水利工程中擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)用

□黃觀幸（江西省水利水電建設(shè)有限公司）

0 引言

當(dāng)前隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)的持續(xù)快速增長(zhǎng)，我國國民經(jīng)濟(jì)得到了較大的發(fā)展，尤其是涉及民生的水利工程。在水利工程施工過程中，會(huì)存在比較復(fù)雜的施工環(huán)境，如地形起伏較大、場(chǎng)地不平整等，面如復(fù)雜多變的環(huán)境，如何保障工程安全、按時(shí)完成時(shí)投資者和建設(shè)者共同關(guān)注的話題，采用擋土墻進(jìn)行施工防護(hù)是維護(hù)水利工程施工安全的重要措施。水利工程施工過程中，采用擋土墻可以大幅度提高工程安全性，對(duì)潛在的崩塌、滑塌等地質(zhì)災(zāi)害可以起到很到的預(yù)防和防護(hù)作用，同時(shí)對(duì)于人工建造的陡坡和斜坡也能起到較大的穩(wěn)定作用。從結(jié)構(gòu)上講，擋土墻可以分為重力式擋土墻、懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻。對(duì)于擋土墻，尤其是重力式擋土墻，鑒于其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、施工方便和就地取材的有點(diǎn)，在水利工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。鑒于擋土墻在水利工程中起到較大的安全防護(hù)作用，因此對(duì)于擋土墻的安全分析顯得尤為必要，當(dāng)前多采用安全系數(shù)法為度量，但是定值設(shè)計(jì)方法對(duì)于土壤的各項(xiàng)物理力學(xué)指標(biāo)的隨機(jī)性無法進(jìn)行定量分析，使得擋土墻的定值計(jì)算方法的安全系數(shù)偏于不安全，甚至產(chǎn)生破壞的現(xiàn)象。鑒于擋土墻的重要作用，本文首先從擋土墻的分類開始介紹，針對(duì)常用的重力式擋土墻，分別從可靠度分析模型介紹，然后結(jié)合工程經(jīng)驗(yàn)介紹了但土墻存在的問題和改進(jìn)的措施，接著從細(xì)節(jié)上介紹了擋土墻在實(shí)際水利工程中的應(yīng)用，相關(guān)研究對(duì)于未來類似工程提供一定的理論和工程經(jīng)驗(yàn)支持。

1 擋土墻的分類

鑒于擋土墻施工簡(jiǎn)便、占地面積小和施工費(fèi)用少的特點(diǎn)，因此在水利工程中場(chǎng)地高差大、場(chǎng)地起伏大的情況下較為適用。根據(jù)擋土墻的受力形式，擋土墻主要分為重力式擋土墻、扶壁式擋土墻和衡重式擋土墻等。以下做詳細(xì)介紹：

1.1 重力式擋土墻

作為水利工程中最為常見的擋土墻形式，以自身重力來維持擋土墻在土側(cè)壓力下穩(wěn)定的重力式擋土墻，在水利工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。重力式擋土墻多采用石塊、片石或混凝土整體澆注的形式；由于其體積和重量均較大，因此在軟土地基上的應(yīng)用受到了一定程度的應(yīng)用；同時(shí)如果擋土墻墻體太高、需要較多的建筑材料，重力式擋土墻在經(jīng)濟(jì)上也并不劃算。即在地基較好且擋土墻高度適中的情況下，如果當(dāng)?shù)赜惺峡捎脛t重力式片石擋土墻則是擋土墻形式的首選。關(guān)于擋土墻的具體形式如圖1所示。

圖1重力式擋土墻格式圖

根據(jù)圖1所示，維持混凝土穩(wěn)定的形式多是根據(jù)自身重量和上部填土質(zhì)量進(jìn)行設(shè)計(jì)的，隨著擋土墻高度的增加，體積也會(huì)較大的增加。鑒于漿砌石重力式擋土墻彼此粘結(jié)強(qiáng)度較弱，因此多采用延長(zhǎng)墻趾的方式。

1.2 扶壁式擋土墻

作為擋土墻的另一種常見形式，扶壁式擋土墻主要是依靠底板上的填土質(zhì)量來維持擋土墻的穩(wěn)定的擋土墻。懸臂式擋土墻包括底板、直墻構(gòu)成，主要構(gòu)件包括立壁、趾板及踵板等。具體構(gòu)件形式如圖2所示。

圖2扶壁式擋土墻圖

根據(jù)圖2可知，扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)單，方便施工，由于踵板的采用，在松軟地基中也能得到較為廣泛的應(yīng)用。如果施工條件對(duì)于擋土墻的高度要求較高時(shí)，使得力臂下部彎矩較大，使得對(duì)于材料的需求較多，扶壁式擋土墻則體現(xiàn)了其經(jīng)濟(jì)性。

1.3 衡重式擋土墻

對(duì)于衡重式擋土墻，分為空腹衡重式和實(shí)心衡重式擋土墻，主要結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 衡重式擋土墻圖

根據(jù)圖3所示，空腹式混凝土擋土墻，由于墻呈空腹?fàn)顟B(tài)，可以采取開孔充水或者用渣土填充，這可以較大程度的增加擋土墻的重量，大大增加擋土墻的穩(wěn)定程度。

2 重力式擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性可靠度分析模型

鑒于重力式擋土墻在水利工程中較為常見，同時(shí)在水利工程病害檢測(cè)中，重力式擋土墻的穩(wěn)定性成為較為常見的病害，根據(jù)查閱相關(guān)文獻(xiàn)和實(shí)際工程，穩(wěn)定性是造成重力式擋土墻破壞的主要原因，以下從受力原理上計(jì)算重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性，對(duì)于重力式擋土墻的穩(wěn)定性提供理論上的支持。

2.1 重力式擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性功能函數(shù)的建立

對(duì)于擋土墻的穩(wěn)定性，主要是要求擋土墻不發(fā)生圍繞墻趾的傾覆性破壞，計(jì)算模型如圖4所示。

對(duì)于其穩(wěn)定性要求的數(shù)學(xué)表達(dá)式如下：

式中:MR為抗傾覆力矩；MS為傾覆力矩。

根據(jù)庫倫壓力理論可知，當(dāng)填土表面水平，上部不考慮壓力作用的時(shí)候，土壓力計(jì)算公式如下所示：

圖4 重力式擋土墻計(jì)算模型圖

式中：主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka；其計(jì)算公式如下：

式中:γ—墻后填土的重度；H—擋土墻高度；?—內(nèi)摩擦角；α—擋土墻墻背傾角；δ—土對(duì)擋土墻墻背的摩擦角。

根據(jù)上述分析，可得繞墻趾轉(zhuǎn)動(dòng)的抗傾覆穩(wěn)定的功能函數(shù)，具體如下式所示：

式中：G—擋土墻自重；Ex，Ey—主動(dòng)土壓力的水平和垂直分力；G Z x，G Z y，Z—重力、水平土壓力、垂直分力到墻趾距離。

2.2 重力式擋土墻抗滑移穩(wěn)定性功能函數(shù)的建立

對(duì)于重力式擋土墻的要求，則要求強(qiáng)身不產(chǎn)生沿基底的滑動(dòng)破壞，具體如下式所示：

式中：FR、FS—抗滑力和滑動(dòng)力。

式中：μ—土對(duì)擋土墻基底的摩擦系數(shù)；a0—擋土墻的基底傾角；Gn、Gt—重力分力，分別為垂直于基底、平行于基底；Ean，Eat—主動(dòng)土壓力分力，分別為垂直于基底和平行于基底。

3 工程應(yīng)用

3.1 工程概況

為了解的抗滑移和抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算在重力式擋土墻安全驗(yàn)證總的應(yīng)用，需要通過計(jì)算對(duì)于實(shí)際擋土墻進(jìn)行安全分析。根據(jù)設(shè)計(jì)圖紙和實(shí)地考察情況，擋土墻墻背傾角α=81.50°，地面均布荷載為10 kPa。擋土墻高度為5 400 mm，觸底寬度為1 200 mm，土背墻摩擦角δ=9.50°；擋土墻背后為人工填土，γ擋土=22 kN/m3，基底以下為雜填土，γ填土=18 kN/m3，其他有關(guān)巖土參數(shù)和擋土墻參數(shù)如圖5和表1所示。

圖5 某重力式擋土墻計(jì)算示意圖

表1巖土參數(shù)取值表

3.2 穩(wěn)定性分析

根據(jù)上述公式可知，對(duì)于擋土墻的墻背土壓力，根據(jù)庫倫靜止土壓力進(jìn)行計(jì)算，查表可知主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=4.43×10-1，查規(guī)范可知：

對(duì)于重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算如下式：

帶入規(guī)范取值參數(shù)，需要滿足Ka≥1.30。

對(duì)于重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性安全系數(shù)計(jì)算如下式：帶入規(guī)范取值參數(shù)，需要滿足Kt≥1.60。

代入工程中實(shí)際計(jì)算參數(shù)，可以得到重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性參數(shù)：Ka=0.81＜1.30。

即不滿足規(guī)范對(duì)于重力式擋土墻抗滑移系數(shù)≥1.30的要求。

重力式擋土墻的抗傾覆性參數(shù)：

Kt=1.75＞1.60。即重力式擋土墻抗傾覆穩(wěn)定性參數(shù)滿足規(guī)范要求。

4 結(jié)果分析及解決措施

4.1 結(jié)果分析

根據(jù)上述分析結(jié)果，擋土墻的抗滑移穩(wěn)定性系數(shù)不滿足規(guī)范要求；根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)查發(fā)現(xiàn)，擋土墻頂部產(chǎn)生較大變形；綜合分析主要是由以下幾種情況造成：①擋土墻填料主要為可塑性粘土組成，填土性質(zhì)與原設(shè)計(jì)采用的砂土，回填后做壓密注漿壓密處理的效果相差較大，即增加了主動(dòng)土壓力。②填土采用可塑性粘土，同時(shí)排水不暢，造成水流停滯給頂部增加了較大的主動(dòng)土壓力。③擋土墻地基處理不合理，采用雜填土，使得地基無法滿足重力式擋土墻及墻背土壓力在豎向的分離，使得地基發(fā)生較大變形，造成擋土墻的整體滑移甚至傾覆。

4.2 加固措施

根據(jù)上述對(duì)于擋土墻穩(wěn)定性不足原因的分析，需要采取以下加固處理措施：增加擋土墻穩(wěn)定主要是增加擋土墻抗滑與抗傾覆的能力。設(shè)置傾斜的墻底，通過增加抗滑力來增加整體重力式擋土墻的康華穩(wěn)定性，選擇臺(tái)階形式基礎(chǔ)，增加被動(dòng)土壓力來提高擋土墻的抗滑能力。疏通所有擋土墻的原設(shè)計(jì)排水孔，對(duì)于積水位置考慮增加排水孔，重新施工的話，考慮增加排水孔的梅花形布置，同時(shí)孔眼不低于100 mm。改善重力式擋土墻斷面類型的方式進(jìn)行改進(jìn)。如擋土墻較高時(shí)選擇增加卸荷平臺(tái)，或者改善擋土墻與地基接觸方式或者提高地基處理等級(jí)。

5 結(jié)語

擋土墻的作用主要是通過維持擋土墻背后土體的穩(wěn)定性來增加水利工程的安全性，因此對(duì)于水利工程建設(shè)工程需要合理設(shè)置擋土墻，選擇合理的擋土墻形式，充分發(fā)揮擋土墻維持水利工程安全的作用。對(duì)于重力式擋土墻而言，需要做好擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性分析計(jì)算，保障工程安全。對(duì)于重力式擋土墻的常見穩(wěn)定性問題，文章做了計(jì)算，通過與規(guī)范要求對(duì)比分析，提出了擋土墻失穩(wěn)的原因，并分析了針對(duì)性的解決措施。相關(guān)研究對(duì)于未來類似工程提供可資借鑒的經(jīng)驗(yàn)。

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