梁　橋，陳　翔，周文權(quán)

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南湘平路橋建設(shè)有限公司，長(zhǎng)沙 410075 )

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二級(jí)垛式新型懸臂式支擋結(jié)構(gòu)分析探討

梁橋1，陳翔2，周文權(quán)1

(1.湖南工程學(xué)院 建筑工程學(xué)院，湘潭 411104；2.湖南湘平路橋建設(shè)有限公司，長(zhǎng)沙 410075 )

為有效提高常規(guī)懸臂式結(jié)構(gòu)支撐高度，提出二級(jí)垛式新型懸壁式擋墻結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)采用類(lèi)似減壓平臺(tái)擋土墻整體土壓平衡計(jì)算模式，綜合考慮整體平衡及第二破裂面影響，合理選擇各級(jí)擋墻滑動(dòng)面及整體滑動(dòng)面，探討了二級(jí)垛式新型懸臂式擋墻的土壓力計(jì)算方法，通過(guò)工程實(shí)例對(duì)比研究顯示，二級(jí)新型懸臂式擋墻墻背受力更合理，穩(wěn)定性也優(yōu)于單級(jí)擋土墻，該方法為今后類(lèi)似工程的修建提出了一些設(shè)計(jì)建議.

垛式懸臂式擋墻；土壓力；計(jì)算方法；交替變形

長(zhǎng)期以來(lái)，石砌的重力式擋土墻和衡重式擋土墻被廣泛地采用，但由于重力式擋土墻的穩(wěn)定性主要依靠墻身自重來(lái)保證，因而墻身斷面較大，圬工量多，施工進(jìn)度慢，動(dòng)力的成本高，在地形困難，石料缺乏的地區(qū)應(yīng)用不便，因此采用鋼筋混凝土預(yù)制塊拼裝式擋土墻將是支擋結(jié)構(gòu)發(fā)展的方向之一，而懸臂(扶壁)式擋墻是其中的一種輕型的，易實(shí)現(xiàn)機(jī)械化，又能充分發(fā)揮材料的強(qiáng)度特性，同時(shí)還能依靠墻后填土來(lái)維持穩(wěn)定的柔性擋土墻[1].

近年來(lái)，懸臂式擋墻作為一種新型的支擋結(jié)構(gòu)，在工程應(yīng)用中較多，如在北京市政工程建設(shè)中廣泛運(yùn)用了裝配式鋼筋混凝土懸臂式路肩擋土墻，節(jié)約了用地[2][3]；在青藏鐵路高原凍土地帶，懸臂式擋墻更是作為唯一的支擋結(jié)構(gòu)而得到了廣泛的關(guān)注[4]；在湖南長(zhǎng)沙市湘江東岸防洪工程中，由于沿江較厚的雜填土層以及復(fù)雜的地下管線問(wèn)題限制了加筋土或錨桿等的可行性，因而采用了較為經(jīng)濟(jì)、合理的扶壁式擋墻這一結(jié)構(gòu)形式，比一般衡重式擋土墻節(jié)約污工量40%左右[5]，而在實(shí)際工程中，單級(jí)懸臂(扶壁)式擋墻有了比較完善的經(jīng)驗(yàn)可循，但是單級(jí)懸臂(扶壁)式擋墻的局限性還是存在，根據(jù)《規(guī)范》懸臂式擋墻最大高度為6 m，當(dāng)超過(guò)6 m的時(shí)候要增設(shè)扶壁，即使增設(shè)了扶壁，其高度也增加有限，滿足不了工程上的需要，為了進(jìn)一步提高懸臂式擋墻的支擋高度，擴(kuò)大其應(yīng)用范圍，充分發(fā)揮運(yùn)用這種支擋結(jié)構(gòu)的輕型，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，占地少，對(duì)基地應(yīng)力要求不高，能適用交替變形等特點(diǎn)，本文提出二級(jí)垛式新型懸臂(扶壁)式擋墻提高其支擋高度、并進(jìn)一步使其結(jié)構(gòu)輕型化進(jìn)行理論分析與工程應(yīng)用.

1　二級(jí)垛式懸臂式支擋結(jié)構(gòu)土壓力分析及計(jì)算模式

二級(jí)懸臂式支擋結(jié)構(gòu)是一種新型的支擋形式，這種形式的支擋結(jié)構(gòu)即可以發(fā)揮出一級(jí)擋墻的所有特點(diǎn)，還能使結(jié)構(gòu)進(jìn)一步輕型化，機(jī)械化，其應(yīng)用前景可觀，如圖1所示為二級(jí)懸臂式擋土墻，在國(guó)內(nèi)，梁波、王家東等曾經(jīng)對(duì)垛式新型懸臂式擋墻進(jìn)行過(guò)數(shù)值分析和應(yīng)用探討，從理論上證明了二級(jí)垛式擋土墻在受力上是可行的，可以將其應(yīng)用拓展到更高的防護(hù)需要[6][7].

圖1　二級(jí)懸臂式擋墻計(jì)算墻面

2　二級(jí)垛式懸臂式支擋結(jié)構(gòu)理論解析

對(duì)于二級(jí)懸臂式擋墻上墻而言，其土壓力的計(jì)算方法可參考《規(guī)范》[8]中的懸臂式擋墻的計(jì)算方法；但對(duì)于下墻，如果作用的均部荷載分布范圍較大，可以采用上述懸臂式擋墻作用有均部荷載時(shí)的土壓力計(jì)算情況，但當(dāng)墻頂為局部均布荷載分布的情況下，土壓力的計(jì)算又有所不同.

破裂面與豎直面夾角：

(1)

h0—擋墻上墻荷載等效高度

(2)

則土壓力可采用下述公式：

圖2　二級(jí)擋墻下墻土壓力簡(jiǎn)化計(jì)算示意圖

(3)

土壓力作用點(diǎn)位置為：

(4)

3　假想整體墻背條件下的理論解析

當(dāng)二級(jí)懸臂擋墻整體作用時(shí)，將采用類(lèi)似于有減壓平臺(tái)的擋土墻的土壓力計(jì)算方法，由于有減壓平臺(tái)的擋土墻的計(jì)算墻面為一個(gè)折線形的墻面，土壓力計(jì)算時(shí)采用的是非直線墻面上的土壓力計(jì)算方法，因此對(duì)于這種新型的懸臂式支擋結(jié)構(gòu)形式具體計(jì)算方法也采用類(lèi)似的方法，如圖3所示.

圖3　二級(jí)擋墻土壓力計(jì)算簡(jiǎn)圖

3.1滑動(dòng)面傾角θ的計(jì)算

(5)

式中α3—墻面DE與豎直平面之間的夾角(°)

則

(6)

從F點(diǎn)作水平面FM與DC面的延長(zhǎng)平面DM(豎直平面正交于M點(diǎn))，由圖3中的幾何關(guān)系可知，滑動(dòng)土體的體積為

(7)

式中

D=btanβ+H1+H2+H4

H1，H2，H4——分別為墻段AB，CD和DJ的高度(m)；

β——填土表面與水平面的夾角；

B——FM的長(zhǎng)度；

α——計(jì)算墻面GC與豎直面的夾角；

填土的主動(dòng)土壓力為：

(8)

式中λ0——土壓力系數(shù)，其值

(9)

式中ac——從G點(diǎn)到J點(diǎn)各段計(jì)算墻面與豎直面夾角的加權(quán)平均值，即

θ——填土滑動(dòng)面JF與豎直面的夾角

δc——填土與各段計(jì)算墻面的平均摩擦角，即

(10)

式中

滑動(dòng)面與豎直面的夾角為：

(11)

3.2作用在計(jì)算墻面GC上的土壓力

E1=γλ0V1

(12)

式中γ——填土的容重(kN/m3)；

λ0——土壓力系數(shù)，按上式λ0的算法求得，但式中ac=α，δc=φ；

V1——計(jì)算墻段GC時(shí)的滑動(dòng)土體GCH,即

(13)

式中

其中b為減壓平臺(tái)的寬度(m)，即AG水平距離，土壓力E1沿GC面呈三角形分布.

3.3作用在CD墻面上的側(cè)向土壓力

由于CD墻面是豎直的，故a2=0，因此作用在CD墻面上的土壓力強(qiáng)度為

(14)

(15)

同時(shí)，側(cè)向土壓力e2和E2與墻面CD的法線成δ角.

3.4作用在DE計(jì)算墻面上的側(cè)向土壓力

作用在DE計(jì)算墻面上的側(cè)向土壓力強(qiáng)度

(16)

式中

則作用在DE計(jì)算墻面上的側(cè)向土壓力

(17)

其中

4　工程實(shí)例

某市三環(huán)路與鐵路立交工程，在K23+385～

K23+486右側(cè)快車(chē)道填方最大高度為5 m，因?yàn)榈靥幊墙?，且地基承載力設(shè)計(jì)值[σ]=150 kPa，原考慮設(shè)計(jì)衡重式路肩擋土墻，經(jīng)驗(yàn)算，強(qiáng)身污工太大且料石需遠(yuǎn)運(yùn)，故設(shè)計(jì)懸臂式擋土墻，墻高H=5 m，底板的寬度L=3.5 m，厚度t=0.5 m，立板填土側(cè)表面與豎直面的夾角α=10，填土為無(wú)粘性土，容重γ=18.0 kN/m3，內(nèi)摩擦角φ=350，φ0=φ，填土與立板表面的摩擦角δ=100，底板與地基摩擦系數(shù)f=0.3，據(jù)此提出如圖4所示的二級(jí)懸臂式擋土墻方案與常規(guī)單級(jí)擋土墻對(duì)比分析.

圖4　二級(jí)懸臂式擋墻計(jì)算示意圖

通過(guò)對(duì)懸臂式擋墻土壓力與本文所設(shè)計(jì)的二級(jí)懸臂式擋墻土壓力進(jìn)行對(duì)比分析發(fā)現(xiàn)：

從作用在懸臂式擋墻立板上的土壓力來(lái)看，作用在一級(jí)懸臂式擋墻的土壓力為55.63 kN/m,而作用在二級(jí)懸臂式擋墻的最大土壓力為33.725 kN/m，重力擋墻最大土壓力達(dá)到73.35 kN/，也就是在同樣的條件下，懸臂式擋墻比重力式擋墻更能發(fā)揮出土的抗剪強(qiáng)度，而二級(jí)擋墻又比一級(jí)在受力方面更加的優(yōu)良，從構(gòu)造上來(lái)說(shuō)，二級(jí)擋墻所用的鋼筋材料應(yīng)該將比一級(jí)擋墻要少，而性能不會(huì)降低，詳細(xì)土壓力值如表1所示.

表1　二級(jí)懸臂式擋墻土壓力及安全系數(shù)表

從穩(wěn)定性分析來(lái)看，二級(jí)懸臂式擋墻在整體上除了繼續(xù)發(fā)揮出了一級(jí)懸臂式擋墻的高抗傾覆特點(diǎn)以外，還能在抗滑移方面與一級(jí)懸臂式擋墻比較接近，能夠達(dá)到規(guī)范的要求.不僅在整體上滿足要求，局部的穩(wěn)定性也能達(dá)到要求，不過(guò)對(duì)于下墻而言，由于其上有一定的荷載作用，對(duì)其穩(wěn)定性有一定的影響.

從基底應(yīng)力檢算來(lái)看，單級(jí)擋土墻最大基底應(yīng)力是在墻趾部位，說(shuō)明擋土墻變形趨勢(shì)是繞墻趾朝外轉(zhuǎn)動(dòng)的，而二級(jí)垛式擋土墻最大基底應(yīng)力是在墻踵部位，說(shuō)明擋土墻變形趨勢(shì)是繞墻趾朝里轉(zhuǎn)動(dòng)的.這也就證明了二級(jí)垛式擋土墻的穩(wěn)定性是優(yōu)于單級(jí)擋土墻的.

從混凝土的用量來(lái)看，對(duì)于此例，一級(jí)懸臂式擋墻(4.05 m3每延米)比二級(jí)擋墻(3.59 m3每延米)要多出0.46 m3每延米，也就是說(shuō)二級(jí)擋墻所耗混凝土較一級(jí)擋墻要少，想比同高度重力式擋墻，料石需13.75 m3每延米，明顯可以看出其污工較大，料石需較多.

5　結(jié)　論

通過(guò)理論解析分析及實(shí)例的分析結(jié)果可以得到如下結(jié)論：

(1)懸臂式擋墻所耗材料相比重力式擋墻而言要少，二級(jí)懸臂式擋墻在這方面能更加節(jié)省，經(jīng)濟(jì)方面的價(jià)值不言而喻.

(2)對(duì)任何一項(xiàng)工程而言，安全性能是我們最值得關(guān)注的問(wèn)題，通過(guò)本文的分析計(jì)算可知，二級(jí)懸臂式擋墻在受力方面較單級(jí)懸臂式擋墻優(yōu)良，土壓力相對(duì)較小，而安全系數(shù)方面并沒(méi)有很大程度上的降低，能滿足規(guī)范要求.

(3)二級(jí)懸臂式擋墻基底應(yīng)力分布比單級(jí)懸臂式擋墻要合理，也更偏向于安全.

(4)二級(jí)擋墻比一級(jí)擋墻無(wú)論是開(kāi)挖量或是填方量都要少很多，而安全性能方面并沒(méi)有減少多少，同時(shí)二級(jí)擋墻結(jié)構(gòu)比一級(jí)擋墻的結(jié)構(gòu)更加輕型，施工更加方便，還可以考慮在下墻中加入一定的抗滑措施.

[1] 范瑛. 多級(jí)擋土墻土壓力傳遞效應(yīng)與沉降規(guī)律研究[D]. 武漢理工大學(xué)博士論文, 2013.

[2] 李海光，等.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 辛廣森.懸臂式擋墻在城市輕軌鐵路中的應(yīng)用[J].鐵道工程企業(yè)管理，2002(4)：55-57.

[4] 王家東，梁波，葛建軍，等.淺析懸臂式擋土墻在多年凍土區(qū)路塹工程中的適應(yīng)性[J].路基工程，2003(3):11-13.

[5] 聶小沅.扶壁式擋墻在沿江地區(qū)的應(yīng)用[J].湖南交通科技，2001,27(4):24-25.

[6] 梁波，王家東，曹元平，等. 多年凍土區(qū) L型支擋結(jié)構(gòu)的土壓力修正模型[J].土木工程學(xué)報(bào)，2005，38(3)：94-98.

[7] 朱宏偉, 姚令侃, 蔣良濰,等. 考慮變形影響的重力式擋墻地震土壓力分布[J]. 巖土工程學(xué)報(bào), 2013(6):1035-1044.

[8] 顧慰慈.擋土墻土壓力計(jì)算手冊(cè)[M].北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社，2005.

Analysis and Discussion on Counterfort Cantilever Retaining Wall

LIANG Qiao1,CHEN Xiang2,ZHOU Wen-quan1

(1.College of Construction Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104， China;2.Hunan Xiang-ping Road & Bridge Construction Co., Ltd，Changsha 410075， China)

Along with the development of the economy, the requirement for the retaining structure is higher. In the framework of the reliving platform retaining wall, the counterfort retaining wall is proposed. Based on the limit equilibrium theory and considering the effect of the second failure surface, the varuous sliding surfacees of counterfort retaining wall is reasonalbe selected. Then the computing method of earth pressure is obtained in the counterfort retaining wall. Subsequently, the earth pressure is demonstrated by comparing with the project case. The comparison results show that the earth pressure and the stablility of the counterfort retaining wall are more reasonable than the common retaining wall. Thus the method has a good applicability for the similar engineering design and construction.

counterfort retaining wall; earth pressure; calculation method; alternate deformation

2016-02-28

湖南省教育廳科研資助項(xiàng)目(13C184).

梁橋(1981-)，男，博士研究生，講師，研究方向:巖土工程.

TU476+.4

A

1671-119X(2016)03-0076-05