某省道重力式擋土墻加凸榫受力性能優(yōu)化分析

某省道重力式擋土墻加凸榫受力性能優(yōu)化分析摘要：在國(guó)省道的建設(shè)過程中，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一定的填挖方情況，尤其是山區(qū)公路，若是通行的路段有用地紅線控制或是經(jīng)過基本農(nóng)田控制區(qū)，設(shè)置擋土墻便是一種有效的避讓方法，其能顯著減少公路工程的建設(shè)用地，降低對(duì)周邊環(huán)境的擾動(dòng)。重力式擋土墻施工工藝簡(jiǎn)單、成熟，是公路工程中最常使用的擋土墻形式。本文以某省道改建項(xiàng)目為工程依托，分別分析了重力式路堤墻帶凸榫與不帶凸榫的力學(xué)特性和穩(wěn)定性，同時(shí)對(duì)擋土墻的截面樣式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高其結(jié)構(gòu)抗力，總結(jié)重力式擋土墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)，為相似工程提供參考。關(guān)鍵詞：凸榫；擋土墻；截面設(shè)計(jì)1概述隨著我國(guó)交通運(yùn)輸行業(yè)的不斷完善與發(fā)展，國(guó)省道公路網(wǎng)也愈發(fā)的密集和發(fā)達(dá)，在山區(qū)公路的建設(shè)過程中，由于路線縱坡和高程的控制，不可避免的會(huì)出現(xiàn)一些較高填、挖方邊坡的路段，合理的設(shè)置擋土墻可以有效收坡，減少土石方數(shù)量，從一定程度上降低對(duì)自然環(huán)境的擾動(dòng)。當(dāng)公路確需穿越某些不良地質(zhì)路段時(shí)，設(shè)置擋土墻可以穩(wěn)定邊坡，保證路基的承載能力。擋土墻的形式多樣，不同墻型也有著不同的墻身材料，常用的擋土墻形式有重力式、衡重式、懸臂式、扶壁式以及樁板式等，它們都有各自不同的適用條件。具體設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)該因地制宜，綜合考慮施工工藝水平、填挖方高度、地基承載力、耐久性及工程造價(jià)等因素，選擇最佳墻型。本文基于廣東省某實(shí)際的工程案例，針對(duì)重力式擋土墻展開設(shè)置防滑凸榫前后的力學(xué)性能對(duì)比分析，而后對(duì)其截面形式進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，提高擋墻抗力，可為類似工程提供經(jīng)驗(yàn)參考。2凸榫對(duì)結(jié)構(gòu)抗力的提升機(jī)理重力式擋土墻作為路基防護(hù)工程中的常用結(jié)構(gòu)形式，由于其構(gòu)造形式簡(jiǎn)單、施工方便、工程造價(jià)低及適用性強(qiáng)等特點(diǎn)被廣泛公路、鐵路、建筑等基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)領(lǐng)域中，其主要依靠結(jié)構(gòu)的自身重力來維持其穩(wěn)定性，以抵抗外界的土壓力、汽車、人群等荷載。擋墻墻背線形一般有俯斜式、仰斜式直立式以及折線形（衡重式）。擋土墻的受力分析一般從墻身強(qiáng)度、地基承載力、抗傾覆及抗滑移四個(gè)方面進(jìn)行分析。對(duì)于抗滑穩(wěn)定性而言，可以通過換填基底材料、采用擴(kuò)大基礎(chǔ)、增大基底斜率設(shè)置防滑凸榫等措施來加強(qiáng)。凸榫的設(shè)置相當(dāng)于給墻體施加了一個(gè)“錨定作用力”，該力的本質(zhì)即為凸榫前土體的被動(dòng)土壓力及一部分的基底摩擦力，其能有效抵消墻體受到的滑動(dòng)推力。3工程實(shí)例以某省道二級(jí)公路收坡路堤墻為例，由于其交通量較大，來往行人多，考慮基本組合下的抗傾覆穩(wěn)定安全系數(shù)取值為1.5，抗滑移穩(wěn)定安全系數(shù)取值為1.3，且該路段穿越一小型魚塘，土基已進(jìn)行碎石土的整體換填處理，基底摩擦系數(shù)取0.55，墻背回填粗粒土，墻高3.5m，墻頂上部土層高2m。工程地質(zhì)條件及墻身設(shè)計(jì)參數(shù)取值如下：表1墻背填土及地基設(shè)計(jì)參數(shù)表2墻身材料設(shè)計(jì)參數(shù)基于等代土層的設(shè)計(jì)方法，墻頂荷載有堆土荷載、汽車荷載、行人荷載，不考慮地震作用效應(yīng)。在基本組合作用下，保證擋土墻的安全和正常使用時(shí)，加凸榫前后的墻體的受力性能分析如下。表3計(jì)算結(jié)果序號(hào)擋土墻形式仰斜重力式抗滑移安全系數(shù)Kc抗傾覆安全系數(shù)Ko擋墻截面積㎡1基準(zhǔn)截面形式1.041（水平）1.7892.1742截面形式11.3422.1562.5333截面形式23.1801.7972.226圖1基準(zhǔn)截面形式（墻頂寬0.5不設(shè)置凸榫）圖2截面形式1（不帶凸榫）圖3截面形式2（帶凸榫）對(duì)比1、3兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)果可知，當(dāng)擋土墻的截面樣式類似，墻頂寬度一致均為0.5m時(shí)，僅改變擋土墻體的基底做法，墻身的穩(wěn)定情況，由基底不設(shè)置凸榫時(shí)的（地基土層水平向抗滑移驗(yàn)算不滿足，即Kc2<=1.300）抗滑移穩(wěn)定系數(shù)1.041，直接質(zhì)變?yōu)樵O(shè)置凸榫后的3.180，其抗滑移穩(wěn)定性得到了極大的增強(qiáng)，并且總體來說截面面積增加較少。對(duì)比1、2兩項(xiàng)計(jì)算結(jié)構(gòu)可知，不改變基底做法及墻身截面特性，而采用常規(guī)的直接增大擋墻體積的方法（墻頂寬度由0.5m加寬至0.6m）相對(duì)來說收效甚微。顯而易見，對(duì)比2、3結(jié)算結(jié)果可知，從實(shí)際工程造價(jià)的角度出發(fā)，不帶凸榫的擋土墻要滿足抗滑要求則必須加大截面尺寸，以致墻身材料用量增加較多，而帶凸榫的擋土墻與傾斜基底的擋土墻的工程造價(jià)差別不大?？偠灾?，結(jié)合上述擋土墻的截面設(shè)計(jì)方案及表3的計(jì)算成果可知，凸榫的增設(shè)可以顯著提高擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性，且相較于常規(guī)做法設(shè)置傾斜基底或是增大擋土墻的截面形式來說成效更好。4截面優(yōu)化設(shè)計(jì)設(shè)計(jì)凸榫[1]擋土墻沒有設(shè)置凸榫時(shí)，抗滑力主要由基底摩擦力承擔(dān)。設(shè)置凸榫后，抗滑力由兩部分組成，B2凸榫后的基底抗滑摩擦力與凸榫前被動(dòng)土壓力ｅp，B1凸榫前只有被動(dòng)土壓力而無摩擦阻力。凸榫高度ht計(jì)算公式為：式中，Kc為滑動(dòng)安全系數(shù)，Ea為主動(dòng)土壓力，f為基底摩擦系數(shù)，B2為凸榫前緣至墻踵的基底寬，若是中部壓應(yīng)力σ2不便于求取，則凸榫前的被動(dòng)土壓力ep可以近似按照以下公式計(jì)算：式中，σ1、σ2、σ3為墻趾、墻踵及凸榫前緣處基底的壓應(yīng)力。由《公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)》可知，凸榫寬度Bt可按以下經(jīng)驗(yàn)公式計(jì)算，取計(jì)算結(jié)果中的較大值為設(shè)計(jì)值：1）按截面上的彎矩控制計(jì)算：2）按截面上的剪力控制計(jì)算：式中，[σWL]為混凝土的容許彎曲拉應(yīng)力，[σj]為混凝土的容許剪應(yīng)力[2]。圖4帶凸榫擋土墻基底受力分析圖4.2截面設(shè)計(jì)不難得出，凸榫設(shè)置位置的不同，對(duì)擋墻結(jié)構(gòu)的抗滑性能增幅程度亦不相同。設(shè)置位置由墻趾到墻踵其抗滑性能一般是逐漸遞增的，分析這一結(jié)果的原因應(yīng)該是，在擋墻基底寬度不變的情況下，凸榫越靠近墻踵，可能出現(xiàn)的滑移圓弧曲線長(zhǎng)度越長(zhǎng)、范圍越大，可利用的基底摩擦力越大，即擋土墻的抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)也就越大[3]?？紤]到擋土墻基底的構(gòu)造要求以及施工的便利性，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)常將凸榫設(shè)置于擋土墻基底的中部附近，此時(shí)凸榫的受力狀態(tài)相對(duì)均衡。一般來說，在滿足有關(guān)技術(shù)規(guī)范提及的構(gòu)造要求前提下，凸榫對(duì)墻身結(jié)構(gòu)的“抗力增幅”與凸榫的尺寸規(guī)格呈正相關(guān)。5結(jié)語(yǔ)本文從實(shí)際的工程案例出發(fā)，同時(shí)結(jié)合《公路路基設(shè)計(jì)手冊(cè)》中凸凸榫的作用原理，分別闡述了設(shè)置凸榫與不設(shè)置凸榫對(duì)擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性的影響以及對(duì)受力性狀的改善程度。不難得出，相較于傳統(tǒng)的單純加大重力式擋土墻的體積來提高抗滑性能來說，設(shè)置凸榫的效果將更為顯著，而且相對(duì)來說還能有效降低工程造價(jià)。[1]安永昌.山區(qū)公路擋墻防護(hù)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用[D