蔣 亮，王 園，黃 蘋(píng)

(1.中國(guó)建筑東北設(shè)計(jì)研究院有限公司;2.東北大學(xué)碩士研究生)

0 引言

基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)作為社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展的基礎(chǔ)，正隨著我國(guó)經(jīng)濟(jì)的騰飛而快速發(fā)展。在基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)中，不管是港口、水利、園林，還是公路、鐵路都離不開(kāi)擋土墻的身影，可見(jiàn)擋土墻的重要程度。在鐵路建設(shè)中，其線路經(jīng)過(guò)地形多比較復(fù)雜，擋土墻應(yīng)用更為普遍。其中重力式擋土墻又由于其造價(jià)低、形式簡(jiǎn)單、取材容易而應(yīng)用最廣。重力式擋土墻的基本設(shè)計(jì)思路是先擬定墻身斷面形式及尺寸，這個(gè)步驟正是體現(xiàn)一位工程師的創(chuàng)造性一步;再計(jì)算出墻所受的荷載;最后進(jìn)行檢算，包括抗滑穩(wěn)定性檢算、抗傾覆穩(wěn)定性檢算、墻身截面強(qiáng)度檢算、基底應(yīng)力及偏心距檢算等。如果檢算不滿足條件或者過(guò)于安全，應(yīng)重新擬定墻身截面尺寸，再重復(fù)上述設(shè)計(jì)步驟。這樣設(shè)計(jì)對(duì)于設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求比較高，很難做到快速設(shè)計(jì)。故本文對(duì)鐵路上形式簡(jiǎn)單、高度比較低又無(wú)特殊要求的重力式擋土墻的設(shè)計(jì)過(guò)程及快速設(shè)計(jì)進(jìn)行探討。

1 擋土墻尺寸初步擬定及設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

1.1 截面選取

初步擬定內(nèi)容包括：墻頂寬度、墻背和墻胸的坡度、墻底寬度和坡度。通常可由《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—路基》初步確定。由于仰斜式擋土墻抗滑及抗傾覆穩(wěn)定性均比較令人滿意，故如果沒(méi)有什么特殊要求的情況下該類型應(yīng)作為首選。值得注意的是，同一地段斷面形式不宜過(guò)多，以免造成施工困難或者影響美觀。

1.2 設(shè)計(jì)荷載計(jì)算

計(jì)算設(shè)計(jì)荷載前，首先應(yīng)將軌道和列車(chē)荷載通過(guò)換算土柱法轉(zhuǎn)化成靜荷載，換算方法參照《鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范》中的附錄A。

根據(jù)規(guī)范要求，擋土墻上的力一般可只考慮主力。主力中需要著重計(jì)算的是作用在墻上的土壓力。由于墻前土壓力發(fā)揮作用需要較大的位移，這在工程上是不允許的，并且重力式擋土墻通常埋深比較淺，故從安全可靠的角度考慮擋土墻前的被動(dòng)土壓力可以不計(jì)算，僅當(dāng)基礎(chǔ)埋置較深且地層穩(wěn)定、不受水流沖刷和擾動(dòng)破壞時(shí)，可采用被動(dòng)土壓力的作用。作用在墻背的主動(dòng)土壓力一般按庫(kù)侖土壓力公式計(jì)算。當(dāng)破裂面與路基面相交時(shí)，破裂棱體的面積S隨著擋土墻及破裂面位置而變化，但都可歸納為一個(gè)表達(dá)式

式中

A0、B0中參數(shù)見(jiàn)《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—路基》擋土墻設(shè)計(jì)部分。

當(dāng)邊界條件確定后，A0、B0為常數(shù)，并可從破裂棱體的幾何關(guān)系求得。

《鐵路工程設(shè)計(jì)技術(shù)手冊(cè)—路基》中給出了不同邊界條件下的庫(kù)侖主動(dòng)土壓力計(jì)算公式。在具體計(jì)算時(shí)，由于無(wú)法預(yù)知破裂面的位置，一般是先假設(shè)破裂面位置，然后按此情況下的公式計(jì)算出破裂角θ，再根據(jù)幾何關(guān)系來(lái)校核假設(shè)是否正確。若假設(shè)不合理，則需選用另外的破裂面位置重新計(jì)算，直至校核合理。最后可根據(jù)附表中公式可計(jì)算土壓力的大小，方向和作用點(diǎn)位置。

2 擋土墻的檢算

2.1 檢算基本方法步驟

重力式擋土墻受力分析簡(jiǎn)圖如圖1所示。

圖1 擋土墻受力分析簡(jiǎn)圖

(1)擋土墻穩(wěn)定性檢算

重力式擋土墻的穩(wěn)定性檢算主要內(nèi)容及要求見(jiàn)表1。

表1 擋土墻穩(wěn)定性檢算要求

式中：∑N為作用基底上的總垂直力，kN;∑EX為土壓力的總水平分力，kN;EP為墻前土壓力的水平分力，kN;f為基底與地層間的摩擦系數(shù)。

②擋土墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)檢算

①擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)檢算

式中：∑MY為穩(wěn)定力系對(duì)墻趾的總力矩，kN·m;∑M0為傾覆力系對(duì)墻趾的總力矩，kN·m。

③擋土墻偏心距檢算

基地合力偏心距為

式中：e為基底合力的偏心距，m，當(dāng)為傾斜基底時(shí)，為傾斜基底合力的偏心距;B為基底寬度，m，傾斜基底為其斜寬;ΣN為作用于基底上的總垂直力，kN。

④基底壓應(yīng)力檢算

式中：σ1為擋土墻趾部的壓應(yīng)力，kPa;σ2為擋土墻踵部的壓應(yīng)力，kPa;C為作用于基底上的垂直分力對(duì)墻趾的力臂，m。

(2)擋土墻截面強(qiáng)度檢算

強(qiáng)度檢算通常僅選取一、兩個(gè)墻身截面進(jìn)行強(qiáng)度撿算，例如基礎(chǔ)頂面、基底、1/2墻高處、墻身變截面處等截面。檢算內(nèi)容及要求見(jiàn)表2。

表2 擋土墻強(qiáng)度檢算要求

2.2 快速確定截面途徑分析

進(jìn)行檢算的過(guò)程我們都已經(jīng)明確了，但是如果某一項(xiàng)檢算不合格該就需要修改截面，但具體從哪個(gè)方面來(lái)修改是需要設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的，這對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)是有些困難的。下面我們通過(guò)一個(gè)計(jì)算實(shí)例來(lái)總結(jié)重力式擋土墻截面尺寸的確定思路。

算例：擋土高度6 m，填土重度γ=19 kN·m-3，填土內(nèi)摩擦角φ=45°，墻背與墻后填土摩擦角δ=22.5°，墻后填土坡線及換算土柱尺寸等條件見(jiàn)圖2。對(duì)各檢算項(xiàng)目進(jìn)行檢算，檢算結(jié)果見(jiàn)表3。

圖2 擋土墻檢算原始條件

從表3中數(shù)據(jù)分析可得如下結(jié)果：當(dāng)擋土墻抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求時(shí)，采取增大墻頂寬度、增大墻底寬度、增加墻背傾角等措施時(shí)效果明顯。這也正驗(yàn)證了公式(2)，通過(guò)增大基底壓力可以增加抗滑力。增加墻背傾角能提高抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)，經(jīng)計(jì)算分析得知其原因是增加墻背傾角雖然會(huì)降低基底摩擦力，但卻大幅降低了墻后土壓力的水平分力，達(dá)到提高抗滑穩(wěn)定系數(shù)效果。當(dāng)然也可以設(shè)法提高摩擦系數(shù)，或者加設(shè)防滑凸榫來(lái)增大基底摩擦力，來(lái)滿足抗滑穩(wěn)定要求。

當(dāng)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不滿足要求時(shí)，可采取的措施有，增大墻底寬度、增加墻背傾角或者加設(shè)墻趾。原理可從公式(3)中分析得出，通過(guò)增加穩(wěn)定力系對(duì)墻趾的總力臂，來(lái)增加穩(wěn)定力系對(duì)墻趾臺(tái)階的總力矩，這樣就增加了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)。

從表3中還可以看出，當(dāng)偏心距或者墻底最大壓應(yīng)力不滿足驗(yàn)算要求時(shí)，均可通過(guò)增加墻底寬度、加設(shè)墻趾臺(tái)階或者調(diào)整墻背傾角來(lái)使其滿足驗(yàn)算要求。

表3 擋土墻檢算結(jié)果

3 結(jié)束語(yǔ)

重力式擋土墻的設(shè)計(jì)除必須滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，還應(yīng)考慮就地取材、經(jīng)濟(jì)合理、施工養(yǎng)護(hù)的方便與安全等因素，因此在設(shè)計(jì)過(guò)程中，設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)是非常重要的。筆者對(duì)重力式擋土墻的設(shè)計(jì)過(guò)程進(jìn)行概述并對(duì)截面確定方法做出歸納總結(jié)，希望對(duì)缺少設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)的工程設(shè)計(jì)人員有所幫助。

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［1］郝瀛.鐵道工程［M］.中國(guó)鐵道出版社，2000.

［2］鐵路路基支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)范［M］.中國(guó)鐵道出版社，2006.

［3］鐵路路基設(shè)計(jì)規(guī)范(TB10001-2005)［S］.中國(guó)鐵道出版社，2005.

［4］鐵路工程設(shè)計(jì)技手冊(cè) 路基.鐵道部第一勘測(cè)設(shè)計(jì)院［M］.中國(guó)鐵道出版社，1995.