衡重式挡土墙断面优化设计研究

衡重式挡土墙断面优化设计研究

0挡土墙设计研究随着现代技术的发展，中国的土木工程也逐渐进入世界边缘。在国家政策的推动下，我国的工程更是得到了世界的认可。在工程建设中，为了克服高差、避免大填大挖、保障结构物的稳定，在铁路、公路、水利等工程中常常修建挡土结构物。它是一种经过加工或处治的天然或人工结构物，其主要荷载来自挡土结构物的土压力。黄岳文前人学者在挡土墙的研究中主要是以理论基础、结构形式和计算方法等方面进行了研究，在设计中往往采用标准图进行设计。对模板图库的套用，使得挡土墙在设计中往往以验算通过为主，并没有针对相关的挡土墙进行优化、细化，对于工程实际的经济性有待提高。本文主要从挡土墙的优化方面出发，以衡重式挡土墙的设计为实例，以说明挡土墙在设计中断面尺寸优化的必要性。1衡重台的设置挡土墙的种类较多，衡重式挡土墙和重力式挡土墙在工程实际中往往应用较多，衡重式挡土墙与重力式挡土墙的差异在于设置衡重台，将墙身分为了上下两段式结构，其衡重台上的覆土，使得衡重式挡土墙的重心向后移，减少圬工的同时提高了挡土墙的稳定性，有利于提高墙身的高度。但同时也使得衡重式挡土墙相对于重力式挡土墙的结构相对复杂，对施工的难度和技术质量要求更为严格。衡重式挡土墙一般所采用的墙高为4～12m，多用于10m范围内。2支撑墙设计2.1衡重式挡墙施工参数墙身截面尺寸是挡土墙重要的设计指标，其主要包括墙高、上墙高、衡重台宽度、面坡倾斜坡度、上墙背坡倾斜坡度、下墙背坡倾斜坡度、墙底逆坡、墙趾尺寸等参数。其截面尺寸如图1所示。2.2理正软件的应用某工程挡土墙在设计中，选定衡重式挡土墙，墙身选用混凝土材料。挡土墙高度拟采用10m，结构重要性系数为1，墙后荷载根据实际情况选用均布荷载形式，换算土柱为0.5m。墙身选取C20混凝土，其重度为23kN/m在挡土墙设计中选用设计中常用的理正软件进行计算，对挡土墙的二维建模和设计有着快速简洁的特性，在挡土墙的设计和验算中运用广泛，可适应各种不同的工程地质条件。所采用的图纸截面尺寸为工程实际中相似的工程概况，选择之前的挡土墙尺寸作为参考，其具体参数如表1所示。确认挡土墙墙身尺寸后，采用公路行业标准进行计算。加载位置在距离墙顶面4m处，如图1中均布荷载值q通过计算结果，挡土墙在满足抗滑移和抗倾覆性的要求中，能满足规范要求。整体稳定性也能满足要求，但挡土墙断面面积为36.37m2.3挡墙土压力计算挡土墙的土压力计算，通常是上墙和下墙分开考虑，在上墙土压力计算中，通常不考虑下墙的影响。采用力多边形法，是根据极限平衡状态下作用下破裂体上诸力应构成闭合的力矢多边形原理进行计算的下墙土压力。针对以上情况，减小地基不均匀应力和墙体断面尺寸，对挡土墙的断面尺寸进行优化。在保障挡土墙滑移、倾覆、整体稳定性的同时，主要通过改变上下墙背坡度m通过调研相关图纸。依据以往工程设计经验，优化后的挡土墙断面尺寸，见表3。从工程的经济性而言，断面优化主要体现在挡土墙断面面积的大小，如图2所示。断面面积从优化前的36.37m2.4优化前后挡土墙墙外应力的变化现将挡土墙优化前和优化后两种情况的计算结果进行比较，将其滑移、倾覆、整体稳定性进行对比分析。从图3可以得出，在经过优化后，优化的挡土墙在滑移稳定性k挡土墙的倾覆稳定性k优化前衡重式挡土墙和优化后挡土墙的墙趾和墙踵对地基土压应力的变化情况如图4所示。从图4可以得出，挡土墙断面尺寸优化前的墙趾、墙踵压应力的差值较大，墙趾、墙踵压应力比值为2.045。优化后挡土墙的墙趾、墙踵压应力变化减小，墙趾、墙踵压应力比值为1.5，优化后的挡土墙有效地分散了墙底地基的压应力，这也与挡土墙断面尺寸的形式变化有关。相较于优化前，优化后的挡土墙断面，挡土墙的重心向挡土墙墙面坡方向进行了移动，对挡土墙墙底的压应力均匀分布起到一定促进作用，提高了结构的安全性。因此，衡重式挡土墙对断面形式的优化不仅能提高工程实际的经济性，也能提高挡土墙结构安全性，挡土墙的优化是有意义的。2.5设计中的风险因素现阶段，挡土墙在设计中主要是验证其满足性，一般多采用试算的方法。在根据水文地质条件、墙后填土条件等，经过设计人员以往的工程经验进行初步拟定方案，再进行抗滑移、倾覆、整体稳定性验算。如果计算的结果不满足其中的某项要求，则需要重新设计，然后再验算，以此往复，直到满足条件为止，过程繁杂，对于工程经验的依赖性比较强。在工程设计经验不多的设计人员中往往会耗费大量的时间进行试算。为了解决这个重复试算的问题，在现有的研究中，虽然有诸多改良算法，但成效并不明显，有时虽然能得到接近最佳的数据，但工程经验中实际的问题却不可避免，数据只能在一定程度上满足计算的要求，但对于风险因素的考量，还需要经验丰富的工程人员加以明确，为支挡结构的设计增加安全储备。在挡土墙等结构物的设计中，针对不同的地质情况，有不同的方案方法。当然为了更好地适应工程情况，国家建筑标准图集也是很好的设计方案。在诸多设计人员中，在图集的标准设计参数上，往往根据设计所在地区的水文地质情况，在结构物的设计参数上进行了优化的调整，使得设计时只需要通过验证计算，不再需要重新设计，这样能加快工程设计进度，提高设计人员工作效率。这样的设计过程对有工程经验积累丰富的设计人员的确是有利的，但对工程实际经验不足的设计人员而言就成为了机械性的工作，在设计中不能很好地积累经验，不利于职业生涯的成长。在高效率的社会工作环境中，针对不同的工程地质地区，设计人员往往都有自己的套图，在验算满足要求后，就直接出图使用。这样虽然能满足现有实际需求，但不根据工程实际进行优化，往往会对结构物的合理性和经济性造成一定的影响。如本文所提的衡重式挡土墙的优化设计，虽然同样能满足工程实际要求，但墙底处墙趾、墙踵的压应力分布情况也同样重要，不同的压应力分布情况对挡土墙远期所产生的效果不同。因此，在工程设计中，采用套图可行，但宜根据不同的工程条件进行优化，考虑风险因素，尽量减少和避免潜在的安全隐患，兼顾设计的安全性和经济性。3衡重式挡土墙设计的基本过程(1)挡土墙设计影响因素很多，挡土墙的高度决定了挡土墙的选用类型，墙后填土的物理参数、挡土墙断面尺寸等，在挡土墙的设计计算中，得到不同的计算结果。(2)在挡土墙计算结果中，符合挡土墙的安全稳定性要求并不决定着挡土墙的最佳性，如本文所述的墙趾、墙踵的基底压应力的分布情况，应尽可能地在挡土墙设计中基底的压应力均匀分布，减小墙趾、墙踵基底的压应力比值，避免出现地基局部破坏的情况。(3)根据实际经验，通过改变挡土墙墙背坡、墙面坡、墙底斜坡度等相关参数，充分了解衡重式挡土墙的作