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浸水條件下重力式混凝土擋墻設(shè)計(jì)論文
摘 要：擋土墻構(gòu)造簡單，但要設(shè)計(jì)出合理經(jīng)濟(jì)的斷面需選擇合適的工況、幾何物理學(xué)參數(shù)，計(jì)算出較切合實(shí)際的土壓力。在浸水條件下，要確定特征水位、考慮浸水對墻后土壓力的影響。結(jié)合具體工程實(shí)例，對與浸水擋土墻設(shè)計(jì)有關(guān)的主要問題進(jìn)行了分析和討論。計(jì)算分析表明，浸水條件下?lián)鯄υO(shè)計(jì)必須同時(shí)重視墻身構(gòu)造和墻后排水設(shè)計(jì)，以達(dá)到安全經(jīng)濟(jì)的效果。分析還表明，擋土墻驗(yàn)算可以不進(jìn)行剪應(yīng)力驗(yàn)算，對浸水條件下?lián)鯄�，�?yīng)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定和截面法向應(yīng)力驗(yàn)算。
關(guān)鍵詞：擋土墻設(shè)計(jì) 浸水 土壓力 驗(yàn)算 排水
一、浸水擋土墻計(jì)算
1．浸水條件下荷載及其組合
作用在邊墻上的荷載可分為基本荷載和特殊荷載，基本組合由基本荷載組成，特殊組合由基本荷載和一種或幾種特殊荷載組成。對浸水擋土墻而言，基本荷載主要包括墻身自重、填土自重、土壓力、墻頂上的有效荷載、正常蓄水或設(shè)計(jì)洪水位時(shí)靜水壓力及揚(yáng)壓力、設(shè)計(jì)洪水位情況下泄流時(shí)動(dòng)水壓力；特殊荷載主要包括校核洪水位時(shí)的靜水壓力及揚(yáng)壓力、相應(yīng)于校核洪水時(shí)的動(dòng)水壓力，對地震區(qū)域，還包括地震荷載。每一種荷載組合對應(yīng)一種計(jì)算工況，對溢洪道邊墻而言，控制段上下游部位的邊墻計(jì)算工況不完全相同，需具體分析。
2．浸水條件下計(jì)算工況
對進(jìn)水渠和控制段的邊墻，計(jì)算工況主要有：完建情況、正常蓄水位情況、設(shè)計(jì)洪水位情況、施工情況、檢修情況、校核洪水情況、地震情況。前3種工況相應(yīng)的荷載為基本荷載組合，后4種工況相應(yīng)的荷載為特殊荷載組合。對正常蓄水位情況，若考慮排水失效，也按特殊組合計(jì)算。對控制段以下邊墻，計(jì)算工況主要有：完建情況、泄設(shè)計(jì)洪水、不泄洪（正常蓄水位）、泄校核洪水、檢修情況、排水失效、地震情況，前3種工況相應(yīng)荷載為基本荷載組合，后4種工況相應(yīng)的荷載為特殊荷載組合。另外，當(dāng)庫水位或下游水位驟降時(shí)，可根據(jù)具體情況考慮是否需要核算進(jìn)水渠導(dǎo)墻或消力邊墻的穩(wěn)定。
3．浸水條件下荷載計(jì)算
對自重荷載、水壓力荷載，按常規(guī)方法即可確定；對重力式擋墻，除凸形折線和衡重式情況外，土壓力均可直接按庫倫土壓力理論計(jì)算。當(dāng)重力擋墻采取凸形折線或衡重式時(shí)，土壓力計(jì)算較為復(fù)雜，需分別計(jì)算上墻土壓力和下墻土壓力。計(jì)算上墻土壓力時(shí)，先判別是否會(huì)出現(xiàn)第二破裂面，如有第二破裂面，則按第二破裂面法計(jì)算上墻土壓力；下墻土壓力計(jì)算較為復(fù)雜，目前普遍采用簡化的計(jì)算方法，常用的有延長墻背法和力多邊形法。在溢洪道邊墻設(shè)計(jì)中，衡重式擋墻是較為常用的一種形式，本文介紹此類擋墻在浸水條件下土壓力計(jì)算。
�。�1）墻上土壓力計(jì)算
當(dāng)墻背（對衡重式擋墻，為假想墻背）的坡角 大于某一臨界值 時(shí)，填土將產(chǎn)生第二破裂面，作用在實(shí)際墻背上的主動(dòng)土壓力應(yīng)按作用于第二破裂面上的主動(dòng)土壓力和墻背與第二破裂面之間土重的合力計(jì)算。第二破裂面位置的確定可參考文獻(xiàn)[2]。當(dāng)墻后填土表面傾斜時(shí)，作用在第二破裂面上土壓力按下式計(jì)算：
式中 為填土容重， 為上墻高； 為填土表面傾角； 、 分別為第一破裂面和第二破裂面與鉛直線的夾角； 為假想墻背傾角； 為填土內(nèi)摩擦角； 、 分別為土壓力水平向分量和鉛直向分量。浸水擋土墻的土壓力應(yīng)考慮水對填土的影響。填土若為砂性土，其內(nèi)摩擦角可視為不變。填土若為粘性土，應(yīng)考慮內(nèi)摩擦角的降低。當(dāng)填土內(nèi)摩擦角不變時(shí)，主動(dòng)土壓力系數(shù)也不變，當(dāng)填土表面水平時(shí)，破裂角 可以認(rèn)為不受浸水的影響。當(dāng)填土內(nèi)摩擦角 和破裂角 都不變時(shí)，可采用不浸水時(shí)的壓力 扣除計(jì)算水位以下因浮力影響而減少的土壓力 ， = - ， 按下式計(jì)算：
式中 為浸水后土壓力作用點(diǎn)位置； 為填土浸水前土壓力作用點(diǎn)的高度； 為上墻水深； 為填土浮容重；Ｋ為土壓力系數(shù)。當(dāng)考慮填土內(nèi)摩擦角 值降低時(shí)，應(yīng)以計(jì)算水位為界，將填土的上下部分視為不同性質(zhì)的土層，分層計(jì)算土壓力。
�。�2）下墻土壓力計(jì)算
1）延長墻背法：將下墻墻背延長到填土表面，以延長后墻背為假想墻背，按庫倫土壓力理論求算假想墻背的土壓力，作出相應(yīng)土壓力分布圖形，截取與下墻相應(yīng)的部分，該部分合力即為下墻主動(dòng)土壓力。當(dāng)上下部分墻背（對衡重式擋墻，上墻背為假想墻背或第二破裂面）的傾斜角相差10°以上時(shí)，應(yīng)進(jìn)行校正。這時(shí)，可以用半圖解半數(shù)解法（蘇Ｔ.Ｋ.列恩法）來計(jì)算[2]。浸水作用時(shí)，應(yīng)扣除由于水的浮力影響而減少的土壓力，并由土壓力分布圖形確定土壓力及其作用點(diǎn)位置。
2）力多邊形法：依據(jù)極限平衡條件下作用于破裂棱體上的各力應(yīng)構(gòu)成閉合多邊形的原理，求算下墻土壓力。力多邊形法求算下墻土壓力采用數(shù)解法，當(dāng)考慮浸水作用時(shí)，有兩種方法獲得土壓力：① 先不考慮浸水作用，由力多邊形法求出相應(yīng)的上下墻土壓力，再扣除由于水的浮力影響而減小的土壓力，最后求出土壓力大小及作用位置，可稱為水土分算法；② 考慮浸水作用，相應(yīng)水位下的土體自重取有效自重，由力多邊形法求出相應(yīng)的上下墻土壓力，即為最后土壓力，可稱為水土合算法。根據(jù)力多邊形幾何關(guān)系，可求得下墻土壓力Ｅ2。
4．浸水條件下?lián)跬翂︱?yàn)算
求出各工況下荷載后，可以進(jìn)行擋土墻驗(yàn)算。驗(yàn)算內(nèi)容主要包括墻體穩(wěn)定性驗(yàn)算、基底應(yīng)力及合力偏心距驗(yàn)算，墻身截面驗(yàn)算。有關(guān)穩(wěn)定驗(yàn)算，基底應(yīng)力驗(yàn)算的方法及計(jì)算公式可參考文獻(xiàn)[1][3]。
�。�1）墻身截面驗(yàn)算
墻身截面驗(yàn)算包括法向應(yīng)力和剪應(yīng)力驗(yàn)算，衡重式擋墻一般選取上下墻交界處截面驗(yàn)算其法向應(yīng)力和剪應(yīng)力，再選取一斜截面，驗(yàn)算剪應(yīng)力。
1）作用在衡重式擋土墻上墻實(shí)際墻背的土壓力：衡重式擋土墻墻身截面驗(yàn)算時(shí)，應(yīng)先求出作用在上墻實(shí)際墻背上的土壓力。由于上墻實(shí)際墻背的土壓力 是由第二破裂面上的土壓力 傳遞而來的，假定實(shí)際墻背及衡重臺與土體間無相對移動(dòng)，則利用力多邊形可求出兩者之間關(guān)系。
2）法向應(yīng)力驗(yàn)算：求出作用在上下墻交界面以上墻體的水壓力、土壓力及自重，則可以求出作用于交界面上的法向荷載 及切向荷載 ，各力系對截面外端點(diǎn)的穩(wěn)定力矩 及傾覆力矩 ；進(jìn)一步可以求出截面偏心距、截面最大法向應(yīng)力，具體公式可參考文獻(xiàn)[3]。
3）剪應(yīng)力驗(yàn)算：水平剪應(yīng)力可按以下公式驗(yàn)算：
式中 為墻體的容許剪應(yīng)力； 為上下墻交界面處水平荷載； 為截面寬度
二、浸水擋土墻構(gòu)造設(shè)計(jì)
1．墻身構(gòu)造
重力式擋土墻的墻背坡度一般采用1：0.25仰斜，且不宜緩于1：0.30；衡重式擋墻下墻墻背坡度多采用1：0.25～1：0.30仰斜，上墻墻背采用1：0.25～1：0.45。仰斜式擋墻墻面一般與墻背坡度一致或緩于墻背坡度。在浸水條件下，一般采用漿砌石或砼擋墻，墻頂寬度一般≥0.5ｍ。為避免因地基不均勻沉陷而引起墻身開裂，根據(jù)地基地質(zhì)條件的變化和墻高、墻身斷面的變化情況需設(shè)置沉降縫，為防止因收縮硬化和溫度變化而產(chǎn)生裂縫，應(yīng)設(shè)置伸縮縫。一般將沉降縫和伸縮縫合并設(shè)置，沿路線方向每隔10～25ｍ設(shè)置一道。
2．排水措施
�。�1）地面排水：設(shè)置地面截排水溝、夯實(shí)回填土頂面和地基松土，必要時(shí)可設(shè)鋪砌層。
�。�2）墻身排水：在墻身的適當(dāng)高度處布置一排或數(shù)排泄水孔，墻后設(shè)透水性材料。并按反濾設(shè)置泄水孔的尺寸可視泄水量大小分別采用（視排水量及孔徑大小而定）方孔或直徑為0.05～0.20ｍ的圓孔，孔間距一般為2～3ｍ，浸水擋墻為1.0～1.5ｍ，孔眼呈梅花形布置。對衡重式擋墻（如泄槽邊墻），可以采用下墻后設(shè)排水層，上墻后設(shè)砂礫填料并夯實(shí)到設(shè)計(jì)要求壓實(shí)度。
三、討論
1．計(jì)算工況由于水位經(jīng)常變化，浸水擋墻計(jì)算工況較多。對于溢洪道進(jìn)口邊墻，特征水位包括枯水位、正常蓄水位、設(shè)計(jì)洪水位和校核洪水位，對泄槽段、消力池邊墻，特征水位與進(jìn)口邊墻相同，只是正常蓄水位情況下，墻外水深一般為零。相應(yīng)地，可以分出6種計(jì)算工況。對于洪水驟降，因大壩出現(xiàn)險(xiǎn)情時(shí)才會(huì)有此種工況，因此，對一般邊墻無需考慮此種工況，對重要邊墻，則應(yīng)根據(jù)情況確定。
2．土壓力計(jì)算浸水擋土墻的土壓力應(yīng)考慮水對填土的影響，即填土浸水后，一方面浮力使土壓力減小，另一方面抗剪強(qiáng)度降低（內(nèi)摩擦角減小）。一般浸水擋土墻，尤其是溢洪道邊墻，不大使用粘土回填，而采用砂礫料按一定壓實(shí)度回填。此時(shí)，可認(rèn)為墻后填土φ值不變，從而可以采用文中前述方法考慮水的影響。如果墻后為粘土，土壓力計(jì)算變得更加復(fù)雜，常用等效內(nèi)摩擦角法和力多邊形法。已有計(jì)算研究表明，前者計(jì)算高墻或低墻土壓力不大合適[3]。另外，墻背傾斜度對庫倫公式計(jì)算值影響很大。在其他條件相同時(shí)，土壓力仰斜墻背較俯斜墻背小，后仰愈大，壓力愈小。但是，后仰過大，將使計(jì)算出土壓力誤差偏大（土壓力偏小），使設(shè)計(jì)出的擋土墻不安全，后仰過大還將使墻身重心后移，給施工造成困難，還使基底負(fù)偏心過大和墻踵壓應(yīng)力過大。因此，下墻墻背一般不緩于1：0.3。
四、結(jié)語
計(jì)算分析表明，浸水條件下?lián)鯄υO(shè)計(jì)必須同時(shí)重視墻身構(gòu)造和墻后排水設(shè)計(jì)，以達(dá)到運(yùn)行可靠、安全經(jīng)濟(jì)的效果。分析還表明，擋土墻驗(yàn)算可以不進(jìn)行剪應(yīng)力驗(yàn)算，對浸水條件下?lián)鯄Γ瑧?yīng)進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定和截面法向應(yīng)力驗(yàn)算。
參考文獻(xiàn)
[1] ＳＬ253-2000.溢洪道設(shè)計(jì)規(guī)范.[Ｓ].
[2] 華東水利學(xué)院 水工設(shè)計(jì)手冊.第七卷.[Ｍ].北京.水力電力出版社.1982.7~388.7~389.
[3] 陳忠達(dá).公路擋土墻設(shè)計(jì).[Ｍ].北京.人民交通出版社.2001.52~60.
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