河岸式砌石挡土墙稳定分析

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河岸式砌石挡土墙稳定分析

山东茂隆新材料科技有限公司 2020-11-18 2530 0


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。


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