高地震烈度区域挡土墙形式比选分析

吴科亮

上海勘测设计研究院有限公司 上海 200335

正文：

1.前言

我国地震活动频度高、强度大、震源深度浅，分布范围广，是一个地震灾害发生非常严重的国家。自20世纪以来，有统计的我国死于地震的人数达 55万之多，占全世界因地震死亡人数的53%。与此同时随着国家西部大开发战略、一带一路方针的实施，不可避免的需要在青藏高原地震带等高烈度地震区域范围内进行基础建设和经济开发。

为降低地震对人民安全的威胁、减少地震产生的经济损失，研究设计合适的挡土墙形式非常必要。常见的挡墙形式主要有：重力式挡土墙、衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙及卸荷板式挡土墙等。由于工程地理位置所限，本文中仅对重力式挡土墙、衡重式挡土墙、卸荷板式挡土墙等三种形式挡墙进行比选分析。

2.工程概况

墨脱县位于雅鲁藏布江下游活跃的地震带上，地震活动强烈。根据历史地震监测资料揭示，地震震中主要分布于旁辛～墨脱县沿江一带，与活动断裂的展布基本一致。本文依托墨脱水电基地工程展开研究，该工程位处区域地震活动强度大、频率高，曾发生过中国历史上最大的地震：1950年察隅-墨脱8.6级地震。

本工程位于墨脱旧县城老城区的西南侧，距老城区最近仅约500米。基地依山而建，分为上下两个台地，台地间高差12m，考虑使用挡土墙8m高结合放坡进行防护。

3.计算参数

3.1 工程地质条件

根据地质调查及勘探资料分析，场地表面主要分布第四系覆盖层，勘探资料表明基岩主要为燕山期花岗岩(r5-6)。第四系各种成因的松散积物不整合于燕山期花岗岩基岩之上。各地层按由新至老的顺序简述如下。

碎砾石砂土（Q4pl+dl）：整个场地广泛分布，整体呈黄褐色～灰褐色，稍湿～湿，结构松散～密实。主要由砾石、砂、土及少量碎石组成。钻探揭示该层厚度较大，一般厚几米～十几米左右。

粉质粘土（Q4dl）：该层主要分布于基岩顶面，其中平缓地段厚度较大，一般1.5m～4m；斜坡地段厚度薄，仅约几十厘米。整体呈黄色～黄褐色，稍湿～湿，可塑～硬塑。

淤泥质砂土（Q4pl+l）：钻探揭示该层主要分布于平缓地段，埋藏深度较大，厚度一般0.5m～3.5m。整体呈灰黑色，稍湿～湿，软塑～可塑。主要由砂、土及少量砾石组成。

燕山期花岗岩(r5-6) ：燕山期的侵入岩体，分布面积较广、厚度较大。受区域构造及气候等影响，岩体风化较强，场地及附近均表现为全风化，厚度大。

结合《中国地震动参数区划图》（GB 18306-2015）及《建筑抗震设计规范》(GB50011-2010)，场区抗震设防烈度Ⅸ度，动峰值加速度0.40g，地震反应谱特征周期0.45s，抗震设计分组第三组。

3.2 工程地质参数

根据地质调查及勘探资料揭示，现场土层物理力学性质参数如下表所示：

表1 土层物理、力学性质参数一览表

4.计算原理

4.1 荷载作用机理

地震影响下的挡土墙所受荷载主要由挡土墙的自重、墙后均布荷载及墙背回填土的主动土压力、水平地震荷载组成。其中不同形式的挡土墙土压力分析情况分别如下：

首先重力式挡土墙土压力受力分析情况如图1所示：

图1 重力式挡土墙土压力、受力分解图

其次，衡重式挡土墙利用衡重台将上墙土压力减少，从而减小下墙部分的土压力，其土压力受力分析情况如图2所示：

图2 衡重式挡土墙土压力、受力分解图

最后，卸荷板挡土墙土压力的计算，按假想衡重式挡土墙模型（在卸荷板右端点处做一垂直的假象墙背）进行计算，再对卸荷板影响的土压力处进行处理。上墙土压力计算同衡重式挡土墙，下墙受卸荷板的卸荷作用影响，土压力减小，土压力合力作用点下降。卸荷板式挡土墙土压力情况如图3所示：

卸荷板式挡土墙的上墙土压力(ab段)、卸荷板端部土压力(bc段)、下墙下段土压力(ef段)均与衡重式挡土墙计算方法相同；卸荷板下土压力(cd段)仅考虑卸荷板下土体自重；卸荷板下变化段内土压力(de段)由d、e两点对应的土压力(d’、e’ )相连接得到。

根据《公路工程抗震规范》中规定，挡土墙的水平地震荷载如下：

4.2 挡土墙参数

根据04J008挡土墙图集中的填料内摩擦角为30°，基底摩擦系数=0.4条件下的直立式挡土墙以及衡重式挡土墙参数分别设计。

图4挡土墙剖面图（h1=0.4H）

各形式挡土墙参数见下表2所示。

表2 挡土墙参数一览表

5.计算结果与分析

使用理正岩土挡土墙设计软件对三种挡土墙的土压力分别进行计算，结果如下表所示：

表3 各式挡土墙土压力计算表

由于衡重台、卸荷板的卸荷作用，隔断了上墙土体对下墙土体的土压力传递，使下墙所受的土压力变小。下墙所受的土压力变小，相应的水平地震荷载也随之减小，从而挡土墙受到的倾覆力矩变小，挡土墙的抗倾覆能力提高。

进行稳定性计算后可以得到以上三种形式挡土墙的安全系数与工程量的对比如下表所示。

表4挡土墙安全系数及工程量对比表

分析上表易知，衡重式挡土墙相比直立式挡土墙减少圬工10.7%，抗倾覆系数和整体稳定性（圆弧滑动）系数分别提高了14.3%和8%;而卸荷板式挡墙相比直立式挡墙减少圬工19.2%，抗倾覆系数和整体稳定性（圆弧滑动）系数分别提高了7%和8%。

6.结论与建议

（1）根据验算，参考图集设计的三种挡土墙在考虑地震影响的条件下是均稳定的，并具有一定的安全储备。

（2）衡重式挡土墙与卸荷板式挡土墙相较一般的重力式挡墙，无论是圬工用量（经济成本）还是各项稳定性系数（安全）均有显著的优势。

（3）由于卸荷板式挡土墙在卸荷板下的圬工数量相较衡重式挡墙更少，同时在安全性上并不逊色。显然在施工中圬工数量较少的卸荷板式挡墙更加具有优势。

综上所述卸荷板式挡土墙在高烈度地震区有明显的优势，工程设计中建议选用该种形式进行施工。