高地震烈度區域擋土墻形式比選分析

吳科亮

上海勘測設計研究院有限公司 上海 200335

正文：

1.前言

我國地震活動頻度高、強度大、震源深度淺，分布范圍廣，是一個地震災害發生非常嚴重的國家。自20世紀以來，有統計的我國死于地震的人數達 55萬之多，占全世界因地震死亡人數的53%。與此同時隨著國家西部大開發戰略、一帶一路方針的實施，不可避免的需要在青藏高原地震帶等高烈度地震區域范圍內進行基礎建設和經濟開發。

為降低地震對人民安全的威脅、減少地震產生的經濟損失，研究設計合適的擋土墻形式非常必要。常見的擋墻形式主要有：重力式擋土墻、衡重式擋土墻、懸臂式擋土墻及卸荷板式擋土墻等。由于工程地理位置所限，本文中僅對重力式擋土墻、衡重式擋土墻、卸荷板式擋土墻等三種形式擋墻進行比選分析。

2.工程概況

墨脫縣位于雅魯藏布江下游活躍的地震帶上，地震活動強烈。根據歷史地震監測資料揭示，地震震中主要分布于旁辛～墨脫縣沿江一帶，與活動斷裂的展布基本一致。本文依托墨脫水電基地工程展開研究，該工程位處區域地震活動強度大、頻率高，曾發生過中國歷史上最大的地震：1950年察隅-墨脫8.6級地震。

本工程位于墨脫舊縣城老城區的西南側，距老城區最近僅約500米。基地依山而建，分為上下兩個臺地，臺地間高差12m，考慮使用擋土墻8m高結合放坡進行防護。

3.計算參數

3.1 工程地質條件

根據地質調查及勘探資料分析，場地表面主要分布第四系覆蓋層，勘探資料表明基巖主要為燕山期花崗巖(r5-6)。第四系各種成因的松散積物不整合于燕山期花崗巖基巖之上。各地層按由新至老的順序簡述如下。

碎礫石砂土（Q4pl+dl）：整個場地廣泛分布，整體呈黃褐色～灰褐色，稍濕～濕，結構松散～密實。主要由礫石、砂、土及少量碎石組成。鉆探揭示該層厚度較大，一般厚幾米～十幾米左右。

粉質粘土（Q4dl）：該層主要分布于基巖頂面，其中平緩地段厚度較大，一般1.5m～4m；斜坡地段厚度薄，僅約幾十厘米。整體呈黃色～黃褐色，稍濕～濕，可塑～硬塑。

淤泥質砂土（Q4pl+l）：鉆探揭示該層主要分布于平緩地段，埋藏深度較大，厚度一般0.5m～3.5m。整體呈灰黑色，稍濕～濕，軟塑～可塑。主要由砂、土及少量礫石組成。

燕山期花崗巖(r5-6) ：燕山期的侵入巖體，分布面積較廣、厚度較大。受區域構造及氣候等影響，巖體風化較強，場地及附近均表現為全風化，厚度大。

結合《中國地震動參數區劃圖》（GB 18306-2015）及《建筑抗震設計規范》(GB50011-2010)，場區抗震設防烈度Ⅸ度，動峰值加速度0.40g，地震反應譜特征周期0.45s，抗震設計分組第三組。

3.2 工程地質參數

根據地質調查及勘探資料揭示，現場土層物理力學性質參數如下表所示：

表1 土層物理、力學性質參數一覽表

4.計算原理

4.1 荷載作用機理

地震影響下的擋土墻所受荷載主要由擋土墻的自重、墻后均布荷載及墻背回填土的主動土壓力、水平地震荷載組成。其中不同形式的擋土墻土壓力分析情況分別如下：

首先重力式擋土墻土壓力受力分析情況如圖1所示：

圖1 重力式擋土墻土壓力、受力分解圖

其次，衡重式擋土墻利用衡重臺將上墻土壓力減少，從而減小下墻部分的土壓力，其土壓力受力分析情況如圖2所示：

圖2 衡重式擋土墻土壓力、受力分解圖

最后，卸荷板擋土墻土壓力的計算，按假想衡重式擋土墻模型（在卸荷板右端點處做一垂直的假象墻背）進行計算，再對卸荷板影響的土壓力處進行處理。上墻土壓力計算同衡重式擋土墻，下墻受卸荷板的卸荷作用影響，土壓力減小，土壓力合力作用點下降。卸荷板式擋土墻土壓力情況如圖3所示：

卸荷板式擋土墻的上墻土壓力(ab段)、卸荷板端部土壓力(bc段)、下墻下段土壓力(ef段)均與衡重式擋土墻計算方法相同；卸荷板下土壓力(cd段)僅考慮卸荷板下土體自重；卸荷板下變化段內土壓力(de段)由d、e兩點對應的土壓力(d’、e’ )相連接得到。

根據《公路工程抗震規范》中規定，擋土墻的水平地震荷載如下：

4.2 擋土墻參數

根據04J008擋土墻圖集中的填料內摩擦角為30°，基底摩擦系數=0.4條件下的直立式擋土墻以及衡重式擋土墻參數分別設計。

圖4擋土墻剖面圖（h1=0.4H）

各形式擋土墻參數見下表2所示。

表2 擋土墻參數一覽表

5.計算結果與分析

使用理正巖土擋土墻設計軟件對三種擋土墻的土壓力分別進行計算，結果如下表所示：

表3 各式擋土墻土壓力計算表

由于衡重臺、卸荷板的卸荷作用，隔斷了上墻土體對下墻土體的土壓力傳遞，使下墻所受的土壓力變小。下墻所受的土壓力變小，相應的水平地震荷載也隨之減小，從而擋土墻受到的傾覆力矩變小，擋土墻的抗傾覆能力提高。

進行穩定性計算后可以得到以上三種形式擋土墻的安全系數與工程量的對比如下表所示。

表4擋土墻安全系數及工程量對比表

分析上表易知，衡重式擋土墻相比直立式擋土墻減少圬工10.7%，抗傾覆系數和整體穩定性（圓弧滑動）系數分別提高了14.3%和8%;而卸荷板式擋墻相比直立式擋墻減少圬工19.2%，抗傾覆系數和整體穩定性（圓弧滑動）系數分別提高了7%和8%。

6.結論與建議

（1）根據驗算，參考圖集設計的三種擋土墻在考慮地震影響的條件下是均穩定的，并具有一定的安全儲備。

（2）衡重式擋土墻與卸荷板式擋土墻相較一般的重力式擋墻，無論是圬工用量（經濟成本）還是各項穩定性系數（安全）均有顯著的優勢。

（3）由于卸荷板式擋土墻在卸荷板下的圬工數量相較衡重式擋墻更少，同時在安全性上并不遜色。顯然在施工中圬工數量較少的卸荷板式擋墻更加具有優勢。

綜上所述卸荷板式擋土墻在高烈度地震區有明顯的優勢，工程設計中建議選用該種形式進行施工。