凸榫对悬臂式挡土墙安全性的影响分析

2022-10-15韩雷

广东土木与建筑 2022年9期

韩雷

（广东省冶金建筑设计研究院有限公司广州 510080）

0 引言

悬臂式挡土墙是一种由立壁板、墙踵板和墙趾组成的轻型挡土结构，由自重和上部填土维持自身稳定性。由于其结构简单、自重较轻、占地面积小、价格经济以及对地基承载力要求不高等优点［1-2］，被广泛应用于高填土路堤和边坡防护工程中。目前，随着悬臂式挡土墙在工程中的大量使用，已有许多学者对其受力情况展开了研究分析［3-6］，并对其施工工艺以及结构尺寸进行了优化［7-9］。

实际工程中，悬臂式挡土墙通常会在基础底部添加凸榫结构，增加其稳定性，以减小基础尺寸，降低工程造价。尽管在挡土墙设计中对凸榫的使用较为广泛，但其设计理论还很不成熟。面对这种情况，有部分学者对凸榫的作用展开了研究，俞亚南等人［10］以现场试验为基础，结合极限平衡理论，分析了凸榫前后受力情况，得到了不同凸榫长度对挡土墙抗滑动稳定性的影响。屠毓敏等人［11-12］通过室内模型试验以及极限平衡理论计算，认为在软弱地基中凸榫结构能有效提高挡土墙的抗滑动稳定性，并计算出了相应安全稳定系数。但由于条件限制，这些实验研究均通过施加水平推力来模拟挡土墙的受力状况，挡土结构物的滑动趋势和滑裂破坏方式与实际情况有较大区别。

鉴于此，以广州市花都区某道路中5.3 m 高的悬臂式挡土墙为例，基于数值模拟和《公路路基设计规范：JTG D30—2004》［13］计算结果，深入分析凸榫位置以及尺寸变化对于悬臂式挡土墙抗滑稳定性、抗倾覆稳定性以及对整体稳定性的影响，以期为类似工程设计与施工提供参考。

1 挡土墙稳定性计算理论

1.1 抗滑动稳定性计算

抗滑移能力是挡土墙能否处理受力平衡状态的关键因素，为界定挡土墙的抗滑移稳定性，工程上将抗滑力与滑动力的比值Kc作为抗滑移安全系数，当Kc≥1.3，才能说明挡土墙具有一定的抗滑移能力。根据文献［13］的要求，采用以极限状态设计的分项系数法对挡土墙的抗滑动稳定性进行计算。其滑动稳定性方程与抗滑动稳定性系数Kc计算方程如下所示：式中：G为作用于基底以上的重力；γQ1为主动土压力分项系数；γQ2为墙前被动土压力分项系数；Ey、Ex分别为墙后主动土压力的竖向分量与水平分量；Ep为墙前被动土压力的水平分量；N为作用于基底土合力的竖向分力；α0为基底倾斜角；μ为基底与地基间的摩擦系数。

1.2 抗倾覆稳定性计算

倾倒破坏是挡土墙最常见的失稳破坏形式，工程上将绕墙趾的抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值定义为抗倾覆安全系数K0，当K0≥1.6 时，才能说明挡土墙具有一定的抗滑移能力。根据文献［13］要求，倾覆稳定性方程与抗倾覆稳定性系数K0的计算方程如下所示：

式中：ZG为墙身重力、基础重力、基础上填土的重力及作用于墙顶的其他荷载的竖向力合力重心到墙趾的距离；Zx、Zy分别为墙后主动土压力的竖向分量和水平分量到墙趾的距离；Zp为墙前被动土压力的水平分量到墙趾的距离。

1.3 整体稳定性计算

目前，在我国岩土工程设计领域中对边坡稳定性的计算方法主要有极限平衡法和有限元强度折减法。其中极限平衡法采用分块的原理，用安全系数来定义边坡的稳定性，物理含义分明，计算方便，是发展最为成熟、工程上最普遍的求解方法。本文使用的数值软件采用瑞典条分法作为内置程序，对挡土墙的整体稳定性计算公式如下所示［14］：

式中：K为整体稳定安全系数；Mk为抗滑力矩；Mq为滑动力矩；c′ik、φ′ik为最危险滑动面上第i根土条滑动面上的粘聚力和内摩擦角标准值；li、bi和wi分别为第i根土条的滑裂面弧长、宽度以及重量；θ i为第根i土条弧线中点切线与水平线的夹角；q0为作用于坡面上的荷载；Pe为筋带作用力产生的抗滑力矩。

2 工程概况

广州市花都区某道路位于广州市花都区中西部，北起风神大道，途经新华街、炭步镇，南止佛山一环北延长线与西二环相交点，总体呈南北走向。项目里程范围为K0+000～K8+133.987，道路等级为城市快速路，计算行车速度60 km/h；红线宽度为50 m。其地理位置及大致走向如图1所示。

2.1 地层参数

2.2 水文地质条件

地表水以江河为主，水量主要受季节性影响。地下水以孔隙水为主，埋藏深度较浅，赋存于第四系砂土层中，水量丰富，稍具承压性，补给来源主要为大气降雨及地表水渗透，水位常年变化幅度一般小于2.00 m，水质对混凝土结构及其中钢筋具有轻微的腐蚀性。

3 凸榫效果的影响因素分析

3.1 研究对象

广州市花都区某道路工程中，巴江河大桥桥头地层一定深度内存在淤泥质软土，地基承载能力较差，路基工程不宜采用天然浅基础。因此，对路基进行填换处理，以处理合格后的人工地基作为基础持力层，并设置悬臂式挡土墙以提高路堤稳定性。填换土层的具体参数以及悬臂式挡土墙具体布置如表1和图2所示。

表1 填换土层分布及材料参数Tab.1 Distribution of Filling Soil Layer and Material Parameters

3.2 凸榫的尺寸影响

为减少资源浪费，降低工程造价，在不影响支挡效果的前提下，有必要对挡土墙尺寸进行优化。为研究凸榫尺寸对悬臂式挡土墙的影响，保持凸榫位置处于距墙踵末端1.44 m 处，分别改变其高度和宽度，得到凸榫尺寸与挡土墙抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性以及整体稳定性的关系曲线，如图3～图4所示。

由图3 可知，保持悬臂式挡土墙的凸榫宽度为0.6 m，高度以每次0.25 m的增幅由0 m逐渐增至1.0 m。在此过程中，其抗滑动稳定性系数Kc呈非线性增长，数值由2.30增至2.98，增大了29.56%，增长幅度较大，受凸榫高度影响显著。其中，凸榫高度由0 m 增为0.25 m 时，挡土墙抗滑稳定性系数变化更为明显，数值由2.30 增至2.65，增幅为15.21%，与无凸榫结构的悬臂式挡土墙相比，设置凸榫后悬臂式挡土墙的抗滑稳定性有显著提高。但随凸榫高度由0 m 增至1.0 m，凸榫抗倾覆稳定性系数K0由6.17 增至6.43，整体稳定性系数K由1.60增至1.63，两者均无明显变化，受凸榫高度影响较小。

由图4 可知，保持悬臂式挡土墙的凸榫高度为0.5 m，宽度以每次0.3 m的增幅由0 m逐渐增至1.2 m。在此过程中，悬臂式挡土墙的抗滑动稳定性系数Kc由2.3 增至2.86，增长了约24.35%，增幅较大。其中，凸榫宽度由0 m 增至0.3 m 时，其抗滑动稳定性增加了19.13%，设置凸榫的效果明显。但是，凸榫宽度由0.3 m增至1.2 m 过程中，每增加0.3 m 其抗滑动稳定性仅增加约1.43%，增加凸榫宽度对挡土结构物抗滑动稳定性的影响较小。悬臂式挡土墙的抗倾覆稳定性系数K0随凸榫宽度的增加呈非线性增长，凸榫宽度由0 m增至1.2 m 时，K0由6.17 增至6.68，增长了约8.26%，其整体稳定性系数K则保持为1.6，不受凸榫宽度影响。

由此可见，与无凸榫式悬臂式挡土墙相比，在挡土墙底板上设置凸榫后能有效提升其抗滑稳定性，但对悬臂式挡土墙的抗倾覆稳定性和整体稳定性的提升较小，而且凸榫长度或宽度大小超过某一数值后，增大凸榫尺寸对挡土结构物的抗滑稳定性不再有明显提升。因此，进行凸榫设计时应谨慎考虑尺寸大小，减少材料浪费。

3.3 凸榫的位置影响

在实际工程中，一般在悬臂式挡土墙底板的墙踵末端、墙趾末端或者两者之间设置凸榫以增强基础稳定性。为研究这3种不同的凸榫布置方式对悬臂式挡土墙的具体影响，现在通过数值模拟，以墙踵末端为起点，墙趾末端为终点逐渐改变凸榫位置，得到了挡土墙稳定性系数与凸榫位置的关系曲线，如图5所示。

如图5可知，凸榫位置由墙踵向墙趾移动过程中，悬臂式挡土墙的抗滑动稳定性系数Kc和抗倾覆稳定性系数K0均成非线性减小，整体稳定性系数K则呈先减小后增大的趋势，并在起点处得到最大值2.13。当凸榫位置从墙踵末端移至0.72 m 处时，其抗滑动稳定性系数Kc由3.07减至2.82，削减了约8.14%，抗倾覆稳定性系数K0由6.64减至6.34，减少了约4.73%，两者受影响凸榫位置影响变化较为明显。就整体而言，凸榫位于墙趾末端与位于墙踵相比，抗滑动稳定性系数Kc由3.08 减至2.58，减少了约15.96%，抗倾覆稳定性系数K0由6.64减至6.19，减少了约6.78%，挡土结构物的安全性明显减弱。

由此可知，凸榫墙踵末端位置时，悬臂式挡土墙的的抗滑动稳定性、抗倾覆稳定性以及整体稳定性均达到最大，悬臂式挡土墙最为安全。因此，在悬臂式挡土墙底板上进行凸榫布置时应，应尽量设置在墙踵末端。