簡介: 擋土墻是公路工程中廣泛采用的一種構(gòu)造物,特別在山區(qū)公路中,應(yīng)用更為廣泛。本文主要介紹采用容許應(yīng)力法進行擋土墻設(shè)計的情況,分析山區(qū)公路擋土墻設(shè)計中的重點問題,并提出了較為合理可行的建議與措施。
關(guān)鍵字:山區(qū)公路 擋土墻設(shè)計 土壓力 庫倫理論 穩(wěn)定 截面強度 措施
1 前言
公路擋土墻是用來支承路基填土或山坡土體,防止填土或土體變形失穩(wěn)的一種構(gòu)造物。在路基工程中,擋土墻可用以穩(wěn)定路堤和路塹邊坡,減少土石方工程量和占地面積,防止水流沖刷路基,并經(jīng)常用于整治坍方、滑坡等路基病害。
擋土墻的形式多種多樣,按其結(jié)構(gòu)特點,可分為:石砌重力式、石砌衡重式、加筋土輕型式、砼半重力式、鋼筋砼懸臂式和扶壁式、柱板式、錨桿式、錨定板式及垛式等類型;按其中路基橫斷面上的位置,又可分:路肩墻、路堤墻及路塹墻;按所處的環(huán)境條件,又可分為:一般地區(qū)擋墻、浸水地區(qū)擋土墻及地震地區(qū)擋土墻?紤]擋土墻設(shè)計方案時,應(yīng)與其他工程方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較,分析其技術(shù)的可行性、可靠性及經(jīng)濟的合理性,然后才確定設(shè)計方案,并根據(jù)實際情況進行擋土墻的選型。
在山區(qū)公路中,由于地形條件更為復(fù)雜,地勢更為陡峭,因此,擋土墻的應(yīng)用更為廣泛。近幾年來,筆者參加了二十多段、共三百多公里的山區(qū)公路(二、三級)的設(shè)計,主要負責(zé)路基防護工程,特別是擋土墻的設(shè)計,對山區(qū)公路擋土墻的設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗與體會,在此提出,僅供同類工程設(shè)計時參考。
2 擋土墻設(shè)計的基礎(chǔ)資料及設(shè)計參數(shù)
2.1 基礎(chǔ)資料
擋土墻設(shè)計時,必須具備以下資料:路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖,地質(zhì)資料(包括工程地質(zhì)勘察報告、工程物探報告),地震勘探報告,水文資料,總體設(shè)計資料及構(gòu)造物一覽表等。
2.2 設(shè)計參數(shù)的選取
2.2.1 墻背填料的物理力學(xué)性質(zhì) 對于山嶺重丘二、三級公路的擋土墻設(shè)計,當(dāng)缺乏試驗數(shù)據(jù)時,填料的計算內(nèi)摩擦角及容重可參照表1及表2選用:
表1 填料內(nèi)摩擦角ψ參考值
土的種類 | 塊石 | 大卵石、碎石類土 | 小卵石、礫石、粗砂、石屑 | 中、細砂、砂質(zhì)土 | 粉砂 | 粘土 |
內(nèi)摩擦角(°) | 45 | 40 | 35 | 30 | 26 | 14-21 |
表2 填料標(biāo)準(zhǔn)容重
土的種類 | 礫石、碎石、礫質(zhì)土 | 砂、砂質(zhì)土 | 粉土、粘性土 (ωl<50%) | 石灰土 (石灰10%) | 粉煤灰 |
容重(KN/m3) | 20 | 19 | 18 | 18 | 15 |
2.2.2 墻背摩擦角 填土與墻背間的摩擦角δ應(yīng)根據(jù)墻背的粗糙程度及排水條件確定。山區(qū)公路中,對于漿砌片石墻體、排水條件良好,均可采用δ=ψ/2。
2.2.3 基底摩擦系數(shù) 基底摩擦系數(shù)μ應(yīng)依據(jù)基底粗糙程度、排水條件和土質(zhì)確定。
2.2.4 地基容許承載力 地基容許承載力可按照《公路設(shè)計手冊·路基》及有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.5 建筑材料的容重 根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.6 砌體的容許應(yīng)力和設(shè)計強度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.7 砼的容許應(yīng)力和設(shè)計強度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。
3 擋土墻的選型
3.1 材料選擇
漿砌片石擋土墻取材容易,施工簡便,適用范圍比較廣泛。山區(qū)公路中,石料資源較為豐富,在擋土墻高≤10米時,因地制宜,采用漿砌片石砌筑,可以較好地滿足經(jīng)濟、安全方面的要求。
3.2 截面形式選擇
根據(jù)擋土墻結(jié)構(gòu)類型及其特點分析,當(dāng)墻高<5時,采用重力式擋土墻,可以發(fā)揮其形式簡單,施工方便的優(yōu)勢。同時,由于山區(qū)公路地面橫坡比較陡峭,若采用仰斜式擋土墻,會過多增加墻高,斷面增大,造成浪費,采用俯斜式擋土墻會比較經(jīng)濟合理。一般在路塹墻、墻趾處地面平緩的路肩墻或路堤墻等情況下,才考慮采用仰斜式擋土墻。當(dāng)墻高≥5且地基條件較好時,采用衡重式擋土墻,可以有效地減小截面,節(jié)省材料。
3.3 位置選擇
在挖方邊坡比較陡峭時,采用路塹擋土墻,可以降低邊坡高度,減少山坡開挖,避免破壞山體平衡;在地質(zhì)條件不良情況下,還可以支擋可能坍滑的山坡土體。
對于采用路肩擋土墻或路堤擋土墻,應(yīng)結(jié)合具體條件考慮,必要時應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟比較。因為路堤擋土墻承受荷載較大,受力條件較為不利,截面尺寸也較大,所以錄路堤墻與路肩墻的墻高或截面污工數(shù)量較為接近,基礎(chǔ)情況相仿時,采用路肩墻比較有利。
4 土壓力的計算
擋土墻設(shè)計的經(jīng)濟合理,關(guān)鍵是正確地計算土壓力,確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計算是一個十分復(fù)雜的問題,它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計算土壓力的理論和方法很多。由于庫倫理論概念清析,計算簡單,適用范圍較廣,可適用不同墻背坡度和粗糙度、不同墻后填土表面形狀和荷載作用情況下的主動土壓力計算,且一般情況下計算結(jié)果均能滿足工程要求,因此庫倫理論和公式是目前應(yīng)用最廣的土壓力計算方法。
4.1 庫倫主動土壓力計算公式及計算簡圖
主動土壓力計算公式:
Eα=1/2γH2Ka
式中:Eα——主動土壓力(KN),γ——土的容重(KN/m3),H——擋土墻高(m) ,Ka——庫倫主動土壓力系數(shù)。
《公路設(shè)計手冊·路基》中,以庫倫理論為基礎(chǔ),按墻后填土表面的形狀和車輛荷載分布情況的不同,推導(dǎo)出各種情況下的主動土壓力計算公式,設(shè)計時可根據(jù)實際情況查表計算。
4.2 第二破裂面土壓力的計算
在擋土墻設(shè)計中,當(dāng)墻背或假想墻背的傾角α1或α’1大于第二破裂面的傾角αi,或作用于墻背或假想墻背的土壓力對墻背法線的傾角δ’小于或等于墻背摩擦角δ時,就會出現(xiàn)第二破裂面,這種情況下,應(yīng)按破裂面出現(xiàn)的位置來求算土壓力。
對于一般常用的俯仰式擋土墻,不會出現(xiàn)第二破裂面,對于衡重臺較寬的衡重式擋土墻,則較易出現(xiàn)第二破裂面。各種邊界條件的第二破裂面主動土壓力計算公式詳見《公路設(shè)計手冊·路基》。
因此設(shè)計過程中,應(yīng)先采用試算的方法,判別第一破裂面出現(xiàn)的位置,計算破裂角,并根據(jù)計算所得的第二破裂面傾角判斷是否會出現(xiàn)第二破裂面,然后再選用合適的公式計算主動土壓力。
5 擋土墻的穩(wěn)定驗算及強度驗算
擋土墻的設(shè)計應(yīng)保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動和傾覆,并保證墻身截面有足夠的強度、基底應(yīng)力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后,應(yīng)進行墻的穩(wěn)定及強度驗算。擋墻的驗算方法有二種:一種是采用分項安全系數(shù)的極限狀態(tài)法,另一種是總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法。目前國內(nèi)多數(shù)應(yīng)用容許應(yīng)力法設(shè)計擋土墻。下面是采用容許應(yīng)力法進行擋土墻驗算的簡介。
5.1 滑動穩(wěn)定驗算
擋土墻沿基底的滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc應(yīng)不小于1.3。計算公式為:
Kc= (W+Ey)f / Ex
式中:W——擋土墻自重,衡重式時,包括衡重臺上的土重(KN),Ex,Ey——主動土壓力的水平和垂直分力(KN),f——基底摩擦系數(shù)。
設(shè)計中,為增加擋土墻的抗滑穩(wěn)定性,常將基底做成向內(nèi)傾斜,以增大滑動穩(wěn)定系數(shù)。基底斜坡坡度一般不超過1:5。
5.2 傾覆穩(wěn)定驗算
擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko應(yīng)不小于1.5。計算公式為:
Ko=(WZw+EyZx)/(ExZy)
式中:Zx——Ey對墻趾O點的力臂 (m),Zy——Ex對墻趾O點的力臂 (m),Zw——W對墻趾O點的力臂 (m)。
5.3 基底應(yīng)力及偏心驗算
基底的合力偏心距e。計算公式為:
e=B/2-Zn=B/2-(WZw+EyZx-ExZy)/(W+Ey)
在土質(zhì)地基上,e≤B/6;在軟弱巖石地基上,e≤B/5;在不易風(fēng)化的巖石地基上,e≤B/4。
當(dāng)e≤B/6時,墻趾和墻踵處的法向壓應(yīng)力為:
σ1,2=(W+Ey)(1±6e/B)/B≤[σ]
式中,[σ] ——地基土修正后的容許承載力(KPa)
[σ]= [σo]+K1γ1(B-2)
式中,[σo] ——地基土的容許承載力(KPa),K1 ——地基土容許承載力隨基礎(chǔ)寬度的修正系數(shù),γ1 ——地基土的天然容重(KN/m3)。
當(dāng)e>B/6時,基底出現(xiàn)拉應(yīng)力,考慮到一般情況下地基與基礎(chǔ)間不能承受拉力,故不計拉力而按應(yīng)力重分布計算基底最大拉應(yīng)力:
σ1=2(W+Ey)/ 3Zn≤[σ]
若出現(xiàn)負偏心,則上式的Zn改為(B-Zn)。
5.4 墻身截面強度驗算
通常選取一、兩個截面進行驗算。驗算截面可選在基礎(chǔ)底面、1/2墻高處或上下墻交界處等。
墻身截面強度驗算包括法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的驗算。剪應(yīng)力包括水平剪應(yīng)力和斜剪應(yīng)力兩種,重力式擋土墻只驗算水平剪應(yīng)力,而衡重式擋土墻還需進行斜截面剪應(yīng)力的驗算。
6 采取措施
完成了擋土墻截面設(shè)計及穩(wěn)定、強度驗算之后,必須采取必要的措施,以保證擋土墻的安全性。
6.1 基礎(chǔ)加固措施
6.1.1 為減少基底壓應(yīng)力,增加抗傾覆的穩(wěn)定性,在墻趾處伸出一臺階,以拓寬基底。墻趾臺階的寬度不小于20cm,臺階高寬比可采用3:2或2:1。
6.1.2 地基為軟弱土層時,可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質(zhì)量較好的材料換填,以擴散基底壓應(yīng)力,滿足設(shè)計要求。
6.2 排水措施
對于漿砌石擋土墻,應(yīng)在墻前地面以上設(shè)置一排泄水孔。墻較高時,可在墻上部加設(shè)泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圓孔,孔眼間距2~3米,上下排泄水孔錯開設(shè)置。泄水孔進水口應(yīng)設(shè)置反濾材料。
6.3 沉降縫與伸縮縫的設(shè)置
為避免地基不均勻沉降引起墻身開裂,需按墻高和地基性質(zhì)的變異,設(shè)置沉降縫,同時,為了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產(chǎn)生裂縫,需設(shè)置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設(shè)置在一起,每隔10~15m設(shè)置一道,縫寬2~3cm,自墻頂做至基底,縫內(nèi)宜用瀝青麻絮、瀝青竹絨或涂以瀝青的木板等具有彈性的材料,沿墻的內(nèi)、外、頂三側(cè)填塞,填塞深度不小于15cm。
6.4 墻頂與路面的銜接
當(dāng)墻頂寬大于土路肩寬度時,擋土墻侵入土路肩部分應(yīng)預(yù)留出相當(dāng)于路面結(jié)構(gòu)厚度部分以鋪筑路面。
6.5 車輛安全行駛保障措施
對于路肩墻,其墻頂面以下50cm采用C20砼澆筑,并預(yù)埋鋼筋,在其上設(shè)置防撞欄或防撞墻。
7 材料要求
7.1 石料須經(jīng)過挑選,質(zhì)地均勻,無裂縫,不易風(fēng)化。
7.2 石料的抗壓強度應(yīng)不低于30MPa。
7.3 盡量采用較大的石料砌筑,塊石應(yīng)大致方正,其厚度不小于15cm,寬度和長度相應(yīng)為厚度的1.5~2.0倍和1.5~3.0倍。
7.4 采用7.5號砂漿砌筑,10號砂漿勾縫。
8 設(shè)計體會
8.1 設(shè)計參數(shù)的選取
因用于計算主動土壓力的庫倫理論較適用于砂性土,而對于粘性土的壓力計算會存在一定的誤差,所以對于以粘性土做填料的擋土墻計算,設(shè)計參數(shù)如填料的內(nèi)摩擦角等的取值應(yīng)相對保守。由于庫倫理論是一種簡化的土壓力計算方法,所以對于以砂性土做填料的擋土墻,設(shè)計參數(shù)也應(yīng)根據(jù)實際情況取相對保守值。
8.2 安全系數(shù)的選取
對墻高≥6m的擋土墻,實際設(shè)計時建議將安全系數(shù)提高20%,以保證其安全性。
8.3 墻面坡的選取
出于美觀和施工方便的考慮,一段擋土墻通常都采用一個墻面坡。對于山區(qū)公路擋土墻,采用較陡的墻面坡,可有效減小墻高,節(jié)省材料。一般情況下,重力式擋土墻(俯傾式)、衡重式擋土墻墻面坡取1:0.05,仰斜式擋土墻的墻面坡取1:0.25,均能滿足設(shè)計要求。
8.4 墻背坡的選取
仰斜式擋土墻的墻背坡一般不超過1:0.3,具體結(jié)合開挖的臨時邊坡選取。
俯斜式擋土墻的墻背坡一般取1:0.2,隨著墻高增加,墻頂寬度相應(yīng)增大。
對于衡重式路肩擋土墻,當(dāng)墻高≤8m時,上墻背坡取1:0.25,墻高>8m而≤10m時,上墻背坡取1:0.3;下墻背坡取1:0.25。若為路堤墻,則上墻背坡應(yīng)相應(yīng)加大。
8.5 設(shè)計控制重點
對于俯斜式擋土墻,由于所受土壓力較大,所以設(shè)計時應(yīng)注意其穩(wěn)定和抗傾覆的驗算。對于衡重式擋土墻,一般較容易滿足穩(wěn)定要求,墻身斷面的強度成為擋土墻設(shè)計中主要的控制指標(biāo),所以一定要采用高強度的材料砌筑。
9 結(jié)束語
公路擋土墻是路基防護工程的重要組成部分。在山區(qū)公路中,擋土墻的應(yīng)用更為廣泛。擋土墻設(shè)計時,應(yīng)進行詳細地調(diào)查、勘測,確定構(gòu)造物的形式與尺寸,運用合適的理論計算土壓力,并進行穩(wěn)定性和截面強度方面的驗算,采取合理、可行的措施,以保證擋土墻的安全性。