西部山區(qū)公路衡重式擋土墻設計研究

0擋土墻的標準集全面設置,不利于山區(qū)公路在西部山區(qū)建設的道路的地形條件復雜，地面的水平和傾斜非常陡峭。土墻在路設計中起著不可替代的作用。隨著西部山區(qū)公路建設的飛速發(fā)展,擋土墻應用越來越廣泛,其結(jié)構(gòu)形式也日新月異,包括衡重式擋墻、仰斜式擋墻、加筋土擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、錨桿擋墻、樁基托梁擋墻、樁板式擋墻等。由于西部山區(qū)盛產(chǎn)石料,地形地質(zhì)條件復雜,抗震設防烈度高,從擋土墻設置安全、經(jīng)濟、合理等方面考慮,重力式擋墻占據(jù)優(yōu)勢。但至今為止,鮮見適用于山區(qū)公路各工況齊全的擋土墻的標準圖集,這將不利于山區(qū)公路建設和設計工作開展。因此,結(jié)合西部山區(qū)境內(nèi)廣南高速、西攀高速、映汶高速、國道317俄崗路、巴達高速、國道108雅安段、省道217石渠至瑪尼干戈等多條公路擋土墻成功的設計經(jīng)驗,對適用于山區(qū)公路各種工況下的衡重式路肩墻、路堤墻進行系統(tǒng)的設計計算,取其最優(yōu)尺寸,形成了標準圖集,并總結(jié)了計算規(guī)律,可有效應用于后續(xù)西部山區(qū)公路建設。1重量墻計算的配置1.1衡重式擋墻擋墻設計結(jié)合已建成或在建的西部高速公路及國省道干線的擋墻設計經(jīng)驗,按現(xiàn)行公路工程技術(shù)規(guī)范計算了衡重式擋墻在一般工況、地震工況(7、8、9度抗震)、浸水工況等條件下,地基承載力分別取250~800kPa各種工況組合的擋墻最優(yōu)尺寸,共計2000余種。1.2充填墻后土體質(zhì)量變化擬定尺寸擋墻的穩(wěn)定性采用理正巖土軟件驗算,計算參數(shù)按《公路路基設計規(guī)范》(JTGD30-2004)、《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》(JTG063-2007)、《公路工程抗震設計規(guī)范》(JTGB02-2013)等選取,具體如下:1)荷載按2004路基規(guī)范擋土墻車輛荷載,滿布行車道寬度范圍,軟件自動計算土柱換算高度,其效果相當于公路Ⅰ級。2)墻背填料計算內(nèi)摩擦角φ=35°,粘聚力C=0,墻背圬工與填料間摩擦角取φ/2。3)填料容重21kN/m4)基底合力偏心距:土質(zhì)地基B/6,巖質(zhì)地基B/5,堅硬巖質(zhì)地基B/4,抗震工況與非抗震工況一致。5)地震設計烈度由公路所在地區(qū)確定,地震作用平均值提高系數(shù)取1.25,地震作用墻趾提高系數(shù)取1.25,重要性修正系數(shù)取1.3。6)地基土參數(shù):容許承載力、基底摩擦系數(shù)、地基土摩擦系數(shù)、容重等由實際情況選取。西部地區(qū)代表性巖石可按其堅硬程度按表1進行取值,其中常見的堅硬巖包括花崗巖、閃長巖、玄武巖、石英巖、石英砂巖、硅質(zhì)石灰?guī)r等;較硬巖包括鈣質(zhì)砂巖、石灰?guī)r、板巖、大理巖等;較軟巖包括泥灰?guī)r、砂質(zhì)泥巖等;軟巖包括千枚巖、泥巖、頁巖等;極軟巖則主要指各類半成巖及全~強風化的各種軟~較軟巖等。其中當擋墻下部為樁基承臺復合地基時,取地基承載力特征值為800kPa。7)對于浸水擋墻內(nèi)外側(cè)水頭差按0.5m驗算,最不利水位由歷史最高水位往下按0.5m級差試算確定。2綜合計算的比較分析2.1與標準方法比較西部山區(qū)公路擋墻應用十分常見,圬工量較大,與項目投資息息相關(guān)。因此,本次衡重式擋墻尺寸優(yōu)化計算的主要目的在于節(jié)省擋墻圬工,有效控制造價。如圖1所示,選取本次計算的地基承載力400kPa各種工況下的圬工體積,與建設部標準圖集04J008、廣巴高速擋墻標準圖、西攀高速擋墻標準圖進行對比分析?？梢园l(fā)現(xiàn),6度地震區(qū)時,04J008與廣巴路各種墻高圬工相差甚小,而西部山區(qū)擋墻圬工減少約6.1%;7度地震區(qū)時,西部山區(qū)擋墻圬工較04J008亦減少6.1%,較西攀路減少約32.7%;8度地震區(qū)時,西部山區(qū)擋墻尺寸基本與04J008、廣巴路7度抗震時尺寸一致。由此可見,在8度及以下地震區(qū)時,西部山區(qū)擋墻節(jié)約圬工量效果明顯。2.2衡重式路肩墻如圖1所示,當?shù)鼗休d力為400kPa時,6度區(qū)與7度區(qū)衡重式路肩墻計算尺寸一致,8度區(qū)較7度區(qū)截面面積增加5.6%,而9度區(qū)較7度區(qū)增加48.8%。隨著抗震設防等級提高,擋墻截面尺寸顯著增加。2.3墻高、截面面積如圖1所示,當?shù)鼗休d力為400kPa時,浸水工況下衡重式路肩墻截面面積較6、7度區(qū)擋墻增加44.7%,較8度區(qū)增加36.4%;與9度區(qū)相比,墻高為8m及以下時,截面面積幾乎一致,墻高大于8m時,截面面積略小于9度區(qū)。由于浸水工況及9度區(qū)擋墻截面面積與其他工況相差較大,因此,9度區(qū)或浸水工況下的擋墻尺寸,則應通過實踐應用,檢驗其安全性、可靠性等技術(shù)指標。2.4墻不同地基承載力時墻的體積變化如圖2~圖4所示,選擇常用的非浸水7度地震區(qū)衡重式路肩墻、路堤墻不同地基承載力時圬工體積對比,可以發(fā)現(xiàn),路肩墻、路堤墻圬工均隨地基承載力增大而減少,這種趨勢填土越高越明顯,圖4中填土8m路堤墻500kPa較400kPa圬工減少約27.6%。2.5衡重式與仰斜式擋墻對比當?shù)鼗休d力為400kPa,不考慮抗震時,取與衡重式擋墻相同的參數(shù)進行仰斜式擋墻計算,計算結(jié)果與衡重式對比見圖5所示,可以發(fā)現(xiàn)衡重式路肩墻與仰斜式路肩墻圬工體積幾乎一致;填土4m的路堤墻墻高9m及以下時,衡重式與仰斜式圬工體積相差無幾,而墻高大于9m時,衡重式較仰斜式增加約17%;填土8m的衡重式路堤墻較仰斜式增加約15.1%。由此可見,相同工況條件下,仰斜式擋墻圬工體積較衡重式節(jié)約。3最優(yōu)擋土墻截面受滑動穩(wěn)定驗算通過近2000種衡重式擋墻不斷試算,選取最優(yōu)尺寸,從中獲取一些計算規(guī)律,作以下總結(jié),以供后續(xù)設計使用者參考。1)一般工況下,當?shù)鼗菰S應力為250~400kPa時,最優(yōu)擋土墻截面受地基土水平向滑移穩(wěn)定系數(shù)Kc2)抗震工況下,當?shù)鼗菰S應力為250~400kPa時,最優(yōu)擋土墻截面受地基土水平向滑移穩(wěn)定系數(shù)Kc3)浸水工況下,當?shù)鼗菰S應力為250kPa時,最優(yōu)擋土墻截面受滑動穩(wěn)定方程控制;當?shù)鼗菰S應力為300~800kPa時,最優(yōu)擋土墻截面受傾覆穩(wěn)定系數(shù)K當擋墻截面尺寸未通過驗算時,宜按5cm一級一級調(diào)整頂寬,直至計算通過。4酶處理設計1)當?shù)鼗休d力特征值小于基底最大壓應力時,可通過在基底設置擴大基礎的方式進行處理。2)當?shù)鼗休d力特征值大于基底最大壓應力且小于設計采用地基承載力特征值時,可于下墻墻背設置3~5層土工格柵以保證抗滑移穩(wěn)定性,或者在墻底設置防滑凸榫處理,或于承臺上設置搭板方式處理。3)本設計擋墻只針對天然地面水平的路段,對于穩(wěn)定斜坡路段,一般情況下本設計擋墻尺寸均偏保守。當采用本標準圖尺寸經(jīng)濟性差時,可按本圖集參數(shù)重新計算。4)對于浸水路堤墻,本設計假定墻前、墻背水位均為2/3的墻高位置。當將擋墻應用于臨河路段,且最高洪水位高于墻高的2/3時,對于受控于抗滑穩(wěn)定性的擋墻,可于下墻墻背設置拉筋或土工格柵進行處理。5)墻踵地基承載力無法滿足設計要求時,若無法通過調(diào)整頂寬使計算通過,可設置墻踵臺階,臺階高度、寬度宜與墻趾臺階保持一致。6)墻趾設置防沖樁或防沖坎,盡量減小沖刷,同時計算時可計入被動土壓力。7)地震力、斜坡推力等水平力較大時,可考慮加設近似水平向錨桿,斜坡臺階式基礎上尤其應考慮錨桿擋墻。如圖6。5區(qū)域公路擋土墻設計的展望重力式擋土墻在盛產(chǎn)石料的山區(qū)公路建設中具有不可替代的作用,其社