浸水條件下重力式混凝土擋墻設(shè)計(jì)

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摘要：擋土墻構(gòu)造簡(jiǎn)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(duì)墻后土壓力的影響。結(jié)合具體工程實(shí)例，對(duì)與浸水擋土墻設(shè)計(jì)有關(guān)的主要問(wèn)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(duì)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(duì)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(duì)地震區(qū)域，還包括地震荷載。每一種荷載組合對(duì)應(yīng)一種計(jì)算工況，對(duì)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(duì)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(duì)正常蓄水位情況，若考慮排水失效，也按特殊組合計(jì)算。對(duì)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(kù)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(duì)自重荷載、水壓力荷載，按常規(guī)方法即可確定；對(duì)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(kù)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(jiǎn)化的計(jì)算方法，常用的有延長(zhǎng)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(lèi)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(duì)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(duì)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(zhǎng)墻背法：將下墻墻背延長(zhǎng)到填土表面，以延長(zhǎng)后墻背為假想墻背，按庫(kù)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(duì)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(lái)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(chēng)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(chēng)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(lái)的，假定實(shí)際墻背及衡重臺(tái)與土體間無(wú)相對(duì)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(duì)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(kāi)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)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(duì)一般邊墻無(wú)需考慮此種工況，對(duì)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(duì)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?。?。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(duì)庫(kù)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(guò)大，將使計(jì)算出土壓力誤差偏大（土壓力偏?。?，使設(shè)計(jì)出的擋土墻不安全，后仰過(guò)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(guò)大和墻踵壓應(yīng)力過(guò)大。因此，下墻墻背一般不緩于1：0.3。四、結(jié)語(yǔ)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(duì)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。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(cè).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.