重力式挡渣墙断面型式对基底应力极值比的影响研究

2018-06-14台秉洋

水利规划与设计 2018年5期

台秉洋

(辽宁省水利水电勘测设计研究院，辽宁沈阳 110006)

挡渣墙是水土保持工程的重点内容，重力式挡渣墙结构简单、施工容易、取材方便，在水利水电、城镇市政、交通、港口等工程建设中使用比较广泛[1]。挡渣墙断面结构型式及尺寸应通过抗滑稳定、抗倾覆稳定和基底应力计算等确定[2]，一般是凭经验或多次试算来确定[3]，不断调整断面结构型式及尺寸，直到满足设计要求。目前，我国科研人员对重力式挡渣墙截面设计已经进行了一些研究，如黄太华[4- 6]、陈栋梁[7- 8]、黄爱民[9]、吴晓枫[10]等，但这些研究多注重抗滑稳定、抗倾覆稳定及最大基底应力等指标的满足情况，而忽略了基底应力的最大值与最小值之比这一指标，而实际工作中这一指标常常较大，不容易达到规范标准，需要设计人员反复试算，颇为费事。挡渣墙基底应力的最大值与最小值之比这一指标主要是控制挡渣墙不均匀沉降，如果该指标过大，可能发生不均匀沉降导致墙身倾斜，危及挡渣墙安全。文章设计了9种重力式挡渣墙断面型式，分析研究不同断面型式对基底应力最大值与最小值之比的影响，为重力式挡渣墙设计提供理论依据。

1 技术方法及路线

文章选取某工程弃渣场为实例，应用理正岩土5.11软件对重力式挡渣墙进行计算。在保证其他设计参数不变以及挡渣墙断面面积基本相同(工程量基本相同)的前提下，设计不同挡渣墙断面型式，比较不同断面型式对基底应力最大值与最小值之比的影响。

2 挡渣墙设计基本参数

某工程弃渣场位于辽宁省绥中县境内，为沟道型弃渣场，弃渣场沟口至沟顶长270m，最大堆渣高度16m，弃渣成梯级台阶形式堆置，具体堆置形式如图1所示。挡渣墙设计基本参数详见表1。

图1 弃渣堆置形式断面图

序号项目单位参数值1挡土墙类型抗震区挡土墙2地基土类型土质地基3挡渣墙类型浆砌石挡渣墙4地基土摩擦系数 0.55墙后填土内摩擦角(°)356墙后填土黏聚力kPa07墙后填土容重kN/m3208墙背与墙后填土摩擦角(°)17.59地基土容重kN/m31810墙底摩擦系数 0.411地基土内摩擦角(°)3012地震烈度设计烈度7°13抗震基底容许偏心距 B/514土压力计算方法库伦

表2 墙身断面设计型式及尺寸表

3 挡渣墙断面型式设计

文章将挡渣墙断面分为两种设计情况，分别为背坡倾斜型式(简称“背斜”)和面坡倾斜型式(简称“面斜”)。在两种设计情况基础上细分了背斜(基本型式)、背斜+墙趾、背斜+墙踵、背斜+墙底倾斜(简称“底斜”)、面斜(基本型式)、面斜+墙趾1、面斜+墙趾2、面斜+墙踵、面斜+底斜等9种断面型式组合。各断面设计型式及尺寸详见表2。各断面型式设计图如图2所示。

图2 各断面型式设计图

4 结果与分析

应用理正岩土5.11软件，输入挡渣墙设计基本参数以及墙身断面尺寸等数据，进行挡渣墙验算，得出各墙身断面型式的基地应力的计算结果，计算结果见表3。

根据计算结果，背斜型式基底应力最大值与最小值之比在一般情况下为3.808，地震情况下为4.510；面斜型式基底应力最大值与最小值之比在一般情况下为2.107，地震情况下为1.621。可以看出，面斜型式比背斜型式基底应力最大值与最小值之比小，更容易达到规范允许值。

背斜+墙趾型式在背坡倾斜这种设计情况中，基底应力最大值与最小值之比最小(一般情况下为1.217，地震情况下为1.327)，相比单纯的背斜型式，有效地降低了基底应力最大值与最小值之比。

面斜+墙踵型式在面坡倾斜这种设计情况中，基底应力最大值与最小值之比较小(一般情况下为1.118，地震情况下为1.364)，相比单纯的面斜型式，有效地降低了基底应力最大值与最小值之比。

在底斜与两种基本型式组合中，背斜+底斜型式相比背斜型式，基底应力最大值与最小值之比在一般情况下降低了18.5%，在地震情况下减低了21.8%；面斜+底斜型式相比面斜型式，基底应力最大值与最小值之比在一般情况下降低了4.8%，在地震情况下减低了4.6%。可以看到，底斜与背斜、面斜两种基本型式组合相比背斜、面斜两种基本型式，基底应力最大值与最小值之比虽然有所降低，但是效果不明显。

表3 各墙身断面型式基底应力计算结果表

在背斜基本型式中，无论是一般情况还是地震情况，基底应力最大值均出现在趾部，在背斜+墙趾型式中增加了墙趾设计，结果基底应力最大值与最小值之比得到了明显降低。而在背斜基本型式上增加墙踵设计的背斜+墙踵型式中，基底应力最大值与最小值之比不但没有降低，反而有所升高。在面斜基本型式中，无论是一般情况还是地震情况，基地应力最大值均出现在踵部，在面斜+墙踵型式中增加了墙踵设计，结果基底应力最大值与最小值之比也得到了明显降低。但是在面斜基本型式中增加墙趾设计，基底应力最大值与最小值之比却出现了相反的结果，在面斜+墙趾1型式中，相比面斜基本形式，基底应力最大值与最小值之比有所增加(一般情况下增加22.2%，地震情况下增加22.9%)；而在面斜+墙趾2型式中，相比面斜基本形式，基底应力最大值与最小值之比明显降低(一般情况下为1.125，地震情况下为1.168)，这是由于面斜+墙趾1型式与面斜型式比较，相当于增加了墙趾的长度，而面斜+墙趾2型式与面斜型式比较，相当于减少了墙趾的长度。综合分析，无论是背斜型式还是面斜型式，基底应力最大值出现在趾部(踵部)，可以通过增加墙趾(墙踵)的长度，或减少墙踵(墙趾)的长度，能够达到降低基底应力最大值与最小值之比的目的。

综上所述，研究结果表明：

(1)面斜型式比背斜型式基底应力最大值与最小值之比小，更容易达到规范允许值。

(2)背斜+墙趾型式能够有效降低基底应力最大值与最小值之比。

(3)面斜+墙踵型式能够有效降低基底应力最大值与最小值之比。

(4)无论是背斜型式还是面斜型式，基底应力最大值都出现在趾部或踵部。若基底应力最大值出现在趾部，可以通过增加墙趾长度或减少墙踵长度，来降低基底应力最大值与最小值之比；若基底应力最大值出现在踵部，可以通过增加墙踵长度或减少墙趾长度，来降低基底应力最大值与最小值之比。