防滑凸榫在扶壁式擋土墻中的應用

胡文盼 王志良

摘要：結合工程實際，對凸榫的防滑機理、設計理論及凸榫構造對擋墻穩(wěn)定性的影響程度進行了探討。結果表明，增設凸榫可大幅度提高扶壁式擋墻的抗滑性能，但其對抗傾覆能力的提升影響甚微。另外，凸榫的高度對擋土墻抗滑移穩(wěn)定性的影響最為敏感，設計中可在滿足其他構造要求的條件下適當增大凸榫高度以提高其抗滑穩(wěn)定性。

Abstract： The anti-sliding function and design theory of tenon and the influence degree of tenon structure to the retaining wall's stability were introduced in connection with a practical project. The results show that adding tenon can improve the anti-sliding performance of buttressed retaining wall greatly， but it has little effect on the improvement of the anti-turnover ability. In addition， the height of tenon is more sensitive to the effects of anti-sliding stability of the retaining wall， so the designer can increase the height of tenon properly to improve its anti-sliding ability under the condition of meeting other structure requirements.

關鍵詞：扶壁式擋墻；凸榫；抗滑移安全系數(shù)

Key words： buttressed retaining wall；tenon；anti-sliding safety coefficient

中圖分類號：TU476.4 文獻標識碼：A 文章編號：1006-4311（2017）01-0084-04

0 引言

扶壁式擋土墻目前在國內外應用非常廣泛，與其他類型的擋土墻相比，其具有節(jié)約占地空間、方便施工及美化城市環(huán)境等優(yōu)點。在實際工程中，擋土墻的設計一般涉及到抗傾覆、抗滑移、墻身強度及地基承載力等幾個方面的要求，而抗滑移往往是其中的主要控制因素。為提高擋墻的抗滑穩(wěn)定性，可以采用擴展基礎、傾斜基底及增大墻身截面積等技術措施，但這些措施無疑會增加工程造價，加大施工難度。為解決上述問題，設計者通常考慮改變擋墻結構形式，在基底增設防滑凸榫，借助榫前土體的被動土壓力來提高其抗滑性能。實踐表明，增設凸榫可以大幅度提高擋土墻的抗滑穩(wěn)定系數(shù)，并且可以改善不良地基的地基承載力，具有良好的經濟及技術效益。

1 凸榫的抗滑設計原理

防滑凸榫為設置在基礎底面的一個凸向土體的榫狀凸塊，在保證斜截面不被破壞的條件下，該塊體與擋墻底板連成整體[1]，利用榫前土體產生的被動土壓力來增加擋墻的水平抗滑力，以達到提高擋墻穩(wěn)定性的目的。根據(jù)擋土墻的位移情況及墻后土體所處的應力狀態(tài)，作用在擋土墻上的土壓力可分為靜止土壓力E0、主動土壓力Ea和被動土壓力Ep。三種土壓力與擋墻位移的關系見圖1。試驗研究表明，相同條件下產生主動土壓力所需的位移量比產生被動土壓力所需的位移量要小得多。

表1給出了《加拿大基礎工程手冊》（1985）[2]中有關達到極限土壓力所需的墻體位移，從表中可以看出，對于砂土而言，達到被動土壓力極限狀態(tài)所需位移一般可達到主動土壓力極限狀態(tài)所需位移量的12～20倍之多。

現(xiàn)以松散砂土及軟黏土為例，依據(jù)扶壁式擋土墻后發(fā)生主動土壓力的最大允許值來考慮凸榫前土體能否產生被動土壓力，由表1可得，松散砂土達到主動土壓力極限狀態(tài)時的位移為0.005H，而軟黏土則為0.02H。由此可得兩種土類在不同墻高條件下的墻身位移允許值，見表2。

僅就松散砂土而言，依據(jù)表2的結果可得不同高度凸榫的相對變形值Δ/Ht，見表3。

由表3可以看出，不同墻高的凸榫在松散砂土中的相對變形值Δ/Ht均大于0.025，而根據(jù)研究結果[3]，擋墻達到被動土壓力的位移量為0.02H～0.05H，因此在松散砂土情況下凸榫的相對變形值均能滿足榫前產生被動土壓力的條件。另外對于粘土而言，由于其允許位移值遠大于砂土，因而也較易滿足產生被動土壓力的條件。由此可得，利用榫前土體的被動土壓力來增強擋土墻的抗滑移能力可行的。

3 設計實例

以南京市某中學7m高的扶壁式擋土墻為例，該擋土墻頂寬0.4m，底寬5.0m，埋深1.5m，地震設防烈度為7度，其物理力學參數(shù)見表4。

3.1 三種形式擋墻計算結果對比分析

保持其他條件不變，分別將圖3所示的不加凸榫、傾斜基底及加凸榫3種情況的計算結果進行對比分析，結果見表5及圖4。

由表5可看出，對于相同截面尺寸的扶壁式擋土墻，加防滑凸榫能夠明顯提高抗滑力性能，一般工況和地震工況的抗滑力及抗滑移安全系數(shù)均能提高約70%左右；而設置傾斜基底也可以在一定程度上提高擋墻的抗滑能力，但不如加凸榫的擋墻的抗滑提高效果顯著。對于抗傾覆穩(wěn)定而言，三種形式下的擋土墻抗傾覆安全系數(shù)變化不是很大，由此也可以看出，抗滑移能力往往是擋土墻截面的主要控制因素。

3.2 凸榫構造對抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)的影響

針對加凸榫（圖3c所示）的扶壁式擋墻，分別考慮凸榫高度、寬度及位置對其抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)的的影響，結果如下：

①凸榫高度對抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)的影響。

保持其他條件不變，分別取凸榫高度Ht=0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m，計算不同高度下的一般工況及地震工況的抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)，其結果見表6，根據(jù)表6的統(tǒng)計結果，可分別繪制凸榫高度對抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)的影響曲線，見圖4和圖5。

由表6及圖4可看出，凸榫高度從0.5m增大到0.9m的情況下，一般工況的抗滑移安全系數(shù)從1.110增加到1.563，增幅高達40.8%；地震工況的抗滑移安全系數(shù)從1.047增加到1.479，增幅高達41.2%，由此表明扶壁式擋墻的抗滑安全系數(shù)隨著凸榫高度的增大而增大，近似于線性增加。對比圖3（a）不加凸榫的情況的計算結果，可以看出較小高度的凸榫對扶壁式擋墻的抗滑性能也有較大程度的提高。而對于抗傾覆安全系數(shù)而言，由圖5可以看出，隨著凸榫高度的增加，其呈緩慢增大的趨勢，但不如抗滑移安全系數(shù)增大得明顯。

②凸榫寬度對抗滑移安全系數(shù)的影響。

保持其他條件不變，分別取凸榫寬度Bt=0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m，計算不同寬度下的一般工況及地震工況的抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)，其結果見表7，根據(jù)表7統(tǒng)計結果，可分別繪制凸榫寬度對抗滑移和抗傾覆安全系數(shù)的影響曲線，見圖6和圖7。

由表7及圖6可看出，凸榫寬度從0.8m增大到1.2m的情況下，一般工況的抗滑移安全系數(shù)從1.325增加到1.342，地震工況的抗滑移安全系數(shù)從1.254增加到1.267，由此表明，隨著凸榫寬度的增大，扶壁式擋墻的抗滑安全系數(shù)呈緩慢增加的趨勢。同樣，隨著凸榫寬度的增大，擋墻的抗傾覆安全系數(shù)也呈緩慢增加的趨勢。

③凸榫位置對抗滑移安全系數(shù)的影響。

保持其他條件不變，分別取凸榫距墻趾距離Bt1=0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m，計算不同位置的一般工況及地震工況的擋墻抗滑移安全系數(shù)，其結果見表8，根據(jù)表8的計算結果，可分別繪制凸榫位置對擋墻抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定的影響曲線，見圖8和圖9。

由表8及圖8可看出，凸榫距墻趾距離從0.8m增大到1.2m的情況下，一般工況的抗滑移安全系數(shù)從1.384減小到1.285，地震工況的抗滑移安全系數(shù)從1.309減小到1.214，由此表明，隨著凸榫距墻趾距離的增大，扶壁式擋墻的抗滑安全系數(shù)呈近線性減小的趨勢。由圖9可以看出，擋墻的抗傾覆安全系數(shù)隨凸榫距墻趾距離的增大呈緩慢增大的趨勢。

④各因素影響程度分析。

由上述分析可知，凸榫高度、寬度及位置對擋墻的抗滑移及抗傾覆穩(wěn)定性都有著不同程度的影響。為分析各個因素對安全系數(shù)影響的敏感程度，可根據(jù)以上結果繪制各個因素對安全系數(shù)變化率的曲線，如圖10和圖11所示。從圖10可以看出，在所考慮的三種因素中，對扶壁式擋土墻抗滑移安全系數(shù)影響最大的是凸榫高度，其次是凸榫位置，凸榫寬度的影響最小。同樣，圖11表明，凸榫高度對抗傾覆安全系數(shù)的變化率影響最大，其次是凸榫寬度，凸榫位置的影響最小。由此說明，在扶壁式擋土墻設計中，凸榫高度往往可以成為主要控制因素，在滿足其他構造要求的條件下，適當增大凸榫高度可以顯著提高擋土墻的抗滑穩(wěn)定性，并使抗傾覆穩(wěn)定性也有緩慢的提升。此外，由于水平地震力的影響，地震工況下的抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)比一般工況下的安全系數(shù)有所減小，但兩種工況隨凸榫構造的變化趨勢是一致的。

4 結語

結合具體工程實際，研究探討了防滑凸榫的設計原理，與不加凸榫及傾斜基底兩種形式的擋土墻在抗滑移及抗傾覆的效果上進行了對比，并考慮了凸榫構造對安全系數(shù)的影響，得出結論如下：

①與其他形式的扶壁式擋土墻相比，增設防滑凸榫能大幅度提高其抗滑性能，而凸榫對抗傾覆能力的影響甚微。②擋墻的抗滑移安全系數(shù)隨凸榫高度、寬度的增大而增大，而隨著其距墻趾距離的增大而減小，工程上在設置凸榫時可通過合理調整以上因素來充分發(fā)揮其抗滑作用。③凸榫高度的變化對扶壁式擋土墻抗滑性能的影響最為敏感，設計中可在滿足其他構造要求的條件下適當增大凸榫高度以增強擋土墻的抗滑穩(wěn)定性。④考慮到水平地震力的影響，地震工況下的抗滑移及抗傾覆安全系數(shù)均比一般工況下的安全系數(shù)有所減小，而兩種工況下各種因素的變化趨勢是一致的。

參考文獻：

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