浸水挡土墙设计及施工应注意的问题探讨

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  摘要:在路基工程中,挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡,减少土石方工程量和占地面积,防止水流冲刷路基,并经常用于整治塌方、滑坡等路基病害。建造挡土墙的主要目的在于支挡墙后土体,防止墙后土体产生坍塌和滑移。浸水挡土墙设计中有诸多问题需要引起注意。本文首先对土压力计算做了计算上的阐述,然后说明了浸水挡土墙设计中应考虑的因素及其基础计算,最后对其构造设计做了简单探讨。
  关键词:浸水;挡土墙;土压力;重力式挡土墙;水压力
  Abstract: in subgrade engineering, retaining wall could be used in the stability of embankment and cutting slope and reducing conditions of quantities and area, prevent water scour of subgrade, and often used for roadbed disease renovation landslide, landslides, etc. Construction of retaining wall is the main purpose of the soil after a retaining wall, to prevent the collapse and sliding of soil. Immersed in the design of retaining wall has many problems to be noticed. This article first to the earth pressure calculation are calculated on the elaboration, and then illustrates the flooding factors should be considered in the design of retaining wall and its basic calculation, finally to make a simple discussion on the construction design.
  Key words: water immersion; Retaining wall; Earth pressure; Gravity retaining wall; Water pressure
  中图分类号:TU476.4文献标识码:A文章编号:2095-2104(2013)
  土压力计算
   (一)选用的计算理论
  一般挡土墙的土压力计算是按片面问题采用散粒体极限平衡理论(库伦理论和郎金理论)进行的,特别是库伦理论用简单而且实用,因而在较大的范围内使用。
  但计算浸水挡土墙的受力时,须考虑土压力在水作用下的影响、作用在墙体上水压力和浮力等因素。计算时用浮容重附加在浸水部分的材料上,假定水下的材料相互摩擦力相等并且是一个直平面,再根据库伦公式计算出浸水挡土墙的土压力。
   (二)荷载组合
  浸水挡土墙和一般挡土墙一样,计算时须同时考虑基本荷载组合和特殊荷载组合。基本荷载组合由基本荷载组合而成;基本荷载和一种或几种特殊载荷构成了特殊荷载组合。对浸水挡土墙来说,墙身自重、填土自重、土压力的有效荷载、设计洪水泄洪时产生的动水压力、正常蓄水或设计洪水产生的静水压力及扬压力等为基本载荷;校核洪水时的静水压力、扬压力、动水压力及地震区域的地震荷载等为特殊荷载。
   (三)土压力计算
  对自重荷載、水压力荷载,按常规方法即可确定;对重力式挡墙,除凸形折线和衡重式情况外,土压力均可直接按库伦土压力理论计算。当重力挡墙采取凸形折线或衡重式时,土压力计算较为复杂,需分别计算上墙土压力和下墙土压力。
  上墙土压力计算
  当墙背( 对衡重式挡墙,为假想墙背) 的坡角ε大于某一临界值εcr时, 填土将产生第二破裂面,作用在实际墙背上的主动土压力应按作用于第二破裂面上的主动土压力和墙背与第二破裂面之间土重的合力计算。当墙后填土表面倾斜时,作用在第二破裂面上土压力按下式计算:
  
  
  式中γ为填土容重, H1为上墙高;β为填土表面倾角;αE、βE分别为第一破裂面和第二破裂面与铅直线的夹角;α为假想墙背倾角;φ为填土内摩擦角;EAx 、EAy 分别为土压力水平向分量和铅直向分量。
  浸水挡土墙的土压力应考虑水对填土的影响。填土若为砂性土,其内摩擦角可视为不变。填土若为粘性土,应考虑内摩擦角的降低。当填土内摩擦角不变时,主动土压力系数也不变,当填土表面水平时,破裂角θ可以认为不受浸水的影响。当填土内摩擦角φ和θ破裂角都不变时,可采用不浸水时的压力Ea扣除计算水位以下因浮力影响而减少的土压力,按下式计算:
  
  式中Zbx为浸水后土压力作用点位置;ZX 为填土浸水前土压力作用点的高度;Hb为上墙水深;γˊ为填土浮容重;K为土压力系数。
  当考虑填土内摩擦角φ值降低时,应以计算水位为界,将填土的上下部分视为不同性质的土层,分层计算土压力。
  下墙土压力计算
   (1)延长墙背法
  将下墙墙背延长到填土表面,以延长后墙背为假想墙背,按库伦土压力理论求算假想墙背的土压力,作出相应土压力分布图形,截取与下墙相应的部分,该部分合力即为下墙主动土压力。浸水作用时,应扣除由于水的浮力影响而减少的土压力,并由土压力分布图形确定土压力及其作用点位置。
   (2)力多边形法
  依据极限平衡条件下作用于破裂棱体上的各力应构成闭合多边形的原理,求算下墙土压力。力多边形法求算下墙土压力采用数解法,当考虑浸水作用时,有两种方法获得土压力:
  ①先不考虑浸水作用,由力多边形法求出相应的上下墙土压力,再扣除由于水的浮力影响而减小的土压力,最后求出土压力大小及作用位置,可称为水土分算法。
  ②考虑浸水作用,相应水位下的土体自重取有效自重,由力多边形法求出相应的上下墙土压力,即为最后土压力,可称为水土合算法。根据力多边形几何关系, 可求得下墙土压力E2:
  
   式中E1为上墙土压力,α1、α2分别为上墙第二破裂面和下墙墙背与铅直线间夹角;θ1、θ2分别为上墙第一破裂面和下墙破裂面与铅直线间夹角;δ1、δ2分别为上下墙摩擦角。由于溢洪道一般为开挖渠道,为减小开挖量,下墙开挖边坡较陡,上墙开挖边坡较缓,为考虑上墙填土与山坡土体之间差异,分别给定上下墙破裂面附近土体内摩擦角φ1和φ2,单独取出上墙第一破裂面与下墙破裂面间土体,可推导出该部分土体自重W2与θ2之间的关系。由下墙土压力公式可知,它是破裂角θ2的函数,令dE2/dθ2 =0,可求得破裂角θ2 ,从而可求出下墙土压力。当按水土分算法时,用上述方法求出的土压力应扣除水的浮力作用引起的土压力减小。
  二、浸水挡土墙设计应考虑的因素
  挡土墙是用以抵抗土体位移变形的支承构筑物,因此其本身必须保证具有足够的稳定性和强度。在全部力系的作用下,根据位移方式的不同,其稳定性可分为抗滑移稳定性和抗倾覆稳定性两种,前者由墙沿其基底移动条件确定,后者则由力系对基础外边缘的转动而求得,强度验算则要求墙身任一截面上的应力不大于材料抗力,此外地基土应力也不应超过其承载力特征值,以免因土体强度降低而导致挡土墙整体失稳。
  在浸水地区挡土墙除需承担普通挡土墙的受力外,还应考虑附加的水压力,此时可适当放宽对偏心距的限制并降低对稳定系数的要求。在浸水条件下应考虑的因素较多,如属经常性浸水或季节性浸水;水对墙身的作用是波浪冲击或是水流冲刷;水压力是静水压力或动水压力;浮力作用;水对墙后填料力学性质的影响;水对墙身的侵蚀;墙身前后水位差及其变化等。浸水挡土墙所处的条件相当复杂,计算中应根据实际可能产生的最不利情况来进行考虑,最终确定的墙身断面应不小于一般挡土墙断面,且墙后填料一般应采用可渗水的土料。
  三、静水压力、动水压力和上浮力的计算
   (一)静水压力P1
  作用于墙面静水压力P1为:;
  其水平分力与垂直分力分别为:
  
  墻背静水压力P1为:
  ;
  其水平分力与垂直分力分别为:
  
  当计算动水压力时,Hb--Hˊb段的静水压力巳被动水压力所代替,则墙背静水压力P1x为:
  
  (二)上浮力P2
  作用于基底的上浮力Pˊ2为:
  式中: B 为基底宽m;C 为上浮力折减系数(表示基底面渗水程度对上浮力的影响,根据墙基底面水的渗透情况而定。
  墙身受到的上浮力P2 是基底上浮力Pˊ2 与作用于墙面和墙背上的垂直静水压力之差,即
  
  
  对于常年浸水的挡土墙,上述静水压力和上浮压力在计算时应视作主要荷载组合中的作用力;对于季节性浸水的挡土墙,则当作附加组合中的作用力。
   (三)动水压力P3
  当墙后为弱透水性填料时,由于墙外水位急剧下降,在填料内部将产生渗流,由此而引起动水压力P3。
  
  动水压力P3的水平分力与垂直分力分别为:;
  。
  动水压力P3的作用点为Ω面积的重心,其方向平行于Ij。透水性材料,动水压力一般很小,可以忽略不计。
  四、浸水挡土墙基础计算
  为了防止挡土墙基础发生位移和变形,就必须满足地基强度和稳定性,因而其基础埋深就需根据墙身受力和地基情况等进行综合考虑。
  当河流发生洪水时,其较大的流速和流量会带走河床上的土壤而造成冲刷现象,其结果将使河床下降,该深度即为冲刷深度,准确确定其冲刷深度不仅可保证挡土墙的正常使用,且关系到工程造价和施工可能性问题,因此对于挡土墙基础附近的冲刷深度计算不能只根据理论计算结果,还应根据现场河流的变动等调查资料来加以确定。
   (一)平行水流的冲刷深度
  
  式中,Va为洪水时坡脚处的流速;Vb为H水深时坡脚土壤开始移动的流速;n=0.5~0.25,根据防护地段的平面形状而定。
   (二)挤压河流断面的冲刷深度
  
  式中,Δw为未挤压和挤压后的水流断面之差,β为河底宽度。
   (三)水流斜冲的冲刷深度
  1、对于非粉性土壤基底
  
  对于卵石基底
  
  式中,Vm为水流偏斜时水位局部冲刷流速;α为水流与防护中线的夹角;m为边坡坡度。
  五、浸水挡土墙构造设计
   (一)墙身构造
  重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1:0.25仰斜,且不宜缓于1:0.30;衡重式挡墙下墙墙背坡度多采用1:0.25~1:0.30仰斜,上墙墙背采用1:0.25~1:0.45。仰斜式挡墙墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。在浸水条件下,一般采用浆砌石或砼挡墙, 墙顶宽度一般≥0.5m。为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂,根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝,为防止因收缩硬化和温度变化而产生裂缝,应设置伸缩缝。一般将沉降缝和伸缩缝合并设置,沿路线方向每隔10~25m设置一道。
   (二)排水措施
  地面排水
  设置地面截排水沟、夯实回填土顶面和地基松土,必要时可设铺砌层。
  墙身排水
  在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔,墙后设透水性材料。并按反滤设置泄水孔的尺寸可视泄水量大小分别采用( 视排水量及孔径大小而定) 方孔或直径为0.05~0.20m的圆孔,孔间距一般为2~3m,浸水挡墙为1.0~1.5 m,孔眼呈梅花形布置。对衡重式挡墙(如泄槽边墙),可以采用下墙后设排水层,上墙后设砂砾填料并夯实到设计要求压实度。
   (三)加强挡土墙的稳定性
  稳定的抗滑移性
  逆坡作为基底,可以加大基底与地基之间的摩擦力,其竖向力就能得到增加。
  稳定的抗倾覆性
  对墙身断面适当增大,改变墙胸坡度或墙背边坡,适当增大墙趾处的基础宽度,改变墙身型式。
   (四)设计一般的浸水挡土墙
  坚硬石料镶面是首先应该考虑到的一般浸水墙材料,如果材料浸水量相对较大并容易流失时,可在沉伸缩缝和沉降缝之间添加金属、沥青或沾有沥青的木板等材料,通常在水位以上0.3m处以2m为间距设置泄水孔。
  
  结语
  综上,浸水挡土墙的设计需进行详细的土压力计算,同时加强对墙后排水和墙身构造的设计及计算,以达到运行可靠、安全经济的效果。
  参考文献
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