不同破壞模式下重力式路肩擋土墻穩(wěn)定性研究

王 野 張智卿*

(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院，浙江 杭州 310015)

不同破壞模式下重力式路肩擋土墻穩(wěn)定性研究

王 野 張智卿*

(浙江樹人大學(xué)城建學(xué)院，浙江 杭州 310015)

根據(jù)不同破壞模式下路肩墻主動土壓力計算公式，推導(dǎo)了重力式擋土墻的抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)與穩(wěn)定方程表達(dá)式，研究了4種工況下墻后土壓力、破裂角和穩(wěn)定性的變化規(guī)律，對規(guī)范中提出的兩種驗算方法可靠度進(jìn)行了對比分析，最后，分析了填料內(nèi)摩擦角對擋土墻穩(wěn)定性的影響，以供參考。

路肩墻，重力式擋土墻，穩(wěn)定系數(shù)，穩(wěn)定方程

1 概述

擋土墻是支撐路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)的支擋結(jié)構(gòu)，其中路肩擋土墻又以收縮坡腳，減少占地，防止沿河路堤受水流侵害，增強路堤穩(wěn)定性等優(yōu)勢在公路工程中得到了廣泛的應(yīng)用。近年來，關(guān)于擋土墻的研究主要集中在墻后土壓力理論方面的研究[1，2]，然而關(guān)于不同破壞模式下路肩墻穩(wěn)定性以及墻身穩(wěn)定性不同驗算方法導(dǎo)致可靠性差異的研究還相對不足。例如，《公路路基設(shè)計規(guī)范》[3]中提出了兩種擋土墻穩(wěn)定性驗算的方法，一種是采用以極限狀態(tài)設(shè)計的分項系數(shù)法，另一種是傳統(tǒng)的總安全系數(shù)法，然而這兩種方法在工程算例中的對比分析還相對較少。因此，本文基于不同破壞模式下路肩墻主動土壓力計算公式，推導(dǎo)了重力式擋土墻的抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)表達(dá)式，提出了換算穩(wěn)定方程，并就主要參數(shù)對4種工況下?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性的影響進(jìn)行了研究。

2 墻后土壓力與墻身穩(wěn)定性計算

本文的基本假定如下：1)墻身材料與墻后填料滿足庫侖土壓力計算條件；2)路基上移動交通荷載等效為靜態(tài)均布荷載；3)墻后土體采用第一滑裂面破壞模式。計算簡圖如圖1所示，根據(jù)破裂面位置與均布荷載的形式可以分為四種破壞模式：a.路面作用連續(xù)均布荷載，破裂面交于荷載內(nèi)；b.路面作用條狀均布荷載，破裂面交于荷載內(nèi)；c.路面作用條狀均布荷載，破裂面交于荷載外；d.路面上無均布荷載作用。當(dāng)發(fā)生圖1a)所述的破壞模式時，墻后土體破裂角和主動土壓力的合力可以分別表示為[4]：

(1)

Ea1=γH2KK1/2

(2)

當(dāng)發(fā)生圖1b)所描述的破壞模式時，墻后土體破裂角和主動土壓力的合力可以分別表示為：

(3)

Ea2=γH2KK2/2

(4)

主動土壓力合力作用點到墻趾的水平距離Zx和豎向距離Zy可以分別表示為：

Zx=B1-(Zy+B1tgα0)tgα

(5)

(6)

墻身自重引起的抗傾覆力矩M1可以寫為：

M1=Pγt

(7)

其中，γt為墻身重度，P可以表示為：

(8)

墻身的自重G可以表示為：

G=G′γt

(9)

土壓力合力產(chǎn)生的抗傾覆力矩可以表示為：

社會福利政策質(zhì)量評價的結(jié)果往往取決于社會福利政策質(zhì)量評價主體的選擇。由于社會福利政策的評價主體過于單一且依附性較強，因而我國的社會福利政策質(zhì)量評價具有普遍的片面性。客觀公正的社會福利政策質(zhì)量評價必須朝著實現(xiàn)政策質(zhì)量評價主體多元化的方向發(fā)展，實現(xiàn)社會福利政策的內(nèi)部評價和外部評價相結(jié)合，實現(xiàn)政府的內(nèi)部評價者能夠真正敢于評價且善于評價不同的政策，實現(xiàn)利益相關(guān)人能夠真正參與社會福利政策的評價全過程，實現(xiàn)社會福利政策參與評價的人員與公眾、與專家相結(jié)合。

M2=EayZx

(10)

其中，Eay為土壓力的垂直分量,Eay=Easin(α+δ)；Ea在不同工況下，可取Ea1或Ea2。

土壓力合力產(chǎn)生的傾覆力矩M3可以寫為：

M3=EaxZy

(11)

其中，Eax=Eacos(α+δ)，為土壓力的水平分量。

當(dāng)采用總安全系數(shù)法時[4]，擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)可以寫為：

K0=(M1+M2)/M3

(12)

其中，K0為擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

當(dāng)采用以極限狀態(tài)設(shè)計的分項系數(shù)法時[3]，擋土墻的穩(wěn)定方程可以進(jìn)一步表示為：

M=0.8M1+γQ1(EayZx-EaxZy)

(13)

其中，γQ1為主動土壓力的分項系數(shù)。

墻身重力產(chǎn)生的分力可以分別表示為：

Gt=Gsinα0

(14)

Gn=Gcosα0

(15)

其中，Gt和Gn分別為墻身重力產(chǎn)生的平行和垂直于墻底的分力。

土壓力產(chǎn)生的平行和垂直于墻底的分力分別可以表示為：

Eat=Easin(90°-α-α0-δ)

(16)

Ean=Eacos(90°-α-α0-δ)

(17)

其中，Eat和Ean分別為土壓力產(chǎn)生的平行和垂直于墻底的分力。

當(dāng)采用總安全系數(shù)法時[3]，擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)可以進(jìn)一步寫為：

(18)

其中，Kc為擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)；μ為墻底與土體的摩擦系數(shù)。

當(dāng)采用以極限狀態(tài)設(shè)計的分項系數(shù)法時[3]，擋土墻的抗滑移穩(wěn)定方程可以進(jìn)一步寫為：

T=[1.1Gcosα0+γQ1(Eaycosα0+Eaxsinα0)]μ+
(1.1G+γQ1Eay)sinα0-γQ1Eaxcosα0

(19)

3 數(shù)值計算與分析

為了在同一條件下對比總安全系數(shù)法與以極限狀態(tài)設(shè)計的分項系數(shù)法之間的可靠度，特給出換算傾覆穩(wěn)定方程M′=M1+M2-1.5M3，換算滑移穩(wěn)定方程T′=(Gn+Ean)μ-1.3(Eat-Gt)。下面將通過工程算例分析4種工況下?lián)跬翂χ饕O(shè)計參數(shù)與土壓力、破裂角和穩(wěn)定性系數(shù)之間的關(guān)系。例如某公路擋墻工程，片石砌筑墻身尺寸和材料參數(shù)如下：γt=23kN/m3，b=0.5m，H=6.0m，tanα=0.20，tanα1=0.20，tanα0=0.1。墻后填料與地基土參數(shù)如下：回填土為砂性土，地基土為碎石土，γ=18kN/m3，φ=35°，δ=17.5°，μ=0.5。工況1：d=0，b0≠0；工況2：d=1.0m，b0≠0；工況3：d=1.0m，b0=1.0m和2.5m；工況4：b0=0。

由表1可以看出，路面連續(xù)均布荷載作用的工況1下，土壓力合力最大，而擋土墻抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)最小，而路面無均布荷載作用的工況4下，土壓力合力最小，抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)最大，可見在工程設(shè)計中以工況1計算即可。然而，不同工況下的土體破裂角并沒有明顯的變化規(guī)律。此外，在破裂面交于荷載外的工況3下，路面交通荷載寬度越大，土壓力合力越大，抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)越小。同時由表1可以看出，穩(wěn)定系數(shù)，規(guī)范計算的穩(wěn)定方程值和本文提出的換算穩(wěn)定方程值的變化規(guī)律一致。進(jìn)一步對比穩(wěn)定系數(shù)、規(guī)范計算的穩(wěn)定方程值和本文提出的換算穩(wěn)定方程值可以發(fā)現(xiàn)，各工況下?lián)Q算穩(wěn)定方程值均小于規(guī)范計算的穩(wěn)定方程值，尤其工況1，2下，Kc均小于1.3，T′<0(未滿足安全要求)，而T>0(滿足安全要求)。因此，可以得知總安全系數(shù)法的可靠度更高。在下面的算例分析中，均采用總安全系數(shù)法進(jìn)行討論。

表1 不同工況下?lián)跬翂Ψ€(wěn)定性參數(shù)對比

由圖2可以看出，4種工況下，墻后填料內(nèi)摩擦角對墻身穩(wěn)定性有著明顯的影響，隨著墻后填料內(nèi)摩擦角的增加，擋土墻的抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)均呈現(xiàn)非線性的增大。這表明，增加墻后填料內(nèi)摩擦角可以提高墻身的穩(wěn)定性。同時在實際工程中值得注意的是，如果過大地估計了墻后填料的內(nèi)摩擦角將對墻身的穩(wěn)定性帶來非常不利的影響。

4 結(jié)語

1)路面連續(xù)均布荷載作用下，土壓力合力最大，而擋土墻抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)最小。因此，在工程設(shè)計中以路面連續(xù)均布荷載作用計算即可達(dá)到要求。2)在破裂面交于荷載外的情況下，路面交通荷載寬度越大，土壓力合力越大，抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)越小。此外，4種工況下總安全系數(shù)法的可靠度高于極限狀態(tài)分項系數(shù)法的可靠度。3)增加墻后填料內(nèi)摩擦角可以提高墻身的穩(wěn)定性。如果過高地估計了墻后填料的內(nèi)摩擦角將對墻身的穩(wěn)定性帶來非常不利的影響。

[1] 李 可.朗肯土壓力局限性的有限元法分析[J].山西建筑，2011，37(30)：78-79.

[2] 李 剛，張鳳濤.不同變位模式下剛性擋土墻的動主動土壓力[J].湖南大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2011，38(9)：16-21.

[3] JTG D30-2004，公路路基設(shè)計規(guī)范[S].

[4] 交通部第二公路勘察設(shè)計院.公路設(shè)計手冊——路基[M].第2版.北京：人民交通出版社，2001.

Study on stability of gravity road shoulder retaining wall under different failure mode

WANG Ye ZHANG Zhi-qing*

(College of Urban Construction, Zhejiang Shuren University, Hangzhou 310015, China)

The expressions for anti-overturning and anti-slipping stability coefficients and equations are derived by using the formula for active pressure of wall under different failure mode. The variation characteristics of earth pressure acting on the wall, angle of rupture and stability of are investigated under four cases. The reliability of two checking methods presented by the specification are compared and analyzed. Finally, the influence of the internal friction angle of the backfill on the stability is analyzed， for reference.

road shoulder retaining wall, gravity retaining wall, stability coefficient, stability equation

1009-6825(2014)18-0168-03

2014-04-14

王 野(1992- )，男，在讀本科生； 張智卿(1982- )，男，博士，副教授

U417.11

A