本文主要從擋土墻的優(yōu)化方面出發(fā)，以衡重式擋土墻的設(shè)計為實例，以說明擋土墻在設(shè)計中斷面尺寸優(yōu)化的必要性。1衡重臺的設(shè)置擋土墻的種類較多，衡重式擋土墻和重力式擋土墻在工程實際中往往應(yīng)用較多，衡重式擋土墻與重力式擋土墻的差異在于設(shè)置衡重臺，將墻身分為了上下兩段式結(jié)構(gòu)，其衡重臺上的覆土，使得衡重式擋土墻的重心向后移，減少圬工的同時提高了擋土墻的穩(wěn)定性，有利于提高墻身的高度。但同時也使得衡重式擋土墻相對于重力式擋土墻的結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜，對施工的難度和技術(shù)質(zhì)量要求更為嚴(yán)格。衡重式擋土墻一般所采用的墻高為4～12m，多用于10m范圍內(nèi)。2支撐墻設(shè)計2.1衡重式擋墻施工參數(shù)墻身截面尺寸是擋土墻重要的設(shè)計指標(biāo)，其主要包括墻高、上墻高、衡重臺寬度、面坡傾斜坡度、上墻背坡傾斜坡度、下墻背坡傾斜坡度、墻底逆坡、墻趾尺寸等參數(shù)。其截面尺寸如圖1所示。2.2理正軟件的應(yīng)用某工程擋土墻在設(shè)計中，選定衡重式擋土墻，墻身選用混凝土材料。擋土墻高度擬采用10m，結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)為1，墻后荷載根據(jù)實際情況選用均布荷載形式，換算土柱為0.5m。墻身選取C20混凝土，其重度為23kN/m在擋土墻設(shè)計中選用設(shè)計中常用的理正軟件進(jìn)行計算，對擋土墻的二維建模和設(shè)計有著快速簡潔的特性，在擋土墻的設(shè)計和驗算中運用廣泛，可適應(yīng)各種不同的工程地質(zhì)條件。所采用的圖紙截面尺寸為工程實際中相似的工程概況，選擇之前的擋土墻尺寸作為參考，其具體參數(shù)如表1所示。確認(rèn)擋土墻墻身尺寸后，采用公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行計算。加載位置在距離墻頂面4m處，如圖1中均布荷載值q通過計算結(jié)果，擋土墻在滿足抗滑移和抗傾覆性的要求中，能滿足規(guī)范要求。整體穩(wěn)定性也能滿足要求，但擋土墻斷面面積為36.37m2.3擋墻土壓力計算擋土墻的土壓力計算，通常是上墻和下墻分開考慮，在上墻土壓力計算中，通常不考慮下墻的影響。采用力多邊形法，是根據(jù)極限平衡狀態(tài)下作用下破裂體上諸力應(yīng)構(gòu)成閉合的力矢多邊形原理進(jìn)行計算的下墻土壓力。針對以上情況，減小地基不均勻應(yīng)力和墻體斷面尺寸，對擋土墻的斷面尺寸進(jìn)行優(yōu)化。在保障擋土墻滑移、傾覆、整體穩(wěn)定性的同時，主要通過改變上下墻背坡度m通過調(diào)研相關(guān)圖紙。依據(jù)以往工程設(shè)計經(jīng)驗，優(yōu)化后的擋土墻斷面尺寸，見表3。從工程的經(jīng)濟性而言，斷面優(yōu)化主要體現(xiàn)在擋土墻斷面面積的大小，如圖2所示。斷面面積從優(yōu)化前的36.37m2.4優(yōu)化前后擋土墻墻外應(yīng)力的變化現(xiàn)將擋土墻優(yōu)化前和優(yōu)化后兩種情況的計算結(jié)果進(jìn)行比較，將其滑移、傾覆、整體穩(wěn)定性進(jìn)行對比分析。從圖3可以得出，在經(jīng)過優(yōu)化后，優(yōu)化的擋土墻在滑移穩(wěn)定性k擋土墻的傾覆穩(wěn)定性k優(yōu)化前衡重式擋土墻和優(yōu)化后擋土墻的墻趾和墻踵對地基土壓應(yīng)力的變化情況如圖4所示。從圖4可以得出，擋土墻斷面尺寸優(yōu)化前的墻趾、墻踵壓應(yīng)力的差值較大，墻趾、墻踵壓應(yīng)力比值為2.045。優(yōu)化后擋土墻的墻趾、墻踵壓應(yīng)力變化減小，墻趾、墻踵壓應(yīng)力比值為1.5，優(yōu)化后的擋土墻有效地分散了墻底地基的壓應(yīng)力，這也與擋土墻斷面尺寸的形式變化有關(guān)。相較于優(yōu)化前，優(yōu)化后的擋土墻斷面，擋土墻的重心向擋土墻墻面坡方向進(jìn)行了移動，對擋土墻墻底的壓應(yīng)力均勻分布起到一定促進(jìn)作用，提高了結(jié)構(gòu)的安全性。因此，衡重式擋土墻對斷面形式的優(yōu)化不僅能提高工程實際的經(jīng)濟性，也能提高擋土墻結(jié)構(gòu)安全性，擋土墻的優(yōu)化是有意義的。2.5設(shè)計中的風(fēng)險因素現(xiàn)階段，擋土墻在設(shè)計中主要是驗證其滿足性，一般多采用試算的方法。在根據(jù)水文地質(zhì)條件、墻后填土條件等，經(jīng)過設(shè)計人員以往的工程經(jīng)驗進(jìn)行初步擬定方案，再進(jìn)行抗滑移、傾覆、整體穩(wěn)定性驗算。如果計算的結(jié)果不滿足其中的某項要求，則需要重新設(shè)計，然后再驗算，以此往復(fù)，直到滿足條件為止，過程繁雜，對于工程經(jīng)驗的依賴性比較強。在工程設(shè)計經(jīng)驗不多的設(shè)計人員中往往會耗費大量的時間進(jìn)行試算。為了解決這個重復(fù)試算的問題，在現(xiàn)有的研究中，雖然有諸多改良算法，但成效并不明顯，有時雖然能得到接近最佳的數(shù)據(jù)，但工程經(jīng)驗中實際的問題卻不可避免，數(shù)據(jù)只能在一定程度上滿足計算的要求，但對于風(fēng)險因素的考量，還需要經(jīng)驗豐富的工程人員加以明確，為支擋結(jié)構(gòu)的設(shè)計增加安全儲備。在擋土墻等結(jié)構(gòu)物的設(shè)計中，針對不同的地質(zhì)情況，有不同的方案方法。當(dāng)然為了更好地適應(yīng)工程情況，國家建筑標(biāo)準(zhǔn)圖集也是很好的設(shè)計方案。在諸多設(shè)計人員中，在圖集的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計參數(shù)上，往往根據(jù)設(shè)計所在地區(qū)的水文地質(zhì)情況，在結(jié)構(gòu)物的設(shè)計參數(shù)上進(jìn)行了優(yōu)化的調(diào)整，使得設(shè)計時只需要通過驗證計算，不再需要重新設(shè)計，這樣能加快工程設(shè)計進(jìn)度，提高設(shè)計人員工作效率。這樣的設(shè)計過程對有工程經(jīng)驗積累豐富的設(shè)計人員的確是有利的，但對工程實際經(jīng)驗不足的設(shè)計人員而言就成為了機械性的工作，在設(shè)計中不能很好地積累經(jīng)驗，不利于職業(yè)生涯的成長。在高效率的社會工作環(huán)境中，針對不同的工程地質(zhì)地區(qū)，設(shè)計人員往往都有自己的套圖，在驗算滿足要求后，就直接出圖使用。這樣雖然能滿足現(xiàn)有實際需求，但不根據(jù)工程實際進(jìn)行優(yōu)化，往往會對結(jié)構(gòu)物的合理性和經(jīng)濟性造成一定的影響。如本文所提的衡重式擋土墻的優(yōu)化設(shè)計，雖然同樣能滿足工程實際要求，但墻底處墻趾、墻踵的壓應(yīng)力分布情況也同樣重要，不同的壓應(yīng)力分布情況對擋土墻遠(yuǎn)期所產(chǎn)生的效果不同。因此，在工程設(shè)計中，采用套圖可行，但宜根據(jù)不同的工程條件進(jìn)行優(yōu)化，考慮風(fēng)險因素，盡量減少和避免潛在的安全隱患，兼顧設(shè)計的安全性和經(jīng)濟性。3衡重式擋土墻設(shè)計的基本過程(1)擋土墻設(shè)計影響因素很多，擋土墻的高度決定了擋土墻的選用類型，墻后填土的物理參數(shù)、擋土墻斷面尺寸等，在擋土墻的設(shè)計計算中，得到不同的計算結(jié)果。(2)在擋土墻計算結(jié)果中，符合擋土墻的安全穩(wěn)定性要求并不決定著擋土墻的最佳性，如本文所述的墻趾、墻踵的基底壓應(yīng)力的分布情況，應(yīng)盡可能地在擋土墻設(shè)計中基底的壓應(yīng)力均勻分布，減小墻趾、墻踵基底的壓應(yīng)力比值，避免出現(xiàn)地基局部破壞的情況。(3)根據(jù)實際經(jīng)驗，通過改變擋土墻墻背坡、墻面坡、墻底斜坡度等相關(guān)參數(shù)，充分了解衡重式擋土墻的作