西部山区公路衡重式挡土墙设计研究

西部山区公路衡重式挡土墙设计研究

0挡土墙的标准集全面设置,不利于山区公路在西部山区建设的道路的地形条件复杂，地面的水平和倾斜非常陡峭。土墙在路设计中起着不可替代的作用。随着西部山区公路建设的飞速发展,挡土墙应用越来越广泛,其结构形式也日新月异,包括衡重式挡墙、仰斜式挡墙、加筋土挡墙、悬臂式挡墙、扶壁式挡墙、锚杆挡墙、桩基托梁挡墙、桩板式挡墙等。由于西部山区盛产石料,地形地质条件复杂,抗震设防烈度高,从挡土墙设置安全、经济、合理等方面考虑,重力式挡墙占据优势。但至今为止,鲜见适用于山区公路各工况齐全的挡土墙的标准图集,这将不利于山区公路建设和设计工作开展。因此,结合西部山区境内广南高速、西攀高速、映汶高速、国道317俄岗路、巴达高速、国道108雅安段、省道217石渠至玛尼干戈等多条公路挡土墙成功的设计经验,对适用于山区公路各种工况下的衡重式路肩墙、路堤墙进行系统的设计计算,取其最优尺寸,形成了标准图集,并总结了计算规律,可有效应用于后续西部山区公路建设。1重量墙计算的配置1.1衡重式挡墙挡墙设计结合已建成或在建的西部高速公路及国省道干线的挡墙设计经验,按现行公路工程技术规范计算了衡重式挡墙在一般工况、地震工况(7、8、9度抗震)、浸水工况等条件下,地基承载力分别取250~800kPa各种工况组合的挡墙最优尺寸,共计2000余种。1.2充填墙后土体质量变化拟定尺寸挡墙的稳定性采用理正岩土软件验算,计算参数按《公路路基设计规范》(JTGD30-2004)、《公路桥涵地基与基础设计规范》(JTG063-2007)、《公路工程抗震设计规范》(JTGB02-2013)等选取,具体如下:1)荷载按2004路基规范挡土墙车辆荷载,满布行车道宽度范围,软件自动计算土柱换算高度,其效果相当于公路Ⅰ级。2)墙背填料计算内摩擦角φ=35°,粘聚力C=0,墙背圬工与填料间摩擦角取φ/2。3)填料容重21kN/m4)基底合力偏心距:土质地基B/6,岩质地基B/5,坚硬岩质地基B/4,抗震工况与非抗震工况一致。5)地震设计烈度由公路所在地区确定,地震作用平均值提高系数取1.25,地震作用墙趾提高系数取1.25,重要性修正系数取1.3。6)地基土参数:容许承载力、基底摩擦系数、地基土摩擦系数、容重等由实际情况选取。西部地区代表性岩石可按其坚硬程度按表1进行取值,其中常见的坚硬岩包括花岗岩、闪长岩、玄武岩、石英岩、石英砂岩、硅质石灰岩等;较硬岩包括钙质砂岩、石灰岩、板岩、大理岩等;较软岩包括泥灰岩、砂质泥岩等;软岩包括千枚岩、泥岩、页岩等;极软岩则主要指各类半成岩及全~强风化的各种软~较软岩等。其中当挡墙下部为桩基承台复合地基时,取地基承载力特征值为800kPa。7)对于浸水挡墙内外侧水头差按0.5m验算,最不利水位由历史最高水位往下按0.5m级差试算确定。2综合计算的比较分析2.1与标准方法比较西部山区公路挡墙应用十分常见,圬工量较大,与项目投资息息相关。因此,本次衡重式挡墙尺寸优化计算的主要目的在于节省挡墙圬工,有效控制造价。如图1所示,选取本次计算的地基承载力400kPa各种工况下的圬工体积,与建设部标准图集04J008、广巴高速挡墙标准图、西攀高速挡墙标准图进行对比分析。可以发现,6度地震区时,04J008与广巴路各种墙高圬工相差甚小,而西部山区挡墙圬工减少约6.1%;7度地震区时,西部山区挡墙圬工较04J008亦减少6.1%,较西攀路减少约32.7%;8度地震区时,西部山区挡墙尺寸基本与04J008、广巴路7度抗震时尺寸一致。由此可见,在8度及以下地震区时,西部山区挡墙节约圬工量效果明显。2.2衡重式路肩墙如图1所示,当地基承载力为400kPa时,6度区与7度区衡重式路肩墙计算尺寸一致,8度区较7度区截面面积增加5.6%,而9度区较7度区增加48.8%。随着抗震设防等级提高,挡墙截面尺寸显著增加。2.3墙高、截面面积如图1所示,当地基承载力为400kPa时,浸水工况下衡重式路肩墙截面面积较6、7度区挡墙增加44.7%,较8度区增加36.4%;与9度区相比,墙高为8m及以下时,截面面积几乎一致,墙高大于8m时,截面面积略小于9度区。由于浸水工况及9度区挡墙截面面积与其他工况相差较大,因此,9度区或浸水工况下的挡墙尺寸,则应通过实践应用,检验其安全性、可靠性等技术指标。2.4墙不同地基承载力时墙的体积变化如图2~图4所示,选择常用的非浸水7度地震区衡重式路肩墙、路堤墙不同地基承载力时圬工体积对比,可以发现,路肩墙、路堤墙圬工均随地基承载力增大而减少,这种趋势填土越高越明显,图4中填土8m路堤墙500kPa较400kPa圬工减少约27.6%。2.5衡重式与仰斜式挡墙对比当地基承载力为400kPa,不考虑抗震时,取与衡重式挡墙相同的参数进行仰斜式挡墙计算,计算结果与衡重式对比见图5所示,可以发现衡重式路肩墙与仰斜式路肩墙圬工体积几乎一致;填土4m的路堤墙墙高9m及以下时,衡重式与仰斜式圬工体积相差无几,而墙高大于9m时,衡重式较仰斜式增加约17%;填土8m的衡重式路堤墙较仰斜式增加约15.1%。由此可见,相同工况条件下,仰斜式挡墙圬工体积较衡重式节约。3最优挡土墙截面受滑动稳定验算通过近2000种衡重式挡墙不断试算,选取最优尺寸,从中获取一些计算规律,作以下总结,以供后续设计使用者参考。1)一般工况下,当地基容许应力为250~400kPa时,最优挡土墙截面受地基土水平向滑移稳定系数Kc2)抗震工况下,当地基容许应力为250~400kPa时,最优挡土墙截面受地基土水平向滑移稳定系数Kc3)浸水工况下,当地基容许应力为250kPa时,最优挡土墙截面受滑动稳定方程控制;当地基容许应力为300~800kPa时,最优挡土墙截面受倾覆稳定系数K当挡墙截面尺寸未通过验算时,宜按5cm一级一级调整顶宽,直至计算通过。4酶处理设计1)当地基承载力特征值小于基底最大压应力时,可通过在基底设置扩大基础的方式进行处理。2)当地基承载力特征值大于基底最大压应力且小于设计采用地基承载力特征值时,可于下墙墙背设置3~5层土工格栅以保证抗滑移稳定性,或者在墙底设置防滑凸榫处理,或于承台上设置搭板方式处理。3)本设计挡墙只针对天然地面水平的路段,对于稳定斜坡路段,一般情况下本设计挡墙尺寸均偏保守。当采用本标准图尺寸经济性差时,可按本图集参数重新计算。4)对于浸水路堤墙,本设计假定墙前、墙背水位均为2/3的墙高位置。当将挡墙应用于临河路段,且最高洪水位高于墙高的2/3时,对于受控于抗滑稳定性的挡墙,可于下墙墙背设置拉筋或土工格栅进行处理。5)墙踵地基承载力无法满足设计要求时,若无法通过调整顶宽使计算通过,可设置墙踵台阶,台阶高度、宽度宜与墙趾台阶保持一致。6)墙趾设置防冲桩或防冲坎,尽量减小冲刷,同时计算时可计入被动土压力。7)地震力、斜坡推力等水平力较大时,可考虑加设近似水平向锚杆,斜坡台阶式基础上尤其应考虑锚杆挡墙。如图6。5区域公路挡土墙设计的展望重力式挡土墙在盛产石料的山区公路建设中具有不可替代的作用,其社