考慮地震作用下的云南山區(qū)高速公路衡重式擋土墻設(shè)計(jì)優(yōu)化

汪媛媛

摘要 考慮地震的作用下，通過(guò)安全性及經(jīng)濟(jì)合理性分析，文章對(duì)云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。通過(guò)分析得出，衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺(tái)寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)是影響其基底壓應(yīng)力的重要參數(shù)。通過(guò)調(diào)整以上參數(shù)，在滿(mǎn)足安全性的前提下，可對(duì)衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以提高其經(jīng)濟(jì)合理性。

關(guān)鍵詞 云南山區(qū)高速公路；衡重式路堤擋土墻；土壓力；安全性分析；設(shè)計(jì)優(yōu)化

中圖分類(lèi)號(hào) U417.11文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A文章編號(hào) 2096-8949（2024）05-0144-03

0 引言

山區(qū)高速公路擋土墻通常情況下是采用標(biāo)準(zhǔn)圖進(jìn)行設(shè)計(jì)，未結(jié)合實(shí)際情況，針對(duì)工點(diǎn)進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以最大限度滿(mǎn)足工程的安全性與經(jīng)濟(jì)性。該文以云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻為實(shí)例，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)圖中擋土墻高度為8 m、填土高度為6 m的擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，并通過(guò)分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度，兩種情況下?lián)跬翂Φ陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性，對(duì)常用高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

1 工程概況

某新建高速公路設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)為雙向四車(chē)道，設(shè)計(jì)速度100 km/h，主線(xiàn)按4車(chē)道高速公路建設(shè)，整體式路基寬度為26 m，抗震設(shè)防烈度為Ⅷ度，設(shè)計(jì)工點(diǎn)主要土層物理、力學(xué)指標(biāo)詳見(jiàn)表1。

2 擋土墻設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

該工程擋土墻設(shè)計(jì)中，采用衡重式擋土墻，墻身材料為混凝土，墻高為8 m，墻頂填土高度為6 m。擋土墻斷面示意詳見(jiàn)圖1，墻身詳細(xì)尺寸見(jiàn)表2。

2.2 計(jì)算分析

在工程建設(shè)領(lǐng)域，土壓力計(jì)算的常用理論有朗肯土壓力理論和庫(kù)倫土壓力理論。由于兩者計(jì)算的主動(dòng)土壓力誤差不大，且?guī)靷惱碚撨m用于較廣泛的邊界條件，應(yīng)用范圍更廣，一般通過(guò)手冊(cè)[1-2]的經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行計(jì)算。庫(kù)倫主動(dòng)土壓力的計(jì)算原理[3]：假定擋土墻為剛性，墻后填土為無(wú)黏性土，墻后填土以一個(gè)楔體的形式滑動(dòng)，楔體的邊界為地面、墻背和填土土體中通過(guò)墻踵的滑動(dòng)平面，當(dāng)墻背移離填土，墻后土體達(dá)到極限平衡狀態(tài)時(shí)，根據(jù)土楔的力系平衡條件，可求出擋土墻對(duì)滑動(dòng)土楔的支承反力，即為庫(kù)倫主動(dòng)土壓力（Ea），表達(dá)式如式（1）：

（1）

式中，Ea——庫(kù)倫主動(dòng)土壓力（kN）；W——自重加上部作用在楔體范圍內(nèi)地面上的附加荷載重（kN/m）；θ——滑動(dòng)面與水平面的夾角（°）；α——擋土墻背與水平面的夾角（°）；φ——土的內(nèi)摩擦角（°）；β——墻背與土間的摩擦角（°）。

庫(kù)倫土壓力計(jì)算理論通常適用于擋土墻背部填料為砂性土類(lèi)的材料。遇到擋土墻墻后填土為非砂性土的情況時(shí)，可對(duì)土體的黏聚力c值進(jìn)行等效轉(zhuǎn)換后，采用庫(kù)倫土壓力計(jì)算理論。設(shè)計(jì)時(shí)采用公路行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，土壓力采用庫(kù)倫土壓力理論計(jì)算，利用理正擋土墻計(jì)算軟件，荷載加載位置在距離墻頂面9 m處，墻頂填土高度為6 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5，墻背與墻后填料內(nèi)摩擦角取值為20 °，由于庫(kù)倫土壓力計(jì)算主動(dòng)土壓力時(shí)與實(shí)際值接近，在采用庫(kù)倫土壓力理論計(jì)算時(shí)，對(duì)擋土墻的整體穩(wěn)定性也進(jìn)行計(jì)算。滑移穩(wěn)定、傾覆穩(wěn)定性及整體穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表3。

根據(jù)通用圖中該地區(qū)衡重式擋土墻尺寸，考慮地震作用，通過(guò)表3計(jì)算結(jié)果可知：該擋土墻斷面尺寸滿(mǎn)足滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性要求，但擋土墻界面尺寸較大，且擋墻墻趾與墻踵壓應(yīng)力差值較大，受力不均勻。因此，該衡重式路堤擋土墻尺寸存在優(yōu)化設(shè)計(jì)空間。

3 優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 墻身尺寸優(yōu)化

在保證擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性滿(mǎn)足規(guī)范要求的前提下，通過(guò)調(diào)整衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺(tái)寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)，減小擋土墻圬工量，滿(mǎn)足工程安全性及經(jīng)濟(jì)合理性的要求。調(diào)整參數(shù)后的擋土墻尺寸詳見(jiàn)表4。

3.2 安全性及經(jīng)濟(jì)性比較

經(jīng)過(guò)計(jì)算得出斷面優(yōu)化后，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)詳見(jiàn)表5，滿(mǎn)足規(guī)范要求，優(yōu)化前后計(jì)算結(jié)果對(duì)比詳見(jiàn)圖2。

安全性方面，從圖2可以得出，擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸優(yōu)化后，滑移穩(wěn)定系數(shù)由4.211減小至4.175，擋土墻的傾覆穩(wěn)定性系數(shù)從優(yōu)化前的5.611減小至優(yōu)化后的4.818，滑移穩(wěn)定系數(shù)降低0.8%，相差較小，抗傾覆穩(wěn)定性系數(shù)降低14%，兩個(gè)數(shù)值仍滿(mǎn)足規(guī)范要求。傾覆穩(wěn)定性系數(shù)減小的原因是在擋土墻優(yōu)化過(guò)程中，減小了墻身斷面尺寸，進(jìn)而減小了擋土墻的自身重力，導(dǎo)致?lián)跬翂Φ目箖A覆穩(wěn)定性系數(shù)減小，但也滿(mǎn)足規(guī)范要求。

經(jīng)濟(jì)性方面，擋土墻優(yōu)化前，每延米體積為35.900 8 m3，優(yōu)化后為26.78 m3，圬工量顯著減小。

4 針對(duì)云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖的設(shè)計(jì)優(yōu)化

采用庫(kù)倫土壓力計(jì)算理論，通過(guò)分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度兩種情況下?lián)跬翂Φ陌踩耘c經(jīng)濟(jì)性，對(duì)云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。限于篇幅，該文針對(duì)高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。

4.1 不同填土高度時(shí)，8 m衡重式路堤擋土墻最優(yōu)尺寸計(jì)算

不同填土高度時(shí)，8 m衡重式路堤擋土墻墻身尺寸優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比詳見(jiàn)表6，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表7。

4.2 相同填土高度時(shí)，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻的最優(yōu)尺寸計(jì)算

相同填土高度時(shí)，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻墻身尺寸優(yōu)化前后數(shù)據(jù)對(duì)比詳見(jiàn)表8，擋土墻滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)計(jì)算結(jié)果詳見(jiàn)表9。

5 結(jié)語(yǔ)

考慮地震的作用下，該文通過(guò)安全性及經(jīng)濟(jì)合理性分析，對(duì)云南山區(qū)高速公路衡重式路堤擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化。對(duì)于山區(qū)高速公路路堤擋土墻設(shè)計(jì)，從防護(hù)高度、地質(zhì)情況等因素考慮，確定擋土墻的選用類(lèi)型。擋土墻墻身尺寸、墻后填土的物理參數(shù)、地基土承載力及計(jì)算荷載等因素影響擋土墻的安全性及經(jīng)濟(jì)性。同時(shí)，在擋土墻設(shè)計(jì)中，滑移穩(wěn)定、抗傾覆及整體穩(wěn)定性系數(shù)滿(mǎn)足規(guī)范要求并不意味著設(shè)計(jì)合理，應(yīng)通過(guò)調(diào)整擋土墻頂寬、衡重臺(tái)寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數(shù)，有針對(duì)性地對(duì)擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)優(yōu)化，以滿(mǎn)足經(jīng)濟(jì)合理性的要求。

參考文獻(xiàn)

[1]鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院. 鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)-路基（修訂版）[M]. 北京：中國(guó)鐵道出版社， 1995.

[2]顧慰慈. 擋土墻土壓力計(jì)算手冊(cè)[M]. 北京：中國(guó)建材工業(yè)出版社， 2005.

[3]李振山， 葉燎原， 李晶. 經(jīng)典土壓力理論的一般形式[J]. 昆明理工大學(xué)學(xué)報(bào)（理工版）， 2007（4）： 120-124.