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摘要：本文以兰州市某浸水重力式挡土墙作为工程依托，采用库伦土压力理论进行土压力计算，对浸水挡土墙进行了抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基底偏心距和地基承载力检算，计算表明该挡土墙可以满足工程要求。此挡土墙的设计可以为类似工程提供设计参考。
关键词：浸水重力式挡土墙；土压力；抗滑稳定性；抗倾覆稳定性；地基承载力
0.引言
重力式挡土墙作为一种依靠墙身自重来承受土压力的支挡结构，被大量使用于边坡支护工程中[1]。重力式挡土墙在我国建设工程中应用广泛，如公路、铁路、桥台、水利、港湾工程、水闸岸和建筑周围等[2]。
当前，国内外学者对重力式挡土墙稳定性及安全评估进行研究，并取得了一定成果：Enrique Castillo[3]把传统的安全系数法和基于概率的可靠度方法结合在一起，提出了一种新的挡土墙设计方法；Li等[4]提出一种考虑预先存在的裂缝情况下重力式挡土墙抗震稳定性分析方法。有许多学者对重力式挡土墙稳定性及安全系数进行了深入研究，陈园[5]对重力式挡土墙抗滑稳定性安全系数进行了异性分析；陈祖煜等[6]采用可靠度分析方法，建立目标可靠指标与重力式挡土墙稳定性安全系数之间的定量关系；陈跃起[7]对重力式挡土墙失稳破坏的原因进行分析，主要有设计、施工和不利的外界条件3个方面的因素。另外，许多实际工程中都采用重力式挡土墙对路基边坡进行加固处理，并通过稳定性验算其安全性，表明在路基边坡加固工程中采用重力式挡墙是行之有效的。
通过上述研究发现，国内外学者对于重力式挡土墙的研究多集中于其稳定性及路基边坡加固工程中，但目前对于靠近河道的浸水重力式挡土墙稳定性及分析研究工作开展尚少，且研究方法尚缺乏一定的系统性。基于此，本文以某已建靠近河道的重力式挡土墙为依托，对该重力式挡土墙进行最不利工况下的稳定性分析，以期对该类挡土墙的设计、施工、加固等提供理论依据与参考。
1.工程概况
该挡土墙为位于甘肃省某村庄的河流旁，河道宽约10米、坡度约为3%左右，河道内平常无地表水。最大洪水水位约高2米。
该挡土墙总长度400m，挡土墙截面如图1所示，墙身高6米，墙顶宽1.5米，墙胸和墙背坡比均为1:0.25；采用1个扩展墙址，墙址台阶宽为0.5米，墙趾台阶高为1米，墙趾台阶与墙面坡坡度相同；挡土墙墙后填土采用天然级配砂卵石土。墙身为M10浆砌片石砌筑；墙基础为素混凝土现浇，基础厚度1米。墙背后设厚度为30cm的碎石反滤层、地面处设厚50cm的黏土隔水层。地面横坡为33.7°。地基表层采用三七灰土换填，换填厚度1米，超出基础四周0.5米。挡墙设计使用年限为50年。
图1 挡土墙及其后填土截面图
2浸水挡土墙稳定性验算
2.1 物理力学参数
挡土墙砌体容重为22kN/m3，地基土摩擦系数为0.40，墙身砌体容许压应力为1300kPa，墙身砌体容许剪应力为210kPa，墙身砌体容许拉应力为180kPa；墙后填土内摩擦角为20°。墙后填土分两层，从地面向下5.75米为第一层，其容重为20kN/m3，内摩擦角为27°，第二层厚度为3.25米，其容重为18kN/m3，内摩擦角为34°。地基换填土内摩擦角为35°，换填土容重为20kN/m3，应力扩散角为21°，换填土修正后承载力350kPa，天然地基土容重18kN/m3，内摩擦角为32°，修正后地基土容许承载力250kPa。
2.2 浸水挡土墙稳定性检算理论
首先确定最不利状态，再进行该状态下的抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、地基应力和偏心距检算。
抗滑稳定性计算公式为
式中：e—挡墙的偏心距；B—挡墙基底宽度；ΣW—作用于挡墙的全部竖向荷载之和；Mv—挡墙抗倾覆力矩；MH—挡墙倾覆力矩；σmax—挡墙基底最大压应力；σmin—挡墙基底最小压应力；σcp—挡墙基底平均应力。
2.3 浸水挡土墙最不利条件下的稳定性检算
考虑洪水后墙后土中地下水位升高，墙前河水水位快速下降，土体内出现向外的渗流，对挡土墙造成不利的影响，此时为最不利状态。对此状态下的挡土墙稳定性进行检算，参照《堤防工程设计规范》（GB50286-2013），选取该挡墙的工程级别为5级，则其抗滑稳定安全系数为1.15，抗倾覆稳定安全系数为1.40。
根据库伦土压力理论，按实际墙背计算土压力得到第1破裂角：49.479°，Ea=71.460kN，Ex=71.073kN，Ey=7.425，作用点高度 Zy=2.149m。
根据公式(1.1)进行最不利情况下滑动稳定性验算，抗滑力为86.57kN，滑移力为71.073kN，抗滑动稳定安全系数Kc =1.218。该值大于要求的1.15。
根据公式(1.2)进行最不利情况下倾覆稳定性验算，抗倾覆力矩为418.963kN*m，倾覆力矩为152.716kN*m，抗倾覆稳定安全系数K0 = 2.743。该值大于要求的1.4。
根据公式(1.5)，计算作用于基底的合力偏心距e为0.230，小于要求的B/6=0.33(m)。
墙趾处地基最小压应力为33.480kPa，墙踵处地基最大压应力为182.945kPa，地基平均压应力为108.212kPa。最大最小压应力和压应力平均值均小于地基允许承载力，满足要求。
3结论
从以上计算可知挡土墙的抗滑和抗倾覆稳定安全系数在最不利工况下均满足设计要求；挡墙基底应力小于地基的允许承载力，满足要求。该挡土墙的设计模式，可作为类似工程的参考。
参考文献：
[1]陈忠达.公路挡土墙设计[M].北京：人民交通出版社, 1999：63-64.
[2]马涛. 公路挡土墙稳定安全性评估方法研究[D].长安大学, 2017.
[3]ENRQUE C, ROBERTO M, ANA R T, et al. Design and sensitivity analysis using the probability-safety-factor method: an application to retaining walls[J] Structural Safety, 2004, 26(2): 159-179.
[4]Xinpo Li, Shuxi Zhao, Siming He, et al. Seismic stability analysis of gravity retaining wall supporting c – φ soil with cracks[J]. Soils and Foundations, 2019.
[5]陈园. 重力式挡土墙抗滑稳定性安全系数的异性分析及经验安全系数方法[J]. 水利科技与经济, 2017, 23(09): 56-59.
[6]陈祖煜, 黎康平, 李旭, 等. 重力式挡土墙抗滑稳定容许安全系数取值标准初探[J]. 岩土力学, 2018, 39(01): 1-10.
[7]陈跃起. 重力式挡土墙失稳破坏原因分析[J]. 铁道建筑, 2016, (06): 112-115.
论文作者:梅屹,王弘杰
论文发表刊物:《防护工程》2019年14期
论文发表时间:2019/11/15
标签：挡土墙论文; 重力论文; 挡墙论文; 稳定性论文; 安全系数论文; 地基论文; 应力论文; 《防护工程》2019年14期论文;