高邊坡擋土墻安全復核計算的分析

王廣森，張 麗

(大連市水利規劃設計院，遼寧 大連 116021)

高邊坡擋土墻安全復核計算的分析

王廣森，張 麗

(大連市水利規劃設計院，遼寧 大連 116021)

該高邊坡擋土墻位于某辦公樓南側山坡下，其作用是防止山體滑坡以及沖積物進入建筑場地，以保護辦公樓安全。擋土墻長46.0m，墻高18.0m左右，為漿砌石仰斜式重力擋土墻結構。文章在進行現場勘察分析后選取擋土墻典型計算斷面，結合相關規范對其進行抗滑、抗傾、抗剪等方面安全復核計算，提出評價結論。

高邊坡擋土墻；抗滑穩定；壩基應力；安全復核

0 前 言

大連市某單位高邊坡擋土墻位于辦公樓南側山坡下，擋土墻距辦公樓約12m，其作用是防止山體滑坡以及沖積物進入建筑場地，以保護辦公樓的安全。

該擋土墻系1994年設計并施工，建成至今已20余年，原設計時執行舊時規范，存在擋土墻主動土壓力計算無增大系數、擋土墻抗滑穩定安全系數及抗傾穩定安全系數偏低等問題，加之擋土墻建成年代久遠，墻體高度大，距離辦公樓近，故對該擋土墻進行安全復核計算是十分必要的。

1 工程概況

擋土墻長46.0m，為漿砌石仰斜式重力擋土墻結構。墻高18.0-18.5m，墻體漿砌石所采用的毛石強度等級MU40、水泥砂漿強度等級M5，擋土墻地基巖性為強風化輝綠巖。

原設計擋土墻頂寬1.0m，底板寬6.97-7.10m，臨空側邊坡比1∶0.4、擋土側邊坡比1∶0.15，墻臨空側地面以上5m處設有1.0m寬緩臺。墻體排水孔豎向間距2m，水平間距3m，孔徑100mm。墻頂高程109.20-109.70m，墻前地面高程91.20m，臨空側底板厚1.0m，擋土側底板厚2.2m。擋土墻沿長度方向分為兩段，每段長23m，縫內充填20mm厚瀝青木板。

墻頂后側設有鋼筋混凝土排洪渠槽，梯形斷面，底寬0.5m，頂寬1.0m，槽深0.3m。

本次復核計算根據原擋土墻設計斷面，通過現場踏勘分析，結合相關現行規范對其進行抗滑、抗傾、抗剪等方面安全復核計算，提出評價結論[1]。

本工程原地勘工作巖石試驗樣品19件，巖性為侏羅紀侵入巖體的輝綠巖， 勘探場地周圍地形起伏較大，溝壑縱橫。勘探場地范圍內，地形自然坡度近20°，相對高差在12m左右。由于受到旋轉構造作用的影響，地貌屬于構造及物理風化性質的剝蝕、侵蝕的低山丘陵[2]。

地基承載力標準值[R]為400kPa。

2 結構安全性分析

2.1 結構受力分析

2.1.1 計算斷面及參數確定

本次擋土墻復核計算，取單位長度l=1.0m墻體，采用最大墻高斷面為計算斷面，墻體凈高18.5m。墻頂寬1.0m，臨空側邊坡比1∶0.4、擋土側邊坡比1∶0.15，墻臨空側地面以上5m處設有1.0m寬緩臺。墻頂以上填土坡度按1∶1.5計算。臨空側底板厚1.0m，擋土側底板厚2.2m。

墻后填土為開山碎石料，填土容重取r=22kN/m3，填土內摩擦角φ=40°，填土對擋土墻墻背的摩擦角δ=20°。擋土墻地基為強風化輝綠巖。墻體材料強度按原設計采用，漿砌石墻體容重取r墻=23 kN/m3。

2.1.2 荷載和作用

根據現場踏勘情況，擋土墻擋土一側山坡高于墻頂，墻頂無其他堆載。擋土墻所受主要荷載為：墻體自重、土壓力、水壓力和揚壓力[3-5]。

本區抗震抗防烈度為7度，設計基本地震加速度為0.10g。擋土墻按本地區抗震設防烈度確定其抗震措施和地震作用[6]。根據《砌體結構設計規范》4.1.4規定，確定擋土墻結構安全等級為二級，擋土墻結構重要性系數r0=1.0。

1)土壓力計算：

(1)

式中參數見規范。

2)水壓力計算：

原設計為降低墻后填土中水位采取了較多措施，如在墻頂設截流溝，墻后填土頂面采用混凝土護砌，墻體設排水孔等，同時墻后山體植被覆蓋較好，減小了地表水向地下深處的滲入。

(2)

式中參數見規范。

基礎底面以上擋土墻荷載計算結果見表1。

表1 擋土墻荷載計算成果表 kN

2.2 墻體驗算

墻體穩定驗算分以下4種工況：①無水情況；②低水情況；③地震和無水情況組合；④地震和低水情況組合[7]。

無水情況時地下水位在墻底以下。

低水情況時墻后填土水位取在最下一排排水孔處，到墻前底板底面水深1.8m，排水管以上填土中水分由排水管排出，不產生水壓力，墻前水位在底板頂面處[8]。

2.2.1 抗滑移穩定性驗算

擋土墻抗滑移驗算分別考慮以下2種情況：

1)沿基礎底面滑動時，按下列公式進行驗算，擋土墻斷面及受力情況見圖1。

圖1 擋土墻沿基底抗滑穩定驗算示意圖

Gn=Gcosα0

Gt=Gsinα0

Eat=Easin(α-α0-δ)

Ean=Eacos(α-α0-δ)

(3)

式中：Fs為抗滑穩定安全系數；G為擋土墻每延米自重，kN；α0為擋土墻基底的傾角，°α0=9.6°；δ擋土墻墻背的傾角，°，α=98.53°；μ=98.53°；δ為土對擋土墻墻背的摩擦角，°；μ為地基對擋土墻基底的摩擦系數，地基為強風化輝綠巖，擋土墻沿基底斜面滑動時，取μ=0.55。

擋土墻沿基底抗滑穩定計算成果見表2。

表2 擋土墻沿基底抗滑穩定計算成果表

計算結果可知，4種計算工況擋土墻沿基底抗滑穩定安全系數均大于規范允許值，滿足抗滑穩定安全要求，其中相對不利計算工況為低水情況、地震和低水組合情況。

2)沿墻踵水平面滑動時，按下列公式進行驗算，擋土墻斷面及受力情況見圖2。

圖2 擋土墻沿水平面抗滑穩定驗算示意圖

Eax=Easin(α-δ)

Eaz=Eacos(α-δ)

(4)

式中：μ為擋土墻沿水平面滑動時的摩擦系數，對強風化輝綠巖，沿墻踵水平面滑動時取μ=0.90。

擋土墻沿水平面抗滑穩定計算成果見表3。

表3 擋土墻沿水平面抗滑穩定計算成果表

計算結果可知，4種計算工況擋土墻沿水平面抗滑穩定安全系數均大于規范允許值，滿足抗滑穩定安全要求，同樣，其中相對不利計算工況為低水情況、地震和低水組合情況[9]。

經比較，擋土墻抗滑穩定是由沿基礎底面滑動控制。

2.2.2 抗傾覆穩定性驗算

擋土墻抗傾覆穩定性按下式進行驗算，擋土墻斷面尺寸及受力情況見圖3。

圖3 圖3 擋土墻抗傾覆穩定驗算示意圖

xt=b-zcotα

zf=z-btanα0

(5)

式中：Ft為抗傾穩定安全系數；z為土壓力作用點與墻踵的高度，m；x0為擋土墻重心與墻趾的水平距離，m；b為基底的水平投影寬度，m。

擋土墻抗傾穩定計算成果見表4。

表4 擋土墻抗傾穩定計算成果表

計算結果可知，4種計算工況擋土墻抗傾穩定安全系數均大于規范允許值，控制工況仍為低水情況、地震和低水組合情況。

2.3 地基驗算

根據原地勘資料，擋土墻地基巖性為強風化輝綠巖，地基承載力標準值[R]=400kPa。

該擋土墻已建成運行20余年，擋土墻前混凝土地面平整，未見明顯地基塌陷下沉等反常現象。據此分析，強風化輝綠巖地基的實際承載力是滿足要求的，根據《建筑地基基礎設計規范》(GB50007-2011)及遼寧省地方標準《建筑地基基礎技術規范》(DB21/ 907-2005) 本次復核地基承載力特征值的下限取500kPa。

1)基礎底面壓力計算：

(6)

式中：Mk為相應于作用的標準組合時，作用于基礎底面的力矩值，kN·m；W為基礎底面的抵抗矩，m3；pkmax為相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最大壓力值，kPa；pkmin為相應于作用的標準組合時，基礎底面邊緣的最小壓力值，kPa；pk為相應于作用的標準組合時，基礎底面處的平均壓力值，kPa。

2)地基承載力計算：

基礎底面的壓力，應滿足以下要求：

pk≤fa

pkmax≤1.2fa

(7)

式中：fa為修正后的地基承載力特征值，fa=500kPa。地基承載力計算結果見表5。

表5 擋土墻地基承載力計算成果表

從以上地基承載力計算結果看，基底壓力平均值小于修正后的地基承載力特征值，基底壓力最大值小于修正后的地基承載力特征值1.2倍，均滿足規范要求。

低水情況為不利工況控制情況。

3 存在問題及建議

3.1 存在問題

擋土墻主要存在以下問題：

1)墻體表面勾縫砂漿老化，剝蝕脫落，可能造成墻體表面塊石脫落和墻體局部破壞。

2)內部砂漿強度不清楚，墻體排水孔內部情況不詳。

3.2 建議

擋土墻經過安全復核計算后，提出以下建議：

1)墻體表面砂漿重新勾縫，采用掛鋼筋網并噴射混凝土等措施，防止墻體塊石脫落和局部剪切破壞。

2)對排水管及泄水槽等排水設施進行及時清理和必要的維修，以保證排水設施安全有效。

3)加固設計前應進行變形觀測和砂漿強度檢測，并采取相應措施。根據需要補充必要的地勘工作。

4)加強日常檢查、監測和安全防護。

[1]王新珂.土質邊坡的穩定分析研究[D].合肥：合肥工業大學，2007.

[2]戴熙.高邊坡穩定性分析及其加固措施的研究[D].包頭：內蒙古科技大學，2007.

[3]唐佳.公路路堤擋土墻失穩機理及其加固治理研究[D].長沙：中南大學,2007.

[4]王衛華.重力式、懸臂式、扶壁式擋土墻結構優化設計與選型[D].蘭州：蘭州理工大學，2005.

[5]應志民.錨桿擋土墻力學作用的研究[D].杭州：浙江大學，2006.

[6]古浩.邊坡穩定及抗滑樁加固研究[D].南京：河海大學,2006.

[7]王軍.高陡巖土邊坡有限元分析及綜合治理[D].長沙：中南大學，2005.

[8]秦浩.深挖巖質邊坡有限元模型參數分析[D].成都：西南交通大學,2005.

[9]吳桂芹.土質邊坡穩定性因子研究[D].貴陽：貴州大學,2006.

1007-7596(2016)11-0059-04

2016-10-20

王廣森(1974-)，男，山東東平人，高級工程師，從事水利設計工作；張麗(1974-)，女，山東海陽人，高級工程師，從事水利設計工作。

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