二级垛式新型悬臂式支挡结构分析探讨

梁　桥，陈　翔，周文权

(1.湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104；2.湖南湘平路桥建设有限公司，长沙 410075 )



二级垛式新型悬臂式支挡结构分析探讨

梁桥1，陈翔2，周文权1

(1.湖南工程学院 建筑工程学院，湘潭 411104；2.湖南湘平路桥建设有限公司，长沙 410075 )

为有效提高常规悬臂式结构支撑高度，提出二级垛式新型悬壁式挡墙结构，该结构采用类似减压平台挡土墙整体土压平衡计算模式，综合考虑整体平衡及第二破裂面影响，合理选择各级挡墙滑动面及整体滑动面，探讨了二级垛式新型悬臂式挡墙的土压力计算方法，通过工程实例对比研究显示，二级新型悬臂式挡墙墙背受力更合理，稳定性也优于单级挡土墙，该方法为今后类似工程的修建提出了一些设计建议.

垛式悬臂式挡墙；土压力；计算方法；交替变形

长期以来，石砌的重力式挡土墙和衡重式挡土墙被广泛地采用，但由于重力式挡土墙的稳定性主要依靠墙身自重来保证，因而墙身断面较大，圬工量多，施工进度慢，动力的成本高，在地形困难，石料缺乏的地区应用不便，因此采用钢筋混凝土预制块拼装式挡土墙将是支挡结构发展的方向之一，而悬臂(扶壁)式挡墙是其中的一种轻型的，易实现机械化，又能充分发挥材料的强度特性，同时还能依靠墙后填土来维持稳定的柔性挡土墙[1].

近年来，悬臂式挡墙作为一种新型的支挡结构，在工程应用中较多，如在北京市政工程建设中广泛运用了装配式钢筋混凝土悬臂式路肩挡土墙，节约了用地[2][3]；在青藏铁路高原冻土地带，悬臂式挡墙更是作为唯一的支挡结构而得到了广泛的关注[4]；在湖南长沙市湘江东岸防洪工程中，由于沿江较厚的杂填土层以及复杂的地下管线问题限制了加筋土或锚杆等的可行性，因而采用了较为经济、合理的扶壁式挡墙这一结构形式，比一般衡重式挡土墙节约污工量40%左右[5]，而在实际工程中，单级悬臂(扶壁)式挡墙有了比较完善的经验可循，但是单级悬臂(扶壁)式挡墙的局限性还是存在，根据《规范》悬臂式挡墙最大高度为6 m，当超过6 m的时候要增设扶壁，即使增设了扶壁，其高度也增加有限，满足不了工程上的需要，为了进一步提高悬臂式挡墙的支挡高度，扩大其应用范围，充分发挥运用这种支挡结构的轻型，结构简单，占地少，对基地应力要求不高，能适用交替变形等特点，本文提出二级垛式新型悬臂(扶壁)式挡墙提高其支挡高度、并进一步使其结构轻型化进行理论分析与工程应用.

1　二级垛式悬臂式支挡结构土压力分析及计算模式

二级悬臂式支挡结构是一种新型的支挡形式，这种形式的支挡结构即可以发挥出一级挡墙的所有特点，还能使结构进一步轻型化，机械化，其应用前景可观，如图1所示为二级悬臂式挡土墙，在国内，梁波、王家东等曾经对垛式新型悬臂式挡墙进行过数值分析和应用探讨，从理论上证明了二级垛式挡土墙在受力上是可行的，可以将其应用拓展到更高的防护需要[6][7].

图1　二级悬臂式挡墙计算墙面

2　二级垛式悬臂式支挡结构理论解析

对于二级悬臂式挡墙上墙而言，其土压力的计算方法可参考《规范》[8]中的悬臂式挡墙的计算方法；但对于下墙，如果作用的均部荷载分布范围较大，可以采用上述悬臂式挡墙作用有均部荷载时的土压力计算情况，但当墙顶为局部均布荷载分布的情况下，土压力的计算又有所不同.

破裂面与竖直面夹角：

(1)

h0—挡墙上墙荷载等效高度

(2)

则土压力可采用下述公式：

图2　二级挡墙下墙土压力简化计算示意图

(3)

土压力作用点位置为：

(4)

3　假想整体墙背条件下的理论解析

当二级悬臂挡墙整体作用时，将采用类似于有减压平台的挡土墙的土压力计算方法，由于有减压平台的挡土墙的计算墙面为一个折线形的墙面，土压力计算时采用的是非直线墙面上的土压力计算方法，因此对于这种新型的悬臂式支挡结构形式具体计算方法也采用类似的方法，如图3所示.

图3　二级挡墙土压力计算简图

3.1滑动面倾角θ的计算

(5)

式中α3—墙面DE与竖直平面之间的夹角(°)

则

(6)

从F点作水平面FM与DC面的延长平面DM(竖直平面正交于M点)，由图3中的几何关系可知，滑动土体的体积为

(7)

式中

D=btanβ+H1+H2+H4

H1，H2，H4——分别为墙段AB，CD和DJ的高度(m)；

β——填土表面与水平面的夹角；

B——FM的长度；

α——计算墙面GC与竖直面的夹角；

填土的主动土压力为：

(8)

式中λ0——土压力系数，其值

(9)

式中ac——从G点到J点各段计算墙面与竖直面夹角的加权平均值，即

θ——填土滑动面JF与竖直面的夹角

δc——填土与各段计算墙面的平均摩擦角，即

(10)

式中

滑动面与竖直面的夹角为：

(11)

3.2作用在计算墙面GC上的土压力

E1=γλ0V1

(12)

式中γ——填土的容重(kN/m3)；

λ0——土压力系数，按上式λ0的算法求得，但式中ac=α，δc=φ；

V1——计算墙段GC时的滑动土体GCH,即

(13)

式中

其中b为减压平台的宽度(m)，即AG水平距离，土压力E1沿GC面呈三角形分布.

3.3作用在CD墙面上的侧向土压力

由于CD墙面是竖直的，故a2=0，因此作用在CD墙面上的土压力强度为

(14)

(15)

同时，侧向土压力e2和E2与墙面CD的法线成δ角.

3.4作用在DE计算墙面上的侧向土压力

作用在DE计算墙面上的侧向土压力强度

(16)

式中

则作用在DE计算墙面上的侧向土压力

(17)

其中

4　工程实例

某市三环路与铁路立交工程，在K23+385～

K23+486右侧快车道填方最大高度为5 m，因为地处城郊，且地基承载力设计值[σ]=150 kPa，原考虑设计衡重式路肩挡土墙，经验算，强身污工太大且料石需远运，故设计悬臂式挡土墙，墙高H=5 m，底板的宽度L=3.5 m，厚度t=0.5 m，立板填土侧表面与竖直面的夹角α=10，填土为无粘性土，容重γ=18.0 kN/m3，内摩擦角φ=350，φ0=φ，填土与立板表面的摩擦角δ=100，底板与地基摩擦系数f=0.3，据此提出如图4所示的二级悬臂式挡土墙方案与常规单级挡土墙对比分析.

图4　二级悬臂式挡墙计算示意图

通过对悬臂式挡墙土压力与本文所设计的二级悬臂式挡墙土压力进行对比分析发现：

从作用在悬臂式挡墙立板上的土压力来看，作用在一级悬臂式挡墙的土压力为55.63 kN/m,而作用在二级悬臂式挡墙的最大土压力为33.725 kN/m，重力挡墙最大土压力达到73.35 kN/，也就是在同样的条件下，悬臂式挡墙比重力式挡墙更能发挥出土的抗剪强度，而二级挡墙又比一级在受力方面更加的优良，从构造上来说，二级挡墙所用的钢筋材料应该将比一级挡墙要少，而性能不会降低，详细土压力值如表1所示.

表1　二级悬臂式挡墙土压力及安全系数表

从稳定性分析来看，二级悬臂式挡墙在整体上除了继续发挥出了一级悬臂式挡墙的高抗倾覆特点以外，还能在抗滑移方面与一级悬臂式挡墙比较接近，能够达到规范的要求.不仅在整体上满足要求，局部的稳定性也能达到要求，不过对于下墙而言，由于其上有一定的荷载作用，对其稳定性有一定的影响.

从基底应力检算来看，单级挡土墙最大基底应力是在墙趾部位，说明挡土墙变形趋势是绕墙趾朝外转动的，而二级垛式挡土墙最大基底应力是在墙踵部位，说明挡土墙变形趋势是绕墙趾朝里转动的.这也就证明了二级垛式挡土墙的稳定性是优于单级挡土墙的.

从混凝土的用量来看，对于此例，一级悬臂式挡墙(4.05 m3每延米)比二级挡墙(3.59 m3每延米)要多出0.46 m3每延米，也就是说二级挡墙所耗混凝土较一级挡墙要少，想比同高度重力式挡墙，料石需13.75 m3每延米，明显可以看出其污工较大，料石需较多.

5　结　论

通过理论解析分析及实例的分析结果可以得到如下结论：

(1)悬臂式挡墙所耗材料相比重力式挡墙而言要少，二级悬臂式挡墙在这方面能更加节省，经济方面的价值不言而喻.

(2)对任何一项工程而言，安全性能是我们最值得关注的问题，通过本文的分析计算可知，二级悬臂式挡墙在受力方面较单级悬臂式挡墙优良，土压力相对较小，而安全系数方面并没有很大程度上的降低，能满足规范要求.

(3)二级悬臂式挡墙基底应力分布比单级悬臂式挡墙要合理，也更偏向于安全.

(4)二级挡墙比一级挡墙无论是开挖量或是填方量都要少很多，而安全性能方面并没有减少多少，同时二级挡墙结构比一级挡墙的结构更加轻型，施工更加方便，还可以考虑在下墙中加入一定的抗滑措施.

[1] 范瑛. 多级挡土墙土压力传递效应与沉降规律研究[D]. 武汉理工大学博士论文, 2013.

[2] 李海光，等.新型支挡结构设计与工程实例[M].北京：人民交通出版社，2004.

[3] 辛广森.悬臂式挡墙在城市轻轨铁路中的应用[J].铁道工程企业管理，2002(4)：55-57.

[4] 王家东，梁波，葛建军，等.浅析悬臂式挡土墙在多年冻土区路堑工程中的适应性[J].路基工程，2003(3):11-13.

[5] 聂小沅.扶壁式挡墙在沿江地区的应用[J].湖南交通科技，2001,27(4):24-25.

[6] 梁波，王家东，曹元平，等. 多年冻土区 L型支挡结构的土压力修正模型[J].土木工程学报，2005，38(3)：94-98.

[7] 朱宏伟, 姚令侃, 蒋良潍,等. 考虑变形影响的重力式挡墙地震土压力分布[J]. 岩土工程学报, 2013(6):1035-1044.

[8] 顾慰慈.挡土墙土压力计算手册[M].北京：中国建材工业出版社，2005.

Analysis and Discussion on Counterfort Cantilever Retaining Wall

LIANG Qiao1,CHEN Xiang2,ZHOU Wen-quan1

(1.College of Construction Engineering, Hunan Institute of Engineering, Xiangtan 411104， China;2.Hunan Xiang-ping Road & Bridge Construction Co., Ltd，Changsha 410075， China)

Along with the development of the economy, the requirement for the retaining structure is higher. In the framework of the reliving platform retaining wall, the counterfort retaining wall is proposed. Based on the limit equilibrium theory and considering the effect of the second failure surface, the varuous sliding surfacees of counterfort retaining wall is reasonalbe selected. Then the computing method of earth pressure is obtained in the counterfort retaining wall. Subsequently, the earth pressure is demonstrated by comparing with the project case. The comparison results show that the earth pressure and the stablility of the counterfort retaining wall are more reasonable than the common retaining wall. Thus the method has a good applicability for the similar engineering design and construction.

counterfort retaining wall; earth pressure; calculation method; alternate deformation

2016-02-28

湖南省教育厅科研资助项目(13C184).

梁桥(1981-)，男，博士研究生，讲师，研究方向:岩土工程.

TU476+.4

A

1671-119X(2016)03-0076-05