某重力式挡墙工程系统验算分析

某重力式挡墙工程系统验算分析

辜晨飞1，郁非凡2，李舒啸1，魏军扬1

（1.中船第九设计研究院工程有限公司，上海 200000；）

摘  要：挡墙工程在工程支挡防护工程体系中占有重要作用。本文对某挡墙工程的稳定性做了系统验算分析。同时提出应加强临河挡墙的防冲刷性能，尤其墙前地面回填部分。要加强硬化处理或布设植被，防止墙前水流冲刷脱空挡墙基底，进而导致挡墙滑移，倾覆甚至垮塌。以期能为相关工程计算进行指导和借鉴。

关键词：挡墙工程；抗滑；抗倾覆；整体稳定

中图分类号：TU46         文献标识码：A         文章编号：****

1 工程概述

挡墙工程所在项目位于江苏省扬州市三湾地区。挡墙形式采用衡重式挡墙，挡墙类型采用常规的浆砌块石挡墙，本文将根据地勘资料及规范要求，根据参考文献[1]-[7]，对该挡墙断面进行稳定性分析验算，以期能为相关工程计算进行指导和借鉴。

2 土层物理力学性质及计算参数说明

2.1衡重式挡土层物理力学性质

根据岩土工程勘察报告。计算需要的部分物理力学性质指标主要有①黄～灰黄色粉质黏土，重度18.7 kN/m3，剪切强度（固快）指标Ck取10.6Kpa，φk取20.3°；③1灰色淤泥质粉质黏土，重度19.5kN/m3，剪切强度（固快）指标Ck取5.4Kpa，φk取25.3°；④灰色淤泥质黏土黄，重度19.7 kN/m3，剪切强度（固快）指标Ck取6.8Kpa，φk取26.1°。

2.2计算参数说明

本文取最不利断面挡墙最高处墙高5.63m进行计算分析。墙身尺寸: 墙身总高5.630(m)，上墙高2.2(m)，墙顶宽0.75(m)，台宽0.6(m)；面坡倾斜坡度1:0.1，上墙背坡倾斜坡度为 1:0.25，下墙背坡倾斜坡度1:-0.25，采用1个扩展墙址台阶其中墙趾台阶b1: 0.25(m)，墙趾台阶h1为0.5(m)，墙趾台阶与墙面坡坡度相同，墙底倾斜坡率0.1:1，下墙土压力计算方法采用力多边形法。

主要计算参数：圬工砌体容重23(kN/m3)，圬工之间摩擦系数0.4，地基土摩擦系数0.4，墙身砌体容许压应力2100(kPa)，墙身砌体容许剪应力110(kPa)，墙身砌体容许拉应力150(kPa)，墙身砌体容许弯曲拉应力280(kPa)，墙后填土内摩擦角35(度)，墙后填土粘聚力保守取0(kPa)，墙后填土容重19(kN/m3)，墙背与墙后填土摩擦角15 (度)，地基土容重18 (kN/m3)，修正后地基承载力特征值取170(kPa)。墙底摩擦系数取0.4，地基土内摩擦角取30(度)，地基土粘聚力为10(kPa)。墙后填土浮容重9(kN/m3)，地基浮力系数0.7。地震工

况挡墙计算时设计烈度取7度；墙趾值提高系数取1.5，墙踵值提高系数取1.625，平均值提高系数取1.250。面侧地震动水压力系数1，背侧地震动水压力系数1.000，水平地震作用沿竖向分布形式为梯形，抗震基底容许偏心距取B/5，地震力调整系数为1。

挡墙土压力计算采用库仑土压力计算，由于挡墙临近河道水域，依据《水工挡土墙设计规范》（SL 379-2007）挡墙级别为二级，环境类别为I类，依据《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）堤防工程级别为二级。挡墙和挡墙边坡验算共分为施工工况，使用工况和地震工况，各工况组合见下表。三种工况需同时满足，计算结果摘录最不利组合。取最不利断面，即挡墙最高处墙高5.63m计算；坡顶超载取3.5kN/m计算。使用工况墙前水位-1.0m，墙后水位+1.5m，墙顶坡面荷载3.5kN/m2；施工工况墙前水位-1.0m，墙后水位-1.0m，墙顶坡面荷载3.5kN/m2；使用工况墙前水位-1.0m，墙后水位+1.5m，墙顶坡面荷载0kN/m2。

3. 挡墙验算

3.1衡重式挡土墙倾斜基底的滑动稳定验算

（3—1）

（3—2）

（3—3）

    式中：

Kc—沿基底的滑动稳定系数；

N—挡土墙上全部竖向力之和（kN）；

T—挡土墙上全部水平力之和（kN）；

f—挡土墙墙底与地基的摩擦系数；

W—挡土下墙的自重重力（kN）；

Wl—挡土墙上墙填土的自重重力（kN）；

Ex—挡土墙上墙承受的土压力水平分力（kN）；

Ex1—挡土墙下墙承受的土压力水平分力（kN）；

Ey—挡土墙上墙承受的土压力竖向分力（kN）；

Ey1—挡土墙下墙承受的土压力竖向分力（kN）；

η —挡土墙斜墙底与水平面的夹角（度）。

3.2 抗倾覆稳定验算：

（3—4）

   式中：K0— 挡土墙绕墙趾或基础趾点的抗倾覆稳定系数；W—挡土墙的自重重力（kN）；Ey— 挡土墙承受的土压力在竖直方向的分力（kN）；Ex— 挡土墙承受的土压力在水平方向的分力（kN）；Zx— 挡土墙承受的土压力在竖直方向的分力到倾覆计算点的水平距离（m）；Zy— 挡土墙承受的土压力在水平方向的分力到倾覆计算点的竖向距离（m）；Zw— 挡土墙的自重重力的重心到倾覆计算点的水平距离（m）。

3.3地基承载力验算

（3—5）

式中：承载力系数，按内摩擦角查表确定；地基土的粘聚力设计值；b-基础宽度（m）；d-基础埋置深度；-基础底面以下土的重度（kN/m3）；-基础底面以上土的加权平均重度（kN/m3）；-基础形状系数。

3.4挡墙整体稳定验算

参考文献[7]“2.1计算公式”部分。

4计算结果分析

为便于分析挡墙抗滑，抗倾，挡墙边坡整体稳定结果，分别定义对应富余度概念。

定义：挡墙抗滑安全富余度=（抗滑安全系数计算值-抗滑安全系数允许值）×100%/抗滑安全系数允许值；

定义：挡墙抗倾安全富余度=（抗倾安全系数计算值-抗倾安全系数允许值）×100%/抗倾安全系数允许值；

定义：挡墙边坡整体稳定安全富余度=（挡墙边坡整体稳定安全系数计算值-挡墙边坡整体稳定安全系数允许值）×100%/抗倾安全系数允许值；

挡墙工程各个工况计算结果：施工工况地基承载力计算值141..3 kPa,允许值170 kPa, 抗滑安全系数计算值1.693，允许值1.15，抗倾安全系数3.014，允许值1.5；使用工况地基承载力计算值134.098kPa,允许值170 kPa, 抗滑安全系数计算值1.349，允许值1.30，抗倾安全系数2.518，允许值1.4；地震工况地基承载力计算值133.185kPa,允许值255kPa, 抗滑安全系数计算值1.196，允许值1.05，抗倾安全系数2.280，允许值1.4。

由计算结果可知，挡墙地基承载力满足要求。

由《水工挡土墙设计规范》（GB50286-2013）表3.2.7可知对于二级挡墙，抗滑安全系数允许值施工工况为1.15，使用工况为1.30，地震工况为1.05；实际工程计算值施工工况为1.693，使用工况为1.349，地震工况为1.196；对应挡墙抗滑安全富余度施工工况为47.22%，使用工况为3.77%，地震工况为13.81%，计算结果均满足设计要求。挡墙抗滑安全系数施工工况最大，地震工况最小，使用工况居中；对应的挡墙抗滑安全富余度施工工况最大，使用工况最小，地震工况居中。综合分析，对抗滑安全富余度而言，各工况尤其挡墙使用期间应注意现场使用情况变化，避免较重车辆通行，汇水渗水问题做好疏排，同时加强相应监测。

由《水工挡土墙设计规范》（GB50286-2013）表3.2.12可知对于二级挡墙，抗倾安全系数允许值施工工况为1.5，使用工况为1.4，地震工况为1.4；实际工程计算值施工工况为3.014，使用工况为2.518，地震工况为2.280；对应挡墙抗倾安全富余度施工工况为100.93%，使用工况为79.86%，地震工况为62.86%，计算结果均满足设计要求。挡墙抗倾安全系数施工工况最大，使用工况最小，地震工况居中；对应的挡墙倾滑安全富余度施工工况最大，地震工况最小，使用工况居中。综合分析，本工程抗倾安全富余度普遍比抗滑安全富余度要高，各工况注意事项同抗滑要求。

挡墙边坡工程各个工况计算结果：施工工况安全系数K规范允许最小值1.15，计算值1.234，滑动力206.853kN，抗滑力255.178kN；使用工况安全系数K规范允许最小值1.25，计算值1.262，滑动力193.247kN，抗滑力243.819kN；施工工况安全系数K规范允许最小值1.15，计算值1.234，滑动力206.853kN，抗滑力255.178kN。

由《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）表3.2.3可知对于二级提防工程挡墙边坡整体稳定安全系数允许值施工工况为1.15，使用工况为1.25，地震工况为1.05；实际工程计算值施工工况为1.234，使用工况为1.262，地震工况为1.268；对应挡墙边坡整体稳定安全富余度施工工况为7.30%，使用工况为0.96%，地震工况为20.76%，计算结果均满足设计要求。挡墙边坡整体稳定系数地震工况最大，施工工况最小，使用工况居中；对应的挡墙边坡整体稳定安全富余度地震工况最大，使用工况最小，施工工况居中。综合分析，挡墙施工期间应注意墙厚回填土体的施工质量，尤其控制好压实度，孔隙率，回填碾压的施工速率和遍数，对施工期的汇水渗水问题做好疏排，同时加强相应监测。

由计算结果可以得出，计算结果均满足设计要求。

5结论

1.无论是施工工况，使用工况和地震工况每中工况当中的地基承载力验算，抗滑安全系数验算，抗倾覆安全系数验算以及挡墙的整体稳定验算均满足规范要求。

2.挡墙抗滑移安全系及抗倾覆安全系数数施工工况大于使用工况，使用工况大于地震工况，抗倾安全富余度普遍大于抗滑安全富余度。

3.挡墙边坡整体稳定系数地震工况大于使用工况，使用工况大于施工工况。

4.在保证挡墙及挡墙边坡整体均满足规范的前提条件下，同时应加强临河挡墙的防冲刷性能，尤其墙前地面回填部分。要加强硬化处理或布设植被，防止墙前水流冲刷脱空挡墙基底，进而导致挡墙滑移，倾覆甚至垮塌。

参考文献:

[1]  钱家欢、殷宗泽主编，《土工原理与计算》，中国水利水电出版社，1996年5月第二版，2000年10月第四次印刷；

[2] 《堤防工程设计规范》（GB50286-2013）；

[3] 《水运工程抗震设计规范》（JTS146—2012）；

[4]《水电水利工程边坡设计规范》（DL/T5353-2006）；

[5]《水工挡土墙设计规范》（SL 386-2007）；

[6]《水利水电工程边坡设计规范》（SL 379-2007）；

[7]魏军扬.某护岸工程整体稳定性验算分析[J].公路与汽运，2022（1）：74-76。

作者简介：辜晨飞(1992.05–)，男，江西南昌人，主要从事道路工程设计研究。