擋土墻的設計優(yōu)化

第5期(總第123期)中國市政工程No.5 (Serial No.123)2006年10月CHINA MUNICIPAL ENGINEERINGOct. 2006擋土墻的設計優(yōu)化陸健(上海市園林設計院,上海200031)摘要;根據大量擋土墻工程事故和引用已有的主動(dòng)土壓力計算方法,對擋土墻優(yōu)化設計中常見(jiàn)的土壓力計算的影響因素，分別從理論和工程應用現狀方面加以分析。主要影響因素有:不同的土壓力理論;地下水;局部超載作用;墻后填士狀態(tài)。因此,應根據工程特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件,考慮選擇合適的土壓力計算方法。關(guān)鍵詞:擋士墻;工程事故;影響因素;主動(dòng)土壓力中圖分類(lèi)號: TU476.4文獻標識碼: A文 章編號: 1004- -4655(2006)05- -00609- -03擋土墻是為了實(shí)現較大的地勢高差而增加的構筑(4)墻背填土使用雜填土,其密實(shí)度很差。物。據不完全統計,在我國丘陵、山區地帶的建筑場(chǎng)地1.2擋土墻滑移中,有55%需修建擋土墻。對擋土墻的設計主要考慮某河道擋土墻為重力式漿砌石擋土墻，計算結果受彎、受剪抗傾覆及抗滑移等。從大量擋土墻事故調表明當墻后土質(zhì)均勻時(shí)擋土墻的抗滑滿(mǎn)足設計要求。查表明，其中不少失事原因是由于設計人員的疏忽,使但該段擋土墻于2002年10月建成,2003年4月即出土壓力計算結果不能完全反映實(shí)際情況,造成擋土墻現了擋土墻整體滑移，夏季降雨后大面積護坡翹起。設計的失誤,產(chǎn)生安全隱患。因此,擋土墻的設計優(yōu)化2003年7月專(zhuān)家進(jìn)行現場(chǎng)考察,發(fā)現修筑擋土墻時(shí)清應引起充分的重視。淤工作不徹底,未能清理到古河道沖積的淤泥層(淤泥1擋土墻的事故分析層內摩擦角僅為6°),這-軟弱夾層的存在使土的力擋土墻的種類(lèi)較多且形式多樣，其中以重力式擋學(xué)指標下降?；靥詈笊喜啃纬陕访?加上回填土自重,土墻最為常見(jiàn)。它是以剛性墻體本身重量來(lái)維持墻身荷載遠大于未治理時(shí)的荷重。尤其在降雨量較大時(shí)，在土壓力等作用下的平衡穩定，優(yōu)點(diǎn)是可就地取材,由于滲流及孔隙水壓力的影響，擋土墻穩定性不能滿(mǎn)結構簡(jiǎn)單,施工方便，經(jīng)濟效益好,因而在工程中得到足規范要求。廣泛應用。但因設計或施工不當而造成的事故并不少從以.上兩例事故分析可以看出，造成擋土墻事故見(jiàn)。以下結合兩例典型的重力式擋土墻事故,分析擋的原因除盲目追求低造價(jià)、僅憑經(jīng)驗修建外,不少還土墻設計的相關(guān)問(wèn)題。是由設計不當及施工質(zhì)量低劣造成的。因此很有必要1.1擋土墻倒塌從設計優(yōu)化方面著(zhù)手加以防治。某廠(chǎng)10m高石砌重力式擋土墻建成后不久,一2擋土墻設計計算方法場(chǎng)大雨使擋土墻全部倒塌,直接經(jīng)濟損失數萬(wàn)元。事目前，國內外對擋土墻的設計計算主要有兩種方故的原因有:法:方法一,憑經(jīng)驗確定擋土墻的形式、墻身截面尺寸,(1)設計人員套用其他擋土墻施工圖紙,而原設計并計算出其承受的土壓力,然后再驗算擋土墻的強度的地質(zhì)條件、土質(zhì)情況及墻背填土厚度均與實(shí)際建筑和穩定性;方法二，考慮擋土墻施工的造價(jià),以擋土墻場(chǎng)地不符。如原設計擋土墻后邊坡為黏性土,邊坡穩本身的造價(jià)構造目標函數(僅限于鋼筋混凝土擋土定性好,而實(shí)際場(chǎng)地為砂質(zhì)黏土,且墻背填土厚度較墻),對擋土墻進(jìn)行優(yōu)化設計，擋土墻的形式還是憑經(jīng)原設計增大1.0~1.5 m,使被動(dòng)土壓力增大。驗確定。(2)盲目削減擋土墻截面尺寸，使其自重減小，這這兩種方法都存在著(zhù)一些 不足和問(wèn)題:主觀(guān)性(離不利于抗傾覆抗滑移。散性)較大;設計周期長(cháng),效率低;對設計人員的經(jīng)驗要(3)施工砌筑方法不正確,砂漿飽滿(mǎn)度不夠,墻身求較高;沒(méi)有考慮擋土墻形式的選擇與擋土墻工程總結構的整體性較差。體造價(jià)之間的關(guān)系。由于擋土墻中國煤化工將直接影響收稿日期:2006-07-12材料的消耗及杉響擋土墻工YHCNMHG59.中國市政工程陸健:擋土墻的設計優(yōu)化2006年第5期程的總造價(jià),所以尋找最佳設計方案就成了擋土墻設K。的計算問(wèn)題。計中的一個(gè)關(guān)鍵問(wèn)題?，F行的設計方法沒(méi)有考慮擋土1)朗肯土壓力理論中，應用半空間的應力狀態(tài)和墻工程的綜合經(jīng)濟性，故對擋土墻用綜合最優(yōu)的方法極限平衡理論導出土壓力計算公式,但由于忽略了填進(jìn)行最優(yōu)選型設計具有突出的意義。土與墻背之間的摩擦影響，使計算的主動(dòng)土壓力偏3擋土墻的結構選型大,而被動(dòng)土壓力偏小。各類(lèi)擋土墻的技術(shù)經(jīng)濟效益有著(zhù)相當大的差別。2)庫倫土壓力理論的適用條件是墻后填土為無(wú)黏從工程實(shí)際出發(fā),從減壓式擋土墻、重力式擋土墻、懸性土,根據墻后滑動(dòng)土楔的靜力平衡條件導出土壓力臂式擋土墻和扶壁式擋土墻等結構形式中進(jìn)行雙向計算公式，并且假定墻后填土的破裂面為一平面,但.優(yōu)選,即進(jìn)行各類(lèi)擋土墻和本類(lèi)擋土墻的優(yōu)選設計之事實(shí)上只有在填土與墻背之間的外摩擦角δ較小間的優(yōu)選比較，最后確定-種技術(shù)經(jīng)濟狀況最優(yōu)、現時(shí),破裂面才接近平面,因此計算結果與按曲線(xiàn)滑動(dòng)場(chǎng)適應性最好的擋土墻方案。面計算的有出入。通常情況下，這種偏差在計算主動(dòng)進(jìn)行擋土墻優(yōu)化設計與風(fēng)險決策的步驟:第一確.土壓力時(shí)較小，為2%~ 10%,可以認為滿(mǎn)足工程精度要定方案比選的統-標準;第二確定優(yōu)化設計的風(fēng)險決求,而在計算被動(dòng)土壓力時(shí),計算結果誤差較大。策方法;第三選取比較能反映方案特性的隨機變量可3)廣義庫倫土壓力理論的適用性最廣，墻后填土能值;第四搜索各類(lèi)擋土墻的規范狀態(tài)并按數學(xué)期望可為黏性土，黏聚力c>0。在計算黏性土的土壓力時(shí),準則和優(yōu)勢比較準則分別考核各個(gè)待選方案。工程上經(jīng)常采用“等值內摩擦角”法,將黏聚力c折目前國內外對新型支擋結構的研究日趨成熟,錨算成內摩擦角,再用庫倫土壓力理論計算。定板擋土墻、錨桿擋土墻、土釘加筋土擋土墻等新型4.2地下水對土壓力計算的影響擋土墻已在各類(lèi)工程中得到越來(lái)越廣泛的應用。這些擋土墻后填土密實(shí)后(即施工后)地下水的存在對新型擋土墻具有設計合理、結構輕巧施工快、投資省.墻后土體大致有如下影響:等特點(diǎn)?？梢灶A見(jiàn),隨著(zhù)新型支擋結構體系理論研究1)毛細水作用使地下水位以上的一部分土體產(chǎn)生與計算方法的不斷完善,新型擋土墻的應用定會(huì )日趨假黏聚力;廣泛。2)黏性土自身的黏聚力會(huì )有所降低;4擋土墻優(yōu)化設計中 土壓力計算的影響因素3)黏性土在低溫情況下會(huì )凍脹產(chǎn)生-定的壓力;一般擋土墻設計的必要內容是以擋土墻所受的土4)土體容重有顯著(zhù)變化。壓力的計算結果為依據進(jìn)行抗滑移穩定性和抗傾覆在計算地下水的影響時(shí)，其中1)、2)3)項產(chǎn)生的穩定性驗算的。影響比較復雜且相對較小,不易計算。第4)項地下水工程中普遍采用朗肯(Rankine) 和庫倫(Coulomb)引起土體容重的變化對土壓力影響較大,計算時(shí)應主兩種土壓力理論,通過(guò)一定的簡(jiǎn)化和假定,計算擋土要考慮其影響。墻后土體達到極限平衡狀態(tài)時(shí)擋土墻的主動(dòng)土壓力。4.3局部超載作用對土壓力計算的影響擋土墻的設計以合理的主動(dòng)土壓力計算公式為前局部超載是指距擋土結構-定距離作用在填土面提,朗肯、庫侖土壓力計算理論以及由其推導的土壓有限寬度上的荷載,如在擋士結構背后的填土面上有力計算公式多數把墻后土體假定為理想的狀況，即便平行于擋土結構的公路、土堤、施工堆料、機械設備有地下水或填土為成層土,也是指同一水平厚度土體等。當擋土結構后填土面上有連續均布荷載q作用物理力學(xué)性質(zhì)均勻。在擋土墻設計中,盡管這些計算時(shí),通常土壓力的計算方法是用假想的土重代替均布方法數學(xué)推理上是完善合理的，但實(shí)際工程應用中有荷載,這種方法可稱(chēng)為當量土重法。當填土面上有局-定的局限性。部超載作用時(shí),主動(dòng)土壓力計算仍采用此種方法。但土壓力是作用于支護工程的主要荷載，因此土壓是此時(shí),此方法在理論上難以成立,不符合應力分布力的計算是否準確，是擋土墻設計成敗的重要因素。規律。填土面上作用的超載應為附加荷載，在局部范所以通過(guò)分析影響土壓力大小的各種因素來(lái)探討土圍分布時(shí),在土中產(chǎn)生的是附加應力,按附加應力分壓力計算問(wèn)題,對工程設計而言有著(zhù)重要意義。布規律,在土中傳遞過(guò)程中產(chǎn)生擴散。傳遞越深,則荷4.1應用不同土壓力理論對土壓力計算的影響載分布越廣,其值越小。計算點(diǎn)離荷載中心線(xiàn)越遠,其朗肯土壓力理論、庫倫土壓力理論及廣義土壓力值也越小。局中國煤化工,即土中水平理論的表達形式是相同的，不同的是主動(dòng)土壓力系數方向的附加應MHCN M H G,對局部荷載7(.中國市政工程陸健:擋土墻的設計優(yōu)化2006年第5期作用應求出附加荷載在擋土結構背后的填土中產(chǎn)生表明,這些擋土墻按經(jīng)典土壓力計算公式計算表明是的側向應力，即為局部荷載引起的土壓力。穩定的,由于疏忽了擋土墻后土體存在抗剪強度較低4.4墻后填土的狀態(tài)對土壓力計算的影響的軟土或軟弱夾層,以及回填土和老土有明顯接觸面按《建筑地基基礎設計規范》給出的土壓力計算公等各種情況，因而造成擋土墻設計的失誤,導致不必要式來(lái)計算,其結果只是土體在某一種狀態(tài)下的計算結的巨大經(jīng)濟損失。果,不一定就是在最不利狀態(tài)下的結果。墻后填土物從分析中可知,影響土壓力的因素是多方面的。根理狀態(tài)的改變,其主要原因:雨水(或融雪)的下滲;地據工程特點(diǎn)和工程地質(zhì)條件的不同,考慮選擇合適的下水水位的波動(dòng);長(cháng)期荷載的作用;靈敏度的影響;排土壓力計算方法,是非常必要的。水設施的工作狀態(tài)。參考文獻在土壓力的計算中，既要考慮某-狀態(tài)下填土的! 巢文華.對重力式擋土墻工程設計中的-些問(wèn)題的探討[J]江蘇建筑,2002 ,(2).力學(xué)物理性質(zhì)，也要考慮到填土的物理狀態(tài)是動(dòng)態(tài)時(shí)偉,劉繼明,王磊,基坑支護體系主動(dòng)區土壓力試驗研究[J].巖石力的,影響它的因素又是多方面的。因此,選擇填土的何學(xué)與工程學(xué)報,2002,21(2).種物理狀態(tài)作為土壓力計算的依據，應結合實(shí)際工程3時(shí)偉,韓曉雷.基坑支護體系主動(dòng)區土壓力計算方法研究[J].青島建的具體情況進(jìn)行綜合分析來(lái)確定。大量失事工程調查筑工程學(xué)院學(xué)報,2003 ,24(2).4劉建航,侯學(xué)淵.基坑工程手冊[M ].北京:中國建筑工業(yè)出版社, 1997.(上接第64頁(yè))均衡勻速地推進(jìn)施工。結合以往穿越管線(xiàn)行之有效的3)JGJ/T90- 1992 《工程技術(shù)規范》。經(jīng)驗，在盾構穿越的過(guò)程中,推進(jìn)速度不宜過(guò)快(最快4)GB 50308- 1999 《地下鐵道、輕軌交通工程測不大于2cm/min為宜)。盾構姿態(tài)變化不可過(guò)大過(guò)量規范》。頻,控制單次糾偏量不大于10mm(高程平面),控制5)《變形監測技術(shù)規程》。盾構每次變坡不大于0.1%,以減少盾構施工對地層的3.3 監測精度 .擾動(dòng)影響。1)高程控制測量按照國家二等水準測量精度進(jìn)行。4.3嚴格控制同步注漿量和漿液質(zhì)量2)水準測量每站觀(guān)測高程中誤差Mo為0.5mm。同步注漿漿液選用可硬性漿液(嚴格控制漿液配3)水準符合路線(xiàn)其閉合差F為+4.0VN mm(N 為比)。通過(guò)同步注漿及時(shí)充填建筑空隙,減少施工過(guò)程路線(xiàn)長(cháng))。中周邊的土體變形。同步注漿量-般控制在建筑空隙4)最弱點(diǎn)觀(guān)測高程中誤差M弱為1.4 mm。的200%~250%,實(shí)際施工中漿液的用量結合前一階3.4監測頻率段施工的用量以及監測報表進(jìn)行合理選擇。在盾構位于該區域的推進(jìn)施工中，增加監測的頻4.4二次注漿率。在一般的推進(jìn)過(guò)程中,監測頻率為每天2次。在穿在盾構推進(jìn)時(shí)，填補建筑空隙的同步注漿漿液，有越污水管的施工過(guò)程中,將監測頻率提高至每天3~5可能順土層裂隙滲透而依舊存在-定間隙,且漿液收次,若監測數據發(fā)現異常時(shí)還需增加監測頻率。必要縮也會(huì )形成地面變形及土體側向位移的隱患。因此視時(shí)進(jìn)行跟蹤監測,直至完成盾構穿越,待變形穩定后實(shí)際情況需要,在管片脫出盾尾5環(huán)后,可采取對管恢復正常頻率。施工前所得的初始數據必須是3次觀(guān)片的建筑空隙進(jìn)行二次注漿的方法來(lái)填充。漿液為水測平均值,以保證原始數據的準確性。當監測值接近泥單液漿。漿液通過(guò)管片的注漿孔注入隧道外土層,報警值時(shí)提請有關(guān)方面注意;當監測值達到報警值時(shí)并在施工時(shí)采取推進(jìn)和注漿聯(lián)動(dòng)的方式,注漿未達到及時(shí)報警。要求,盾構暫停推進(jìn)，以防止土體發(fā)生過(guò)大變形。壁后4盾構穿越時(shí) 采取的技術(shù)措施二次注漿根據地面監測情況隨時(shí)調整,從而使地層變4.1嚴格控制盾構正面平衡壓力形量減至最小。在盾構穿越污水管過(guò)程中必須嚴格控制切口平衡5結語(yǔ)壓力,同時(shí)也必須嚴格控制與切口壓力有關(guān)的施工參在整個(gè)施工過(guò)程中，將施工技術(shù)要點(diǎn)和施工參數數,如推進(jìn)速度、總推力、出土量等。盡量減少平衡壓控制形成有效的、可靠的預控系統,用于指導盾構推力值的波動(dòng),使對土體擾動(dòng)減少到最小。進(jìn)施工。通過(guò)精心策劃、認真施工,管線(xiàn)的沉降小于預4.2嚴格控制盾構糾偏量計和要求的沉中國煤化工看構穿越合流在確保盾構正面變形控制良好的情況下，使盾構污水管的工程。YHCNMHG71.