公路挡土墙抗倾覆稳定性设计若干问题探讨

公路挡土墙抗倾覆稳定性设计若干问题探讨

发表时间：2012-12-04T14:39:15.357Z 来源：《建筑学研究前沿》2012年7月供稿作者：曾英锋[导读] 公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。

曾英锋福州晟祥工程咨询设计有限公司 35002 【摘要】挡土墙是公路工程中广泛采用的一种构造物。笔者结合多年工作经验，对公路挡土墙在抗倾覆稳定性设计相关方面进行分析探讨，以供参考。

【关键词】公路；挡土墙；稳定性

前言

公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。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，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。挡土墙的形式多种多样，按其结构特点，可分为：石砌重力式、石砌衡重式、加筋土轻型式、砼半重力式、钢筋砼悬臂式和扶壁式、柱板式、锚杆式、锚定板式及垛式等类型；按其中路基横断面上的位置，又可分：路肩墙、路堤墙及路堑墙；按所处的环境条件，又可分为：一般地区挡墙、浸水地区挡土墙及地震地区挡土墙。考虑挡土墙设计方案时，应与其他工程方案进行技术经济比较，分析其技术的可行性、可靠性及经济的合理性，然后才确定设计方案，并根据实际情况进行挡土墙的选型。

1.挡土墙倾覆破坏模式

通过工程实例与理论分析可得，当挡土墙抗滑稳定性和基底承载力满足要求时，挡土墙产生倾覆破坏的原因是墙后土压力过大。挡土墙基底地基反力分布一般开始接近梯形分布，但随着墙后土压力的增大，挡土墙合力偏心距增大。当墙后土压力增大到一定值时，地基反力发生重分布，变化为接近三角形分布；当墙后土压力继续增大到一定值时，地基最大反力将达到地基极限承载力，地基出现塑性，这时出现塑性部分的地基反力不再增加，产生较大的地基沉降，地基反力分布接近矩形与三角形的组合型分布；最后，当挡土墙即将发生倾覆稳定破坏时，可假定地基反力分布为矩形，其值为地基的极限承载力，墙踵一侧的地基反力为0，地基反力分布宽度小于墙底宽度。

2.抗倾覆稳定系数的新定义与计算

2.1抗倾覆稳定系数的新定义

挡土墙力系力臂如图1所示。挡土墙在一般受力状态下是稳定的，只有在最不利情况下，如主动土压力增大时，挡土墙才有可能出现倾覆破坏。因此，可考虑给挡土墙施加1个增大的主动土压力，设增大系数为K0。随着K0增大，墙趾部分的地基反力增大，增大至地基极限承载力时将不再增加，墙踵部分的地基反力减小，当其减小至0时，基底与地基分离。当挡土墙出现倾覆破坏时，K0增大到最大值，定义该最大的K0即为挡土墙抗倾覆稳定系数。K0越大，表明挡土墙抗倾覆的安全储备越大，越能满足抗倾覆稳定的要求。黄勇等将挡土墙达到倾覆极限平衡时，土压力水平分力的增大系数定义为挡土墙的抗倾覆稳定系数，该方法未考虑土压力竖向分力的变化对抗倾覆稳定性的影响[3]。

2.2抗倾覆稳定系数的计算

如图1所示，设挡土墙抗滑稳定性和基底承载力满足要求，并设挡土墙基底倾角为a0；挡土墙重力为G，挡土墙重力G对墙趾0点的力臂为ZG,土压力竖直方向分力为Ey，水平方向分力为Ex，Ex对墙趾O点的力臂为Zy， Ey对墙趾O点的力臂为Zx，地基反力为地基极限承载力Pu，地基反力分布宽度为L，对墙趾0点的力臂为L／2，基底摩擦因数为f,不计墙趾前被动土压力。挡土墙在倾覆破坏发生前瞬时抗倾覆应处于极限平衡状态， K0可由静力平衡条件求得。

挡土墙的抗倾覆稳定系数可由式(7)求出。由式(5)可知：挡土墙的抗倾覆稳定系数K0与地基承载力Pu有关，Pu越大，K0则越大；反之，Pu越小,K0则越小。当Pu→∞时，K0取得最大值：

（8）

3.算例分析

结合具体算例，分别按现行规范法和本文考虑基底地基反力力矩的新方法进行抗倾覆稳定性设计，并对这2种方法的计算结果进行对比分析。

某浆砌片石重力式路堤墙如图2所示。设填土内摩擦角φ=35。，墙背与填土外摩擦角δ=0.5，y=l8kN／m3，墙砌体yk=23 kN／m3，墙高H=6m，墙顶宽b=1.34m，基底水平宽度B=1.28m，墙背仰斜a= 14。02′，基底倾斜a0=1l。19′，汽车荷载为公路I级，地基极限承载力

Pu =400 kPa，不计墙趾前被动土压力[4]。

3.1按现行规范法设计

根据公路路基设计手册，采用库仑土压力理论计算相关参数。确定破裂角θ=40。33′，K=0.154，K1=1.859。

主动土压力为：

*

可见，K0大于规范规定值1.5，挡土墙抗倾覆稳定性满足要求。

3.2按新方法设计

3.2.1抗倾覆稳定系数的计算

*

3.2.2地基承载力对挡土墙抗倾覆稳定性的影响

将上述算例中挡土墙在相同填土条件下置于不同地基上，分别计算抗倾覆稳定系数。当地基极限承载力Pu =150kPa时,K0=0.85，即当挡土墙墙背土压力为库仑主动土压力的0.85倍时，挡土墙就处于抗倾覆极限平衡状态，这显然不满足抗倾覆稳定性要求。当地基极限承载力Pu=1 MPa时,K0=1.52，即挡土墙墙背土压力为库仑主动土压力的1.52倍时，挡土墙才处于抗倾覆极限平衡状态，抗倾覆稳定系数大于规范规定值1.5，挡土墙抗倾覆稳定性满足要求；当地基极限承载力Pu=10MPa时,K0=1.64；Pu→∞时，K0取得最大值，K0max=1．643。计

算结果如表1所示[5]。计算结果表明：随地基极限承载力的增大，挡土墙的抗倾覆稳定系数增大，抗倾覆稳定的安全储备增大。