高边坡挡土墙安全复核计算的分析
2016-02-06王广森
王广森，张 丽
(大连市水利规划设计院，辽宁 大连 116021)
高边坡挡土墙安全复核计算的分析
王广森，张 丽
(大连市水利规划设计院，辽宁 大连 116021)
该高边坡挡土墙位于某办公楼南侧山坡下，其作用是防止山体滑坡以及冲积物进入建筑场地，以保护办公楼安全。挡土墙长46.0m，墙高18.0m左右，为浆砌石仰斜式重力挡土墙结构。文章在进行现场勘察分析后选取挡土墙典型计算断面，结合相关规范对其进行抗滑、抗倾、抗剪等方面安全复核计算，提出评价结论。
高边坡挡土墙；抗滑稳定；坝基应力；安全复核
0 前 言
大连市某单位高边坡挡土墙位于办公楼南侧山坡下，挡土墙距办公楼约12m，其作用是防止山体滑坡以及冲积物进入建筑场地，以保护办公楼的安全。
该挡土墙系1994年设计并施工，建成至今已20余年，原设计时执行旧时规范，存在挡土墙主动土压力计算无增大系数、挡土墙抗滑稳定安全系数及抗倾稳定安全系数偏低等问题，加之挡土墙建成年代久远，墙体高度大，距离办公楼近，故对该挡土墙进行安全复核计算是十分必要的。
1 工程概况
挡土墙长46.0m，为浆砌石仰斜式重力挡土墙结构。墙高18.0-18.5m，墙体浆砌石所采用的毛石强度等级MU40、水泥砂浆强度等级M5，挡土墙地基岩性为强风化辉绿岩。
原设计挡土墙顶宽1.0m，底板宽6.97-7.10m，临空侧边坡比1∶0.4、挡土侧边坡比1∶0.15，墙临空侧地面以上5m处设有1.0m宽缓台。墙体排水孔竖向间距2m，水平间距3m，孔径100mm。墙顶高程109.20-109.70m，墙前地面高程91.20m，临空侧底板厚1.0m，挡土侧底板厚2.2m。挡土墙沿长度方向分为两段，每段长23m，缝内充填20mm厚沥青木板。
墙顶后侧设有钢筋混凝土排洪渠槽，梯形断面，底宽0.5m，顶宽1.0m，槽深0.3m。
本次复核计算根据原挡土墙设计断面，通过现场踏勘分析，结合相关现行规范对其进行抗滑、抗倾、抗剪等方面安全复核计算，提出评价结论[1]。
本工程原地勘工作岩石试验样品19件，岩性为侏罗纪侵入岩体的辉绿岩， 勘探场地周围地形起伏较大，沟壑纵横。勘探场地范围内，地形自然坡度近20°，相对高差在12m左右。由于受到旋转构造作用的影响，地貌属于构造及物理风化性质的剥蚀、侵蚀的低山丘陵[2]。
地基承载力标准值[R]为400kPa。
2 结构安全性分析
2.1 结构受力分析
2.1.1 计算断面及参数确定
本次挡土墙复核计算，取单位长度l=1.0m墙体，采用最大墙高断面为计算断面，墙体净高18.5m。墙顶宽1.0m，临空侧边坡比1∶0.4、挡土侧边坡比1∶0.15，墙临空侧地面以上5m处设有1.0m宽缓台。墙顶以上填土坡度按1∶1.5计算。临空侧底板厚1.0m，挡土侧底板厚2.2m。
墙后填土为开山碎石料，填土容重取r=22kN/m3，填土内摩擦角φ=40°，填土对挡土墙墙背的摩擦角δ=20°。挡土墙地基为强风化辉绿岩。墙体材料强度按原设计采用，浆砌石墙体容重取r墙=23 kN/m3。
2.1.2 荷载和作用
根据现场踏勘情况，挡土墙挡土一侧山坡高于墙顶，墙顶无其他堆载。挡土墙所受主要荷载为：墙体自重、土压力、水压力和扬压力[3-5]。
本区抗震抗防烈度为7度，设计基本地震加速度为0.10g。挡土墙按本地区抗震设防烈度确定其抗震措施和地震作用[6]。根据《砌体结构设计规范》4.1.4规定，确定挡土墙结构安全等级为二级，挡土墙结构重要性系数r0=1.0。
1)土压力计算：
(1)
式中参数见规范。
2)水压力计算：
原设计为降低墙后填土中水位采取了较多措施，如在墙顶设截流沟，墙后填土顶面采用混凝土护砌，墙体设排水孔等，同时墙后山体植被覆盖较好，减小了地表水向地下深处的渗入。
(2)
式中参数见规范。
基础底面以上挡土墙荷载计算结果见表1。
表1 挡土墙荷载计算成果表 kN
2.2 墙体验算
墙体稳定验算分以下4种工况：①无水情况；②低水情况；③地震和无水情况组合；④地震和低水情况组合[7]。
无水情况时地下水位在墙底以下。
低水情况时墙后填土水位取在最下一排排水孔处，到墙前底板底面水深1.8m，排水管以上填土中水分由排水管排出，不产生水压力，墙前水位在底板顶面处[8]。
2.2.1 抗滑移稳定性验算
挡土墙抗滑移验算分别考虑以下2种情况：
1)沿基础底面滑动时，按下列公式进行验算，挡土墙断面及受力情况见图1。
图1 挡土墙沿基底抗滑稳定验算示意图
Gn=Gcosα0
Gt=Gsinα0
Eat=Easin(α-α0-δ)
Ean=Eacos(α-α0-δ)
(3)
式中：Fs为抗滑稳定安全系数；G为挡土墙每延米自重，kN；α0为挡土墙基底的倾角，°α0=9.6°；δ挡土墙墙背的倾角，°，α=98.53°；μ=98.53°；δ为土对挡土墙墙背的摩擦角，°；μ为地基对挡土墙基底的摩擦系数，地基为强风化辉绿岩，挡土墙沿基底斜面滑动时，取μ=0.55。
挡土墙沿基底抗滑稳定计算成果见表2。
表2 挡土墙沿基底抗滑稳定计算成果表
计算结果可知，4种计算工况挡土墙沿基底抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，满足抗滑稳定安全要求，其中相对不利计算工况为低水情况、地震和低水组合情况。
2)沿墙踵水平面滑动时，按下列公式进行验算，挡土墙断面及受力情况见图2。
图2 挡土墙沿水平面抗滑稳定验算示意图
Eax=Easin(α-δ)
Eaz=Eacos(α-δ)
(4)
式中：μ为挡土墙沿水平面滑动时的摩擦系数，对强风化辉绿岩，沿墙踵水平面滑动时取μ=0.90。
挡土墙沿水平面抗滑稳定计算成果见表3。
表3 挡土墙沿水平面抗滑稳定计算成果表
计算结果可知，4种计算工况挡土墙沿水平面抗滑稳定安全系数均大于规范允许值，满足抗滑稳定安全要求，同样，其中相对不利计算工况为低水情况、地震和低水组合情况[9]。
经比较，挡土墙抗滑稳定是由沿基础底面滑动控制。
2.2.2 抗倾覆稳定性验算
挡土墙抗倾覆稳定性按下式进行验算，挡土墙断面尺寸及受力情况见图3。
图3 图3 挡土墙抗倾覆稳定验算示意图
xt=b-zcotα
zf=z-btanα0
(5)
式中：Ft为抗倾稳定安全系数；z为土压力作用点与墙踵的高度，m；x0为挡土墙重心与墙趾的水平距离，m；b为基底的水平投影宽度，m。
挡土墙抗倾稳定计算成果见表4。
表4 挡土墙抗倾稳定计算成果表
计算结果可知，4种计算工况挡土墙抗倾稳定安全系数均大于规范允许值，控制工况仍为低水情况、地震和低水组合情况。
2.3 地基验算
根据原地勘资料，挡土墙地基岩性为强风化辉绿岩，地基承载力标准值[R]=400kPa。
该挡土墙已建成运行20余年，挡土墙前混凝土地面平整，未见明显地基塌陷下沉等反常现象。据此分析，强风化辉绿岩地基的实际承载力是满足要求的，根据《建筑地基基础设计规范》(GB50007-2011)及辽宁省地方标准《建筑地基基础技术规范》(DB21/ 907-2005) 本次复核地基承载力特征值的下限取500kPa。
1)基础底面压力计算：
(6)
式中：Mk为相应于作用的标准组合时，作用于基础底面的力矩值，kN·m；W为基础底面的抵抗矩，m3；pkmax为相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最大压力值，kPa；pkmin为相应于作用的标准组合时，基础底面边缘的最小压力值，kPa；pk为相应于作用的标准组合时，基础底面处的平均压力值，kPa。
2)地基承载力计算：
基础底面的压力，应满足以下要求：
pk≤fa
pkmax≤1.2fa
(7)
式中：fa为修正后的地基承载力特征值，fa=500kPa。地基承载力计算结果见表5。
表5 挡土墙地基承载力计算成果表
从以上地基承载力计算结果看，基底压力平均值小于修正后的地基承载力特征值，基底压力最大值小于修正后的地基承载力特征值1.2倍，均满足规范要求。
低水情况为不利工况控制情况。
3 存在问题及建议
3.1 存在问题
挡土墙主要存在以下问题：
1)墙体表面勾缝砂浆老化，剥蚀脱落，可能造成墙体表面块石脱落和墙体局部破坏。
2)内部砂浆强度不清楚，墙体排水孔内部情况不详。
3.2 建议
挡土墙经过安全复核计算后，提出以下建议：
1)墙体表面砂浆重新勾缝，采用挂钢筋网并喷射混凝土等措施，防止墙体块石脱落和局部剪切破坏。
2)对排水管及泄水槽等排水设施进行及时清理和必要的维修，以保证排水设施安全有效。
3)加固设计前应进行变形观测和砂浆强度检测，并采取相应措施。根据需要补充必要的地勘工作。
4)加强日常检查、监测和安全防护。
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1007-7596(2016)11-0059-04
2016-10-20
王广森(1974-)，男，山东东平人，高级工程师，从事水利设计工作；张丽(1974-)，女，山东海阳人，高级工程师，从事水利设计工作。
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