淺談重力式擋土墻在地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

淺談重力式擋土墻在地質(zhì)災(zāi)害防治中的應(yīng)用

0查表法或直接采用定型有很多形式的擋土墻。重力墻具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制作方便、施工方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用。目前,重力式擋土墻的設(shè)計(jì)多采用查表法或直接套用定型的設(shè)計(jì)圖集;或憑經(jīng)驗(yàn)初步擬定截面尺寸,再驗(yàn)算其穩(wěn)定性,同時(shí)根據(jù)結(jié)果不斷調(diào)整截面尺寸,直到滿足要求。這些方法對(duì)設(shè)計(jì)人員的經(jīng)驗(yàn)要求較高,極大地影響了擋土墻設(shè)計(jì)工作的效率。如何快速、準(zhǔn)確地確定影響擋土墻穩(wěn)定性的主要因素,提高設(shè)計(jì)的工作效率已經(jīng)成為一項(xiàng)具有現(xiàn)實(shí)意義且最為迫切的工作。1重力式擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算重力式擋土墻靠自身重力平衡土體。依據(jù)墻背型式不同,其種類有普通重力式擋墻、不帶衡重臺(tái)的折線墻背式重力擋墻和衡重式擋墻［1］。衡重式擋墻屬重力式擋墻,衡重臺(tái)上填土使得墻身重心后移,增加了墻身的穩(wěn)定性;墻胸很陡,下墻背仰斜,可以減小墻的高度和土方開挖;但基底面積較小,對(duì)地基要求較高［2］。重力式擋土墻的設(shè)計(jì)計(jì)算包括抗傾覆驗(yàn)算、抗滑移驗(yàn)算和地基承載力驗(yàn)算,此外還應(yīng)進(jìn)行地基整體穩(wěn)定性驗(yàn)算和強(qiáng)度計(jì)算。其中最主要的是抗傾覆和抗滑移驗(yàn)算［3］。影響重力式擋土墻穩(wěn)定性的因素很多,主要有重力式擋土墻的形狀、墻體材料、地基土類別、承載力、墻后填土類別及地下水位高度等［4，5］。本文主要研究擋土墻形狀、地基土性狀對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的影響。主要包括背坡傾斜度、面坡傾斜度、墻底摩擦系數(shù)、墻底傾斜坡率、土體粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ六個(gè)因素,詳見(jiàn)圖1。2抗滑移穩(wěn)定性參數(shù)的選取重力式擋土墻設(shè)計(jì)優(yōu)化過(guò)程是在影響擋土墻穩(wěn)定性的眾多因素(背坡傾斜度、面坡傾斜度、墻底摩擦系數(shù)、墻底傾斜坡率、土體粘聚力c和內(nèi)摩擦角φ)中,選取一個(gè)變量并使其他參數(shù)不變,通過(guò)理正巖土軟件修改選取的變量的大小,得到相應(yīng)的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)kc值和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)ko值。記錄相應(yīng)的數(shù)值,做出各影響因素與安全系數(shù)關(guān)系圖,得出影響變化率,分析各影響因數(shù)對(duì)安全系數(shù)的影響程度,從而確定主要的影響因素。2.1滑移穩(wěn)定驗(yàn)算從表1可以看出,對(duì)于仰斜式重力式擋墻,擋土墻背坡傾斜坡度設(shè)計(jì)值越小,擋土墻的穩(wěn)定性越高。對(duì)于俯斜式重力式擋墻則正好相反,墻背傾角α越大,擋土墻的穩(wěn)定性越高。從圖2可以看出,背坡傾斜坡度對(duì)抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的影響敏感性系數(shù)為0.05,對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的影響敏感性系數(shù)為0.26,說(shuō)明背坡傾斜度變化對(duì)擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)影響較小,對(duì)抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的影響較大,這和規(guī)范規(guī)定的擋墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)計(jì)算方法有關(guān)?？够品€(wěn)定系數(shù)的計(jì)算是力的平衡,在滑動(dòng)面上,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)等于抗滑力除以下滑力,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)只跟平面力有關(guān);抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的計(jì)算是力矩的平衡,對(duì)于特定的平衡點(diǎn),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)等于抗傾覆力矩除以傾覆力矩,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不只跟平面力有關(guān),還跟力作用的位置有關(guān)。2.2面坡面坡率為200時(shí)從表2可以看出,在其他影響因素不變的情況下,擋土墻面坡傾斜坡度設(shè)計(jì)值越小,即墻面傾角β越小,擋土墻的穩(wěn)定性越高。從圖3中可以看出,當(dāng)墻面垂直即β=90°,即面坡坡率為0時(shí),抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)基本一樣,都為0.62左右。當(dāng)面坡傾斜坡度變小時(shí),抗滑移穩(wěn)定系數(shù)變化率為0.06,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化幅度為0.37,可見(jiàn)抗滑移穩(wěn)定系數(shù)變化幅度比抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化幅度小得多,說(shuō)明抗滑移穩(wěn)定系數(shù)對(duì)面坡傾斜坡度的變化敏感度小,而抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)對(duì)面坡傾斜坡度的變化敏感度大。而且兩個(gè)系數(shù)的變化基本上均成線性增長(zhǎng)。2.3墻底摩擦系數(shù)對(duì)抗滑移穩(wěn)定驗(yàn)算墻底摩擦系數(shù)與地基基礎(chǔ)類別、墻底土體類型和墻體材料有關(guān)。從表3可以看出,當(dāng)墻底摩擦系數(shù)增大時(shí),抗滑移穩(wěn)定系數(shù)隨之增大,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不變,這是由于墻底摩擦系數(shù)增大能夠增大抗滑力,所以抗滑移穩(wěn)定系數(shù)增大,而墻底摩擦系數(shù)增大對(duì)抗滑力矩沒(méi)有影響,所以抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不變。從圖4得出,當(dāng)摩擦系數(shù)等于0時(shí),擋土墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)只有0.5,這說(shuō)明擋土墻靠墻底的土體粘聚力不可能達(dá)到抗滑穩(wěn)定,必須使土體和墻底有一個(gè)較大的摩擦力,才能保證墻體的抗滑穩(wěn)定。墻底摩擦力對(duì)擋土墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)沒(méi)有影響,說(shuō)明抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)與墻底土體類型、墻體材料粗糙程度無(wú)關(guān),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為2.04,表明在現(xiàn)有條件下滿足抗傾覆要求。2.4抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算從表4可以看出,隨著墻底傾斜坡度增大,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)隨之增大,這是由于隨著墻底傾斜坡度的增大,墻體重力在滑移面上的壓力分力和抗傾覆力臂隨之增大,抗滑力和抗傾覆力矩增大,故抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)就增大。從圖5可以看出,在現(xiàn)有條件不變的情況下,當(dāng)墻底水平時(shí),抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)為1.952,能滿足規(guī)范要求的安全系數(shù)范圍,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)為0.752,不能滿足規(guī)范要求?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑移穩(wěn)定移系數(shù)變化率分別為0.03和0.04,說(shuō)明墻底傾斜坡度對(duì)兩個(gè)系數(shù)的影響敏感程度是近似的,都比較小,說(shuō)明墻底坡度對(duì)擋土墻穩(wěn)定性的影響較小。2.5抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算從表5可以看出,當(dāng)粘聚力增大時(shí),穩(wěn)定性隨之增大,尤其是抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)快速增大,這是由于土體的粘聚力在滑移面上提供了一個(gè)抗滑力,當(dāng)抗滑力增大時(shí),擋墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)增大。在均質(zhì)土體中一般形成的是圓弧滑動(dòng)面,圓弧滑動(dòng)面上的抗滑力增大,圓弧半徑也增大,抗傾覆力矩就急劇增大,導(dǎo)致了抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的快速增大。從圖6可以看出,當(dāng)土體的粘聚力為0時(shí),即地基基礎(chǔ)為純凈的砂時(shí),擋墻的抗傾覆和抗滑移均不能滿足規(guī)范要求?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)對(duì)粘聚力的變化率為1.56,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)對(duì)粘聚力的變化率為0.19,說(shuō)明抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)對(duì)粘聚力變化的敏感度大于抗滑移穩(wěn)定系數(shù)對(duì)粘聚力變化的敏感度,這主要是由于粘聚力的增大,導(dǎo)致土體破壞面上抗滑力的增大,同時(shí)也導(dǎo)致土體圓弧破壞面半徑的增大,而抗傾覆力矩等于抗傾覆力乘以圓弧破壞面半徑,所以抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的增大幅度大于抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的增大幅度。2.6抗滑移穩(wěn)定系數(shù)從表6可以看出,土體內(nèi)摩擦角增大,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)均隨之增大,這是由于在土體內(nèi)形成的抗滑力是隨著土體內(nèi)摩擦角增大而增大的,這也就導(dǎo)致了抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)的增大。從圖7可以看出,當(dāng)土體的內(nèi)摩擦角為0°時(shí),即土體為飽和的淤泥,擋墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)分別為0.24和0.53,都不滿足規(guī)范要求,所以在飽和的淤泥土上修建擋墻,其基礎(chǔ)必須經(jīng)過(guò)處理。抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)對(duì)內(nèi)摩擦角的變化率分別為0.17和0.07,抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)變化率大于抗滑移穩(wěn)定系數(shù)變化率,即前者對(duì)內(nèi)摩擦角變化的敏感性大于后者。3抗滑移穩(wěn)定系數(shù)影響因素的犯罪性分析結(jié)果擋土墻穩(wěn)定性計(jì)算中,有的因素變化對(duì)擋土墻的穩(wěn)定性影響大,即為敏感性因素,有的因素變化影響不大,即為非敏感性因素。必須對(duì)各因素的敏感性進(jìn)行分析、預(yù)測(cè),確定影響擋土墻穩(wěn)定性的主要因素,為擋土墻設(shè)計(jì)優(yōu)化提供依據(jù),從而能夠快速、正確地進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)。通過(guò)上述的計(jì)算分析和研究,可以得出擋土墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)對(duì)各因素的變化率,如表7所示。將表格中的變化率表現(xiàn)在折線圖上,再進(jìn)行從大到小的排序,可以得出如下的結(jié)果,見(jiàn)圖8。從表7和圖8可以看出,抗滑移穩(wěn)定系數(shù)中各影響因素的影響敏感性都較為接近,數(shù)值介于0.05~0.19之間,敏感性排序依次為土體粘聚力、墻底摩擦系數(shù)、土體內(nèi)摩擦角、面坡坡率、背坡坡率、墻底斜率。其中土體粘聚力和墻底摩擦系數(shù)的變化率較大,敏感性較大,其余四個(gè)影響因素的變化率較小,敏感性較小。因此,影響擋土墻穩(wěn)定性的敏感性因素為土體粘聚力和墻底的摩擦系數(shù),這樣的結(jié)果和工程實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)是相一致的?？箖A覆穩(wěn)定系數(shù)中各影響因素的敏感性變化較大,其中土體粘聚力的變化率最大,為1.56;其次為面坡斜率和背坡斜率,這兩個(gè)敏感性較為接近;再次為土體內(nèi)摩擦角;最后為墻底斜率和墻底摩擦系數(shù),它們基本上對(duì)擋墻抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)沒(méi)有影響。這是由計(jì)算公式和計(jì)算的建設(shè)條件所決定的,這樣的計(jì)算結(jié)果比實(shí)際的工程情況要保守,使計(jì)算的結(jié)果更為安全。綜上所述,影響擋土墻穩(wěn)定性的敏感因素為土體的粘聚力,其次為墻體的形狀。其中,墻底的摩擦系數(shù)對(duì)擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)是沒(méi)有影響的。4滑移穩(wěn)定驗(yàn)算本文通過(guò)研究影響重力式擋土墻穩(wěn)定性的六個(gè)影響因素,分別計(jì)算了不同條件下?lián)跬翂Φ陌踩禂?shù)及其對(duì)各影響因素敏感性的變化率,得出了以下幾點(diǎn)結(jié)論。(1)擋土墻抗滑移穩(wěn)定系數(shù)與六個(gè)影響因素均有關(guān)系,并且六個(gè)因素對(duì)抗滑移穩(wěn)定系數(shù)的影響作用相近,在擋土墻設(shè)計(jì)優(yōu)化時(shí),可以根據(jù)擋土墻不同的作用和現(xiàn)場(chǎng)條件,合理地調(diào)整六個(gè)因素。(2)擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系