路基擋墻黏性土主動(dòng)土壓力計(jì)算誤差分析
——以某二級(jí)公路擋墻為例

吳 銳，胡定波

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;2.臺(tái)州市黃巖區(qū)交通運(yùn)輸局,浙江 臺(tái)州 318020）

路基擋墻黏性土主動(dòng)土壓力計(jì)算誤差分析
——以某二級(jí)公路擋墻為例

吳 銳1，胡定波2

（1.浙江省交通規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院,浙江 杭州 310006;2.臺(tái)州市黃巖區(qū)交通運(yùn)輸局,浙江 臺(tái)州 318020）

對(duì)某二級(jí)公路路肩式擋墻墻背黏性土主動(dòng)土壓力采用了常見的兩種方法計(jì)算，即經(jīng)典庫(kù)倫理論的等效內(nèi)摩擦角法和力多變形法。計(jì)算結(jié)果表明，這兩種方法計(jì)算出來(lái)的該擋墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)誤差達(dá)到33.4%，并且，隨著墻高的增加，誤差增加很快。因此，在設(shè)計(jì)高墻時(shí)，應(yīng)酌情降低D，在計(jì)算黏性土的主動(dòng)土壓力時(shí)，最好是按照實(shí)際測(cè)定的c、值，采用力的數(shù)解法計(jì)算。

路基擋墻；黏性土；主動(dòng)土壓力計(jì)算；抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)

0 引言

考慮到工程的經(jīng)濟(jì)性和就地取材的原則，公路擋土墻墻后的填土不可能采用遠(yuǎn)運(yùn)砂性土，而是就近取土填筑，不可避免地造成填土或多或少具有一定的黏聚力。我國(guó)現(xiàn)行路基規(guī)范規(guī)定采用庫(kù)倫理論計(jì)算路基擋墻所受到的主動(dòng)土壓力。經(jīng)典庫(kù)倫理論只考慮不具有黏聚力的砂性土的土壓力問(wèn)題。當(dāng)墻背填料為黏性土?xí)r，土的黏聚力對(duì)主動(dòng)土壓力的影響很大，因此應(yīng)該考慮黏聚力的影響。

以庫(kù)倫理論為基礎(chǔ)的計(jì)算黏性土主動(dòng)土壓力的方法主要有等效內(nèi)摩擦角法和力多邊形法。等效內(nèi)摩擦角法是指按照抗剪強(qiáng)度相等或土壓力相等的原則，把黏性土的黏聚力的影響考慮到內(nèi)摩擦角這一參數(shù)中，然后按砂性土的公式來(lái)計(jì)算主動(dòng)土壓力。然而，由于影響土壓力數(shù)值的因素是多方面的，包括墻高、墻型、墻后填土表面荷載情況等。按照實(shí)際測(cè)定的C、φ值，采用力的多邊形法來(lái)計(jì)算黏性土的主動(dòng)土壓力，是更符合實(shí)際的做法。本文以某二級(jí)公路的路肩式擋墻為例，即擋墻邊界條件相對(duì)簡(jiǎn)單的情況下，在滿足現(xiàn)行規(guī)范對(duì)于重力式擋墻各項(xiàng)計(jì)算要求的前提下，分析等效內(nèi)摩擦角法計(jì)算的主動(dòng)土壓力作用下，擋墻墻身沿基底抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的誤差。

1 工程概況

某丘陵區(qū)二級(jí)公路，設(shè)計(jì)速度80 km/h，路基全寬12 m。路基土由含碎石亞黏土（黏性土）、含黏性土碎石等組成。厚度變化較大，一般小于4 m，個(gè)別地段可達(dá)6～8 m。一般無(wú)軟弱夾層，下伏坡殘積層和各類基層（風(fēng)化層），屬正常路段，地基土具一定強(qiáng)度，可直接作公路路基基礎(chǔ)。地形起伏而決定路基形式以挖方和填方相間交替。考慮到壓縮用地和支檔防護(hù)要求，局部路段采用仰斜式路肩擋墻。墻背填土重度γ=18 kN/m3，c=5 kPa，=25°。墻背摩擦角δ=2/3。地基容許承載力[σ]=250 kPa，基底摩擦系數(shù)f=0.4。墻身材料為砌體，重度為20 kN/m3，砌體容許壓應(yīng)力[σ]=500 kPa。擋墻斷面如圖1所示。

圖1 路肩式擋墻斷面圖

以5 m高的擋墻為例，參照公路設(shè)計(jì)手冊(cè)路基分冊(cè)[1]，墻身擬定的各部位尺寸及參數(shù)為：N1= 0.25，B1=B2=1.2 m，B3=0.3，DH=0.5 m。

2 等效內(nèi)摩擦角法和力多變形法計(jì)算黏性土的主動(dòng)土壓力

2.1 等效內(nèi)摩擦角法

圖2為等效內(nèi)摩擦角法計(jì)算主動(dòng)土壓力示意圖。

圖2 等效內(nèi)摩擦角法計(jì)算土壓力示意圖

2.1.1 等效內(nèi)摩擦角計(jì)算

2.1.2 荷載當(dāng)量土柱高度計(jì)算

根據(jù)規(guī)范，車輛荷載作用在擋土墻墻后填土引起的附加土側(cè)壓力，可以按照下式換算成等代均布土層厚度計(jì)算：

式中：γ為土的容重；q為車輛附加荷載標(biāo)準(zhǔn)值（kN/m2），按照墻高 5 m根據(jù)規(guī)范內(nèi)插得到q=16.25 kN/m2，故 h0=16.25/18=0.9 m。

2.1.3 土壓力計(jì)算

假設(shè)破裂面交于荷載內(nèi)部。根據(jù)路肩式擋墻破裂面交于內(nèi)部的破裂角θ計(jì)算公式,可得tanθ= 0.865 8,故θ=40°53′06″。破裂面位置符合假設(shè)。繼而根據(jù)路肩擋墻破裂面交于荷載內(nèi)部的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式，可得主動(dòng)土壓力Ea=72.61 kN。其水平分量EX和豎直分量Ey計(jì)算如下：

2.2 力多邊形法

圖3為力多邊形法計(jì)算主動(dòng)土壓力示意圖。

圖3 力多邊形法計(jì)算土壓力示意圖

2.2.1 裂縫區(qū)深度計(jì)算

裂縫區(qū)實(shí)際深hc'=hc-h0=-0.03 m

2.2.2 土壓力計(jì)算

假設(shè)破裂面交于荷載內(nèi)部。根據(jù)路肩式擋墻破裂面交于內(nèi)部的破裂角θ計(jì)算公式可得tanθ= 0.877 9，故θ=40°16′45″。破裂面位置符合假設(shè)。繼而根據(jù)路肩擋墻破裂面交于荷載內(nèi)部的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式，可得：

3 抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算及分析

上述擋墻設(shè)計(jì)在通過(guò)規(guī)范要求的設(shè)計(jì)狀態(tài)基本驗(yàn)算，進(jìn)行擋墻抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定和整體穩(wěn)定性驗(yàn)算的前提下，分析兩種不同的主動(dòng)土壓力計(jì)算方法對(duì)抗滑穩(wěn)定系數(shù)的影響。采用公式K= [N+Ex×tanα]×f/(Ex-N tanα)分別計(jì)算擋墻的滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果為：采用等效內(nèi)摩擦角法和力多變形法的抗滑穩(wěn)定系數(shù)分別為1.44和2.16，誤差達(dá)到33.4%。改變墻身高度，按照《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)——路基》[1]擬定墻身的各部位尺寸，擋墻高度分別為3 m、4 m、6 m和7 m。分別采用等效內(nèi)摩擦角法和力多邊形法計(jì)算主動(dòng)土壓力前提下的擋墻抗滑穩(wěn)定系數(shù)，結(jié)果見表1。

表1 等效內(nèi)摩擦角法和力多邊形法計(jì)算的抗滑穩(wěn)定系數(shù)

可以看出，隨著墻高的增加，誤差增加很快。因此，在設(shè)計(jì)高墻時(shí)，應(yīng)酌情降低D；在計(jì)算黏性土的主動(dòng)土壓力時(shí)，最好是按照實(shí)際測(cè)定的c、值，采用力的數(shù)解法計(jì)算。

4 結(jié)語(yǔ)

極限平衡理論是從破裂棱體的靜力平衡條件出發(fā)，假定墻身及破裂棱體為剛體。這與實(shí)際情況并不相符，特別是在墻背傾角較大的情況下。更重要的是，由于沒有考慮土的應(yīng)力-應(yīng)變關(guān)系，沒有考慮墻身、基底及填土的共同作用，因而只能求得極限平衡時(shí)的壓力而得不到位移。實(shí)際上，墻身位移對(duì)土壓力影響非常明顯。用有限元法對(duì)擋土墻進(jìn)行數(shù)值分析是解決這個(gè)問(wèn)題的途徑，同時(shí)需要用模型試驗(yàn)或現(xiàn)場(chǎng)實(shí)測(cè)資料來(lái)驗(yàn)證，有待進(jìn)一步實(shí)踐探討。

[1]交通部第二公路勘察設(shè)計(jì)院.公路設(shè)計(jì)手冊(cè)——路基[M].北京：人民交通出版社，2001.

[2]JTG D30—2015，公路路基設(shè)計(jì)規(guī)范[S].

U416.1

B

1009-7716（2017）09-0196-02

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2017.09.059

2017-07-07

吳銳（1977-），男，四川廣安人，高級(jí)工程師，從事路線互通設(shè)計(jì)工作。