挡土墙的设计优化

第5期(总第123期)中国市政工程No.5 (Serial No.123)2006年10月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGOct. 2006挡土墙的设计优化陆健(上海市园林设计院,上海200031)摘要;根据大量挡土墙工程事故和引用已有的主动土压力计算方法,对挡土墙优化设计中常见的土压力计算的影响因素，分别从理论和工程应用现状方面加以分析。主要影响因素有:不同的土压力理论;地下水;局部超载作用;墙后填士状态。因此,应根据工程特点和工程地质条件,考虑选择合适的土压力计算方法。关键词:挡士墙;工程事故;影响因素;主动土压力中图分类号: TU476.4文献标识码: A文 章编号: 1004- -4655(2006)05- -00609- -03挡土墙是为了实现较大的地势高差而增加的构筑(4)墙背填土使用杂填土,其密实度很差。物。据不完全统计,在我国丘陵、山区地带的建筑场地1.2挡土墙滑移中,有55%需修建挡土墙。对挡土墙的设计主要考虑某河道挡土墙为重力式浆砌石挡土墙，计算结果受弯、受剪抗倾覆及抗滑移等。从大量挡土墙事故调表明当墙后土质均匀时挡土墙的抗滑满足设计要求。查表明，其中不少失事原因是由于设计人员的疏忽,使但该段挡土墙于2002年10月建成,2003年4月即出土压力计算结果不能完全反映实际情况,造成挡土墙现了挡土墙整体滑移，夏季降雨后大面积护坡翘起。设计的失误,产生安全隐患。因此,挡土墙的设计优化2003年7月专家进行现场考察,发现修筑挡土墙时清应引起充分的重视。淤工作不彻底,未能清理到古河道冲积的淤泥层(淤泥1挡土墙的事故分析层内摩擦角仅为6°),这-软弱夹层的存在使土的力挡土墙的种类较多且形式多样，其中以重力式挡学指标下降。回填后上部形成路面,加上回填土自重,土墙最为常见。它是以刚性墙体本身重量来维持墙身荷载远大于未治理时的荷重。尤其在降雨量较大时，在土压力等作用下的平衡稳定，优点是可就地取材,由于渗流及孔隙水压力的影响，挡土墙稳定性不能满结构简单,施工方便，经济效益好,因而在工程中得到足规范要求。广泛应用。但因设计或施工不当而造成的事故并不少从以.上两例事故分析可以看出，造成挡土墙事故见。以下结合两例典型的重力式挡土墙事故,分析挡的原因除盲目追求低造价、仅凭经验修建外,不少还土墙设计的相关问题。是由设计不当及施工质量低劣造成的。因此很有必要1.1挡土墙倒塌从设计优化方面着手加以防治。某厂10m高石砌重力式挡土墙建成后不久,一2挡土墙设计计算方法场大雨使挡土墙全部倒塌,直接经济损失数万元。事目前，国内外对挡土墙的设计计算主要有两种方故的原因有:法:方法一,凭经验确定挡土墙的形式、墙身截面尺寸,(1)设计人员套用其他挡土墙施工图纸,而原设计并计算出其承受的土压力,然后再验算挡土墙的强度的地质条件、土质情况及墙背填土厚度均与实际建筑和稳定性;方法二，考虑挡土墙施工的造价,以挡土墙场地不符。如原设计挡土墙后边坡为黏性土,边坡稳本身的造价构造目标函数(仅限于钢筋混凝土挡土定性好,而实际场地为砂质黏土,且墙背填土厚度较墙),对挡土墙进行优化设计，挡土墙的形式还是凭经原设计增大1.0~1.5 m,使被动土压力增大。验确定。(2)盲目削减挡土墙截面尺寸，使其自重减小，这这两种方法都存在着一些 不足和问题:主观性(离不利于抗倾覆抗滑移。散性)较大;设计周期长,效率低;对设计人员的经验要(3)施工砌筑方法不正确,砂浆饱满度不够,墙身求较高;没有考虑挡土墙形式的选择与挡土墙工程总结构的整体性较差。体造价之间的关系。由于挡土墙中国煤化工将直接影响收稿日期:2006-07-12材料的消耗及杉响挡土墙工YHCNMHG59.中国市政工程陆健:挡土墙的设计优化2006年第5期程的总造价,所以寻找最佳设计方案就成了挡土墙设K。的计算问题。计中的一个关键问题。现行的设计方法没有考虑挡土1)朗肯土压力理论中，应用半空间的应力状态和墙工程的综合经济性，故对挡土墙用综合最优的方法极限平衡理论导出土压力计算公式,但由于忽略了填进行最优选型设计具有突出的意义。土与墙背之间的摩擦影响，使计算的主动土压力偏3挡土墙的结构选型大,而被动土压力偏小。各类挡土墙的技术经济效益有着相当大的差别。2)库伦土压力理论的适用条件是墙后填土为无黏从工程实际出发,从减压式挡土墙、重力式挡土墙、悬性土,根据墙后滑动土楔的静力平衡条件导出土压力臂式挡土墙和扶壁式挡土墙等结构形式中进行双向计算公式，并且假定墙后填土的破裂面为一平面,但.优选,即进行各类挡土墙和本类挡土墙的优选设计之事实上只有在填土与墙背之间的外摩擦角δ较小间的优选比较，最后确定-种技术经济状况最优、现时,破裂面才接近平面,因此计算结果与按曲线滑动场适应性最好的挡土墙方案。面计算的有出入。通常情况下，这种偏差在计算主动进行挡土墙优化设计与风险决策的步骤:第一确.土压力时较小，为2%~ 10%,可以认为满足工程精度要定方案比选的统-标准;第二确定优化设计的风险决求,而在计算被动土压力时,计算结果误差较大。策方法;第三选取比较能反映方案特性的随机变量可3)广义库伦土压力理论的适用性最广，墙后填土能值;第四搜索各类挡土墙的规范状态并按数学期望可为黏性土，黏聚力c>0。在计算黏性土的土压力时,准则和优势比较准则分别考核各个待选方案。工程上经常采用“等值内摩擦角”法,将黏聚力c折目前国内外对新型支挡结构的研究日趋成熟,锚算成内摩擦角,再用库伦土压力理论计算。定板挡土墙、锚杆挡土墙、土钉加筋土挡土墙等新型4.2地下水对土压力计算的影响挡土墙已在各类工程中得到越来越广泛的应用。这些挡土墙后填土密实后(即施工后)地下水的存在对新型挡土墙具有设计合理、结构轻巧施工快、投资省.墙后土体大致有如下影响:等特点。可以预见,随着新型支挡结构体系理论研究1)毛细水作用使地下水位以上的一部分土体产生与计算方法的不断完善,新型挡土墙的应用定会日趋假黏聚力;广泛。2)黏性土自身的黏聚力会有所降低;4挡土墙优化设计中 土压力计算的影响因素3)黏性土在低温情况下会冻胀产生-定的压力;一般挡土墙设计的必要内容是以挡土墙所受的土4)土体容重有显著变化。压力的计算结果为依据进行抗滑移稳定性和抗倾覆在计算地下水的影响时，其中1)、2)3)项产生的稳定性验算的。影响比较复杂且相对较小,不易计算。第4)项地下水工程中普遍采用朗肯(Rankine) 和库伦(Coulomb)引起土体容重的变化对土压力影响较大,计算时应主两种土压力理论,通过一定的简化和假定,计算挡土要考虑其影响。墙后土体达到极限平衡状态时挡土墙的主动土压力。4.3局部超载作用对土压力计算的影响挡土墙的设计以合理的主动土压力计算公式为前局部超载是指距挡土结构-定距离作用在填土面提,朗肯、库仑土压力计算理论以及由其推导的土压有限宽度上的荷载,如在挡士结构背后的填土面上有力计算公式多数把墙后土体假定为理想的状况，即便平行于挡土结构的公路、土堤、施工堆料、机械设备有地下水或填土为成层土,也是指同一水平厚度土体等。当挡土结构后填土面上有连续均布荷载q作用物理力学性质均匀。在挡土墙设计中,尽管这些计算时,通常土压力的计算方法是用假想的土重代替均布方法数学推理上是完善合理的，但实际工程应用中有荷载,这种方法可称为当量土重法。当填土面上有局-定的局限性。部超载作用时,主动土压力计算仍采用此种方法。但土压力是作用于支护工程的主要荷载，因此土压是此时,此方法在理论上难以成立,不符合应力分布力的计算是否准确，是挡土墙设计成败的重要因素。规律。填土面上作用的超载应为附加荷载，在局部范所以通过分析影响土压力大小的各种因素来探讨土围分布时,在土中产生的是附加应力,按附加应力分压力计算问题,对工程设计而言有着重要意义。布规律,在土中传递过程中产生扩散。传递越深,则荷4.1应用不同土压力理论对土压力计算的影响载分布越广,其值越小。计算点离荷载中心线越远,其朗肯土压力理论、库伦土压力理论及广义土压力值也越小。局中国煤化工,即土中水平理论的表达形式是相同的，不同的是主动土压力系数方向的附加应MHCN M H G,对局部荷载7(.中国市政工程陆健:挡土墙的设计优化2006年第5期作用应求出附加荷载在挡土结构背后的填土中产生表明,这些挡土墙按经典土压力计算公式计算表明是的侧向应力，即为局部荷载引起的土压力。稳定的,由于疏忽了挡土墙后土体存在抗剪强度较低4.4墙后填土的状态对土压力计算的影响的软土或软弱夹层,以及回填土和老土有明显接触面按《建筑地基基础设计规范》给出的土压力计算公等各种情况，因而造成挡土墙设计的失误,导致不必要式来计算,其结果只是土体在某一种状态下的计算结的巨大经济损失。果,不一定就是在最不利状态下的结果。墙后填土物从分析中可知,影响土压力的因素是多方面的。根理状态的改变,其主要原因:雨水(或融雪)的下渗;地据工程特点和工程地质条件的不同,考虑选择合适的下水水位的波动;长期荷载的作用;灵敏度的影响;排土压力计算方法,是非常必要的。水设施的工作状态。参考文献在土压力的计算中，既要考虑某-状态下填土的! 巢文华.对重力式挡土墙工程设计中的-些问题的探讨[J]江苏建筑,2002 ,(2).力学物理性质，也要考虑到填土的物理状态是动态时伟,刘继明,王磊,基坑支护体系主动区土压力试验研究[J].岩石力的,影响它的因素又是多方面的。因此,选择填土的何学与工程学报,2002,21(2).种物理状态作为土压力计算的依据，应结合实际工程3时伟,韩晓雷.基坑支护体系主动区土压力计算方法研究[J].青岛建的具体情况进行综合分析来确定。大量失事工程调查筑工程学院学报,2003 ,24(2).4刘建航,侯学渊.基坑工程手册[M ].北京:中国建筑工业出版社, 1997.(上接第64页)均衡匀速地推进施工。结合以往穿越管线行之有效的3)JGJ/T90- 1992 《工程技术规范》。经验，在盾构穿越的过程中,推进速度不宜过快(最快4)GB 50308- 1999 《地下铁道、轻轨交通工程测不大于2cm/min为宜)。盾构姿态变化不可过大过量规范》。频,控制单次纠偏量不大于10mm(高程平面),控制5)《变形监测技术规程》。盾构每次变坡不大于0.1%,以减少盾构施工对地层的3.3 监测精度 .扰动影响。1)高程控制测量按照国家二等水准测量精度进行。4.3严格控制同步注浆量和浆液质量2)水准测量每站观测高程中误差Mo为0.5mm。同步注浆浆液选用可硬性浆液(严格控制浆液配3)水准符合路线其闭合差F为+4.0VN mm(N 为比)。通过同步注浆及时充填建筑空隙,减少施工过程路线长)。中周边的土体变形。同步注浆量-般控制在建筑空隙4)最弱点观测高程中误差M弱为1.4 mm。的200%~250%,实际施工中浆液的用量结合前一阶3.4监测频率段施工的用量以及监测报表进行合理选择。在盾构位于该区域的推进施工中，增加监测的频4.4二次注浆率。在一般的推进过程中,监测频率为每天2次。在穿在盾构推进时，填补建筑空隙的同步注浆浆液，有越污水管的施工过程中,将监测频率提高至每天3~5可能顺土层裂隙渗透而依旧存在-定间隙,且浆液收次,若监测数据发现异常时还需增加监测频率。必要缩也会形成地面变形及土体侧向位移的隐患。因此视时进行跟踪监测,直至完成盾构穿越,待变形稳定后实际情况需要,在管片脱出盾尾5环后,可采取对管恢复正常频率。施工前所得的初始数据必须是3次观片的建筑空隙进行二次注浆的方法来填充。浆液为水测平均值,以保证原始数据的准确性。当监测值接近泥单液浆。浆液通过管片的注浆孔注入隧道外土层,报警值时提请有关方面注意;当监测值达到报警值时并在施工时采取推进和注浆联动的方式,注浆未达到及时报警。要求,盾构暂停推进，以防止土体发生过大变形。壁后4盾构穿越时 采取的技术措施二次注浆根据地面监测情况随时调整,从而使地层变4.1严格控制盾构正面平衡压力形量减至最小。在盾构穿越污水管过程中必须严格控制切口平衡5结语压力,同时也必须严格控制与切口压力有关的施工参在整个施工过程中，将施工技术要点和施工参数数,如推进速度、总推力、出土量等。尽量减少平衡压控制形成有效的、可靠的预控系统,用于指导盾构推力值的波动,使对土体扰动减少到最小。进施工。通过精心策划、认真施工,管线的沉降小于预4.2严格控制盾构纠偏量计和要求的沉中国煤化工看构穿越合流在确保盾构正面变形控制良好的情况下，使盾构污水管的工程。YHCNMHG71.