浅谈重力式挡土墙在地质灾害防治中的应用

浅谈重力式挡土墙在地质灾害防治中的应用

0查表法或直接采用定型有很多形式的挡土墙。重力墙具有结构简单、制作方便、施工方便、成本低等优点而被广泛应用。目前,重力式挡土墙的设计多采用查表法或直接套用定型的设计图集;或凭经验初步拟定截面尺寸,再验算其稳定性,同时根据结果不断调整截面尺寸,直到满足要求。这些方法对设计人员的经验要求较高,极大地影响了挡土墙设计工作的效率。如何快速、准确地确定影响挡土墙稳定性的主要因素,提高设计的工作效率已经成为一项具有现实意义且最为迫切的工作。1重力式挡土墙设计计算重力式挡土墙靠自身重力平衡土体。依据墙背型式不同,其种类有普通重力式挡墙、不带衡重台的折线墙背式重力挡墙和衡重式挡墙［1］。衡重式挡墙属重力式挡墙,衡重台上填土使得墙身重心后移,增加了墙身的稳定性;墙胸很陡,下墙背仰斜,可以减小墙的高度和土方开挖;但基底面积较小,对地基要求较高［2］。重力式挡土墙的设计计算包括抗倾覆验算、抗滑移验算和地基承载力验算,此外还应进行地基整体稳定性验算和强度计算。其中最主要的是抗倾覆和抗滑移验算［3］。影响重力式挡土墙稳定性的因素很多,主要有重力式挡土墙的形状、墙体材料、地基土类别、承载力、墙后填土类别及地下水位高度等［4，5］。本文主要研究挡土墙形状、地基土性状对挡土墙稳定性的影响。主要包括背坡倾斜度、面坡倾斜度、墙底摩擦系数、墙底倾斜坡率、土体粘聚力c和内摩擦角φ六个因素,详见图1。2抗滑移稳定性参数的选取重力式挡土墙设计优化过程是在影响挡土墙稳定性的众多因素(背坡倾斜度、面坡倾斜度、墙底摩擦系数、墙底倾斜坡率、土体粘聚力c和内摩擦角φ)中,选取一个变量并使其他参数不变,通过理正岩土软件修改选取的变量的大小,得到相应的抗滑移稳定系数kc值和抗倾覆稳定系数ko值。记录相应的数值,做出各影响因素与安全系数关系图,得出影响变化率,分析各影响因数对安全系数的影响程度,从而确定主要的影响因素。2.1滑移稳定验算从表1可以看出,对于仰斜式重力式挡墙,挡土墙背坡倾斜坡度设计值越小,挡土墙的稳定性越高。对于俯斜式重力式挡墙则正好相反,墙背倾角α越大,挡土墙的稳定性越高。从图2可以看出,背坡倾斜坡度对抗滑移稳定系数的影响敏感性系数为0.05,对抗倾覆稳定系数的影响敏感性系数为0.26,说明背坡倾斜度变化对挡土墙的抗滑移稳定系数影响较小,对抗倾覆稳定系数的影响较大,这和规范规定的挡墙抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数计算方法有关。抗滑移稳定系数的计算是力的平衡,在滑动面上,抗滑移稳定系数等于抗滑力除以下滑力,抗滑移稳定系数只跟平面力有关;抗倾覆稳定系数的计算是力矩的平衡,对于特定的平衡点,抗倾覆稳定系数等于抗倾覆力矩除以倾覆力矩,抗倾覆稳定系数不只跟平面力有关,还跟力作用的位置有关。2.2面坡面坡率为200时从表2可以看出,在其他影响因素不变的情况下,挡土墙面坡倾斜坡度设计值越小,即墙面倾角β越小,挡土墙的稳定性越高。从图3中可以看出,当墙面垂直即β=90°,即面坡坡率为0时,抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数基本一样,都为0.62左右。当面坡倾斜坡度变小时,抗滑移稳定系数变化率为0.06,抗倾覆稳定系数变化幅度为0.37,可见抗滑移稳定系数变化幅度比抗倾覆稳定系数变化幅度小得多,说明抗滑移稳定系数对面坡倾斜坡度的变化敏感度小,而抗倾覆稳定系数对面坡倾斜坡度的变化敏感度大。而且两个系数的变化基本上均成线性增长。2.3墙底摩擦系数对抗滑移稳定验算墙底摩擦系数与地基基础类别、墙底土体类型和墙体材料有关。从表3可以看出,当墙底摩擦系数增大时,抗滑移稳定系数随之增大,抗倾覆稳定系数不变,这是由于墙底摩擦系数增大能够增大抗滑力,所以抗滑移稳定系数增大,而墙底摩擦系数增大对抗滑力矩没有影响,所以抗倾覆稳定系数不变。从图4得出,当摩擦系数等于0时,挡土墙抗滑移稳定系数只有0.5,这说明挡土墙靠墙底的土体粘聚力不可能达到抗滑稳定,必须使土体和墙底有一个较大的摩擦力,才能保证墙体的抗滑稳定。墙底摩擦力对挡土墙抗倾覆稳定系数没有影响,说明抗倾覆稳定系数与墙底土体类型、墙体材料粗糙程度无关,抗倾覆稳定系数为2.04,表明在现有条件下满足抗倾覆要求。2.4抗倾覆稳定性验算从表4可以看出,随着墙底倾斜坡度增大,抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数随之增大,这是由于随着墙底倾斜坡度的增大,墙体重力在滑移面上的压力分力和抗倾覆力臂随之增大,抗滑力和抗倾覆力矩增大,故抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数就增大。从图5可以看出,在现有条件不变的情况下,当墙底水平时,抗倾覆稳定系数为1.952,能满足规范要求的安全系数范围,抗滑移稳定系数为0.752,不能满足规范要求。抗倾覆稳定系数和抗滑移稳定移系数变化率分别为0.03和0.04,说明墙底倾斜坡度对两个系数的影响敏感程度是近似的,都比较小,说明墙底坡度对挡土墙稳定性的影响较小。2.5抗倾覆稳定验算从表5可以看出,当粘聚力增大时,稳定性随之增大,尤其是抗倾覆稳定系数快速增大,这是由于土体的粘聚力在滑移面上提供了一个抗滑力,当抗滑力增大时,挡墙的抗滑移稳定系数增大。在均质土体中一般形成的是圆弧滑动面,圆弧滑动面上的抗滑力增大,圆弧半径也增大,抗倾覆力矩就急剧增大,导致了抗倾覆稳定系数的快速增大。从图6可以看出,当土体的粘聚力为0时,即地基基础为纯净的砂时,挡墙的抗倾覆和抗滑移均不能满足规范要求。抗倾覆稳定系数对粘聚力的变化率为1.56,抗滑移稳定系数对粘聚力的变化率为0.19,说明抗倾覆稳定系数对粘聚力变化的敏感度大于抗滑移稳定系数对粘聚力变化的敏感度,这主要是由于粘聚力的增大,导致土体破坏面上抗滑力的增大,同时也导致土体圆弧破坏面半径的增大,而抗倾覆力矩等于抗倾覆力乘以圆弧破坏面半径,所以抗倾覆稳定系数的增大幅度大于抗滑移稳定系数的增大幅度。2.6抗滑移稳定系数从表6可以看出,土体内摩擦角增大,抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数均随之增大,这是由于在土体内形成的抗滑力是随着土体内摩擦角增大而增大的,这也就导致了抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数的增大。从图7可以看出,当土体的内摩擦角为0°时,即土体为饱和的淤泥,挡墙的抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数分别为0.24和0.53,都不满足规范要求,所以在饱和的淤泥土上修建挡墙,其基础必须经过处理。抗倾覆稳定系数和抗滑移稳定系数对内摩擦角的变化率分别为0.17和0.07,抗倾覆稳定系数变化率大于抗滑移稳定系数变化率,即前者对内摩擦角变化的敏感性大于后者。3抗滑移稳定系数影响因素的犯罪性分析结果挡土墙稳定性计算中,有的因素变化对挡土墙的稳定性影响大,即为敏感性因素,有的因素变化影响不大,即为非敏感性因素。必须对各因素的敏感性进行分析、预测,确定影响挡土墙稳定性的主要因素,为挡土墙设计优化提供依据,从而能够快速、正确地进行挡土墙设计。通过上述的计算分析和研究,可以得出挡土墙抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定系数对各因素的变化率,如表7所示。将表格中的变化率表现在折线图上,再进行从大到小的排序,可以得出如下的结果,见图8。从表7和图8可以看出,抗滑移稳定系数中各影响因素的影响敏感性都较为接近,数值介于0.05~0.19之间,敏感性排序依次为土体粘聚力、墙底摩擦系数、土体内摩擦角、面坡坡率、背坡坡率、墙底斜率。其中土体粘聚力和墙底摩擦系数的变化率较大,敏感性较大,其余四个影响因素的变化率较小,敏感性较小。因此,影响挡土墙稳定性的敏感性因素为土体粘聚力和墙底的摩擦系数,这样的结果和工程实践经验是相一致的。抗倾覆稳定系数中各影响因素的敏感性变化较大,其中土体粘聚力的变化率最大,为1.56;其次为面坡斜率和背坡斜率,这两个敏感性较为接近;再次为土体内摩擦角;最后为墙底斜率和墙底摩擦系数,它们基本上对挡墙抗倾覆稳定系数没有影响。这是由计算公式和计算的建设条件所决定的,这样的计算结果比实际的工程情况要保守,使计算的结果更为安全。综上所述,影响挡土墙稳定性的敏感因素为土体的粘聚力,其次为墙体的形状。其中,墙底的摩擦系数对挡土墙的抗倾覆稳定系数是没有影响的。4滑移稳定验算本文通过研究影响重力式挡土墙稳定性的六个影响因素,分别计算了不同条件下挡土墙的安全系数及其对各影响因素敏感性的变化率,得出了以下几点结论。(1)挡土墙抗滑移稳定系数与六个影响因素均有关系,并且六个因素对抗滑移稳定系数的影响作用相近,在挡土墙设计优化时,可以根据挡土墙不同的作用和现场条件,合理地调整六个因素。(2)挡土墙的抗倾覆稳定系