河岸式砌石挡土墙稳定分析

1　问题的提出

　　长江铜陵河段外滩水域素为黄金水道，近年来，沿江许多企业');">企业利用江外滩兴建货场、堆场、码头等。我们发现在临江侧修建浆砌石挡土墙时，或由于基础处理不当，或由于结构设计不合理，有50%以上的挡土墙存在有质量问题，有的沉陷变形，有的产生裂缝，有的甚至倾覆倒塌，造成工程设施局部或整体损坏。而由我局设计的几处码头浆砌石挡土墙，由于经过稳定验算，设计合理，对几个关键技术问题进行了处理，工程一直运行良好，特简介如下。

2　地质条件与参数的选取

　　以我们设计过的江边华德运输公司的货场挡土墙为例，来进行分析。根据勘测资料，回填土采用当地回填土，其力学性质取干容重1.55t/m3，天然湿容重1.85t/m3，饱和容重2.05t/m3，内摩擦角27度，粘聚力很小忽略为0。

　　江岸滩地的土质属淤泥质土层，是软粘土的一种典型代表，其力学性质主要有：⑴强度极低。标准贯入击数n＜3，故承载力极低。从河海大学《土力学》中选取值一般为7~10t/m3。⑵压缩性很大，压缩系数＞0.05cm2/kg，因此基础沉降很大。⑶渗透性很小。因而固结过程需要较长时间，沉降较慢。

3　结构断面尺寸的选择与比较

　3.1普通重力式挡土墙

　　3.1.1荷载组合

　　取完建期（没有江水顶托，属不利运行状态）的情况进行稳定计算与比较，作用的荷载有：挡土墙自重，墙背填土重，水平土压力。由于完建期是在枯水期，故基底浮托力不计。

　　3.1.2土压力

　　按主动土压力公式：pa=0.5rh2ka=15.13t

　　式中ka为主动土压力系数。ka＝tg2(45-0.5ψ)=0.3755

　　3.1.3结构受力分析

　　完建期重力式挡土墙受力情况表（取单位长度，对迎水面趾脚求矩）

荷载名称 计算式 竖直力（t） 水平力（t） 力臂（m） 力矩（t-m） 向下 向上 向右 向左 顺时针 逆时针 水平土压力 0.5*1.85*6.62*0.375 15.13 2.2 33.29 土重 三角形 0.5*2.6*5.6*1.85 13.47 2.63 35.43 矩形 5.6*0.2*1.85 2.07 3.6 7.45 自重 底板 3.7*1*2.5 9.25 1.85 17.11 直墙 0.5*5.6*2.5 7 0.65 4.55 斜墙 0.5*2.6*5.6*2.5 18.2 1.77 32.21 合计 49.99 15.13 96.75 33.29

　3.1.4安全验算

　　⑴合力的偏心距：e=b/2－∑m/∑g=0.58m（偏临水面）

　　其中b为底板宽度。

　　⑵地基反力：最大бmax＝∑g/a（1＋6e/b）=26.21(t/m2)

　　最小бmin＝∑g/a（1－6e/b）=0.81(t/m2)

　　⑶压力分布不均匀系数η＝бmax/бmin =32.3＞2。不满足

　　⑷平均基底压力б＝(бmax+бmin)/2=13.5。太大，也不满足。

　　⑸抗滑稳定安全系数kc=f∑g/∑h=1.32＞1.25。满足。

　　⑹倾稳定安全系数k＝抗倾力矩/倾覆力矩=2.9＞1.2。满足。

　　从上可看出，基底应力大于淤泥土的允许承载力，且分布不均。故需要进行地基处理。目前地方上常用的一种经济可行的处理方法为“垫层法”。它是以“就地取材”为原则，把靠近基底的淤泥挖去，而代之以人工回填的砂土层作为持力层，其作用有三：①增加地基稳定性。②减少基础沉降量。③加速软土地基的固结，提高地基的强度。

　　砂垫层设计时，有两种处理办法：一种是假定垫层是地基础土质的一部分；一种是假定垫层是建筑基础的一部分。目前通常把砂垫层作为“基础”来考虑。详见后面的计算。

　3.2衡重式挡土墙

　　普通重力式挡土墙由于结构体积庞大，重量都比较大，耗材较多，并不经济，此外，挡墙座落在江边软基上，因基底压力分布不均，也将造成地基处理的工作量加大。而衡重式挡土墙，则可利用减重台上的填土重量增加墙身的稳定，并使地基应力分布比较均匀，在材料用量上要比简单的梯形截面减少10%~20%。见下图截面，两者相比，衡重式挡土墙节省材料10%。

　　3.2.1荷载组合

　　亦取完建期的情况，荷载与重力式挡土墙大致相同。

　　3.2.2水平水压力

　　与重力式挡土墙相同，为15.13t。

　　3.2.3受力分析

　　完建期衡重式挡土墙受力情况（取单位长度，对迎水侧趾脚求矩）

荷载名称 计算式 竖直力（t） 水平力（t） 力臂（m） 力矩（t-m） 向下 向上 向右 向左 顺时针 逆时针 水平土压力 0.5*1.85*6.62*0.375 15.13 2.2 33.29 土重 三角形 0.5*1.1*3.3*1.85 3.358 1.63 5.47 矩形 2.2*3.3*1.85 13.431 3.1 41.64 挡墙自重 前趾 1*0.4*2.5 1

复合土工膜（复合防渗膜）分为一布一膜和两布一膜，宽幅4-6m，重量为200—1500g/平方米，抗拉、抗撕裂、顶破等物理力学性能指标高，产品具有强度高，延伸性能较好，变形模量大，耐酸碱、抗腐蚀，耐老化，防渗性能好等特点。能满足水利、市政、建筑、交通，地铁、隧道、工程建设中的防渗、隔离、补强、防裂加固等土木工程需要。常用于堤坝、排水沟渠的防渗处理，以及废料场的防污处理。

0.2 0.2 直立墙 0.5*6.6*2.5 8.25 0.65 5.36 厚墙 3.3*1.1*2.5 9.075 1.45 13.16 三角 0.5*1.1*3.3*2.5 4.537 1.27 5.76 减重台 0.5*2.2*3.3*2.5 9.075 2.73 24.77 合计 48.726 15.13 96.36 33.29

3.2.4安全验算－方法相同

　　⑴合力的偏心距e=-0.29m（偏背水面）

　　⑵地基反力 бmax＝45.56(t/m2)

　　бmin=3.17(t/m2)

　　⑶压力不均匀系数η＝бmax/бmin =14.3＞[η]。不满足

　　⑷平均基底压力б＝24.36。太大，不能满足。

　　⑸抗滑稳定安全系数kc=f∑g/∑h=1.29＞1.25。满足

　　⑹倾稳定安全系数k＝2.89＞1.2。满足

　　从上可以看出，基底压力及其分布均不满足要求，故需进行换基处理。

　　3.2.5换基后的地基验算

　　用垫层法换基后，假定垫层是基础的一部分，则垫层把基础底面的压力扩散到砂垫层的底部，砂垫层的底部即看作建筑物的“新基础”底面。根据土力学公式，此时砂垫层应满足：

　　rd+b/b’p≤[p](d+d)

　　其中式中：

　　r－为砂垫层的容重，这里r=1.85t/m3

　　p－为基底的设计荷载，当偏心荷载时，可近似地按基底平均压力计；

　　b’－为新基础底宽。b’=b+2dtgθ＝3.0（应力扩散角θ取35度，垫层深d取0.7m）

　　[p](d+d)－砂垫层底部处天然土的允许承载力。参照《土力学》中有关淤泥质土的许可承载力，当基础底宽大于等于3米、或埋深大于1.5米时，采用修正公式：

　　[p](d+d)＝[p]表＋mbr1(b-3)+mdr2(d-1.5)=19.25t/m2

　　[p]表－查表得10t/m2

　　md－基础埋深的修正系数，查表得md =5

　　r2－基础底面以上土的容重，取1.85

　　平均埋深取2.5米，即前趾埋0.8米，比较符合实际情况。

　　则rd+b/b’p=17.53≤[p](d+d)，满足要求。

　　3.2.6新基底压力分布不均匀系数

　　重复上述受力分析过程，就可得出地基反力分布情况。此时合力的偏心距仅为-0.06m。

　　压力分布不均匀系数η＝1.27＜[η]=2。满足要求。

4　需要注意的几个细节

　　⑴砂垫层的砂料，应以中粗砂为好，砂质要干净，其含泥量应小于3%。垫层的密度一般要求在中等密度以上，即要求控制的孔隙比ε≤0.75,或干容重rd≥1.6t/m3。

　　⑵为适应地基沉降，每隔一定距离必须分缝，分缝的间距不能太大，一般宜控制在10~20m之间，尤其是挡土墙轴线的转角处、荷载急剧变化点，需增设沉降缝。

　　⑶墙背后需设置一道反滤排水孔，孔内填土侧填筑反滤料，以确保能及时排除土体中水分，保持土的抗剪强度与含水率，从而保证墙背面的水平土压力在设计情况下，变化幅度不致过大。