CN114282393A - 一种装配式挡土墙稳定性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种装配式挡土墙稳定性计算方法，包括以下步骤：计算局部稳定性包括计算局部稳定系数；计算抗倾覆稳定性包括计算抗倾覆稳定系数，抗倾覆稳定系数为抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值；计算抗滑动稳定性包括计算抗滑稳定系数，抗滑稳定系数为抗滑力与滑动力的比值；计算地基承载力包括计算最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值。本发明在稳定性计算中根据该装配式挡土墙的支护特点，考虑了局部稳定性和抗倾覆稳定性、抗滑动稳定性、挡土墙地基承载力的整体稳定性，充分评估了装配式挡土墙的稳定性，计算过程简便、可靠性强，具有很大的实际应用价值，对新型装配式挡土墙在边坡工程中的应用发展具有重要的意义。

Description

一种装配式挡土墙稳定性计算方法

技术领域

本发明涉及岩土工程技术领域，特别涉及一种装配式挡土墙稳定性计算方法。

背景技术

边坡支护作为基础设施建设进程中不可避免的工程项目，如何保证在建设过程中原始坡体的稳定性，成为基础设施建设进程中不得不解决的课题。目前人们研究出了各种各样的边坡支护技术来确保坡体的稳定性。在建设过程中常用到的支护形式有：喷锚支护、挡土墙支护、锚杆框架梁支护、桩板支护等。虽然上述支护形式能够满足当前边坡支护工程的需求，但仍然存在不同程度的问题诸如：施工现场技术要求高、工序复杂繁琐、对环境造成污染、影响后期环境的恢复等。使用传统的边坡支护技术由于需要在现场进行大量的混凝土浇注工作，往往会造成施工周期的延长，对当地环境造成破坏。除此之外，高陡坡体上不方便浇注混凝土也对边坡支护工程的施工带来了一定的困难。

为了解决这一系列问题，一种具有造价低、便于施工、施工工期短、可生态防护化、可用于高陡边坡的新型装配式挡土墙在工程中应运而生，新型装配式挡土墙的墙体包括构件和填土。设计装配式挡土墙过程或装配式挡土墙安全性评估过程中，需要对设计的装配式挡土墙稳定性进行评估，专利文献CN107447774A公开了双排桩基悬臂式挡土墙整体稳定性计算方法，该方法包括以下步骤：(1)双排桩基悬臂式挡土墙抗滑计算：把双排桩基悬臂式挡土墙按结构伸缩缝设置间距分幅断开分析，分别统计单幅挡土墙的桩基总数量；计算每幅挡土墙的总水平土压力；计算桩基的斜截面抗剪承载力；计算双排桩基础悬臂式挡土墙滑动稳定系数Kc；(2)双排桩基悬臂式挡土墙抗倾覆计算：计算双排桩基悬臂式挡土墙结构的抗倾覆力矩；计算双排桩基悬臂式挡土墙结构的倾覆力矩；计算双排桩基悬臂式挡土墙结构的倾覆安全系数。该挡土墙稳定性计算中只考虑了滑动稳定性和倾覆稳定性，对于挡土墙稳定性计算不够全面。目前还没有一种稳定性计算方法能应用到装配式挡土墙中，因此，急需一种针对装配式挡土墙的稳定性计算方法。

发明内容

本发明的目的在于现有技术中没有能针对装配式挡土墙的稳定性的计算方法，提供一种装配式挡土墙稳定性计算方法，可将其应用于装配式挡土墙边坡的设计中，可为边坡支护结构设计提供依据，也可以保证装配式挡土墙使用的安全性。

为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：

一种装配式挡土墙稳定性计算方法，所述方法包括：计算所述挡土墙局部稳定性和计算所述挡土墙整体稳定性；计算所述挡土墙整体稳定性包括计算所述挡土墙抗倾覆稳定性、计算所述挡土墙抗滑动稳定性、计算所述挡土墙地基承载力。

计算所述挡土墙局部稳定性包括计算局部稳定系数，若局部稳定系数大于1.3，则所述挡土墙局部稳定性好；所述局部稳定系数计算公式如下：

其中K′_s为所述局部稳定系数，G_h为深度h处所述挡土墙自重，E_ax为墙背的土压力E_a水平分力，E_ax＝E_a cos(δ-ε)，δ为墙背与填土的摩擦角，ε为墙背倾角；E_ay为墙背的土压力E_a竖向分力，E_ay＝E_a sin(δ-ε)；μ为摩擦系数。

计算所述挡土墙抗倾覆稳定性包括计算抗倾覆稳定系数，若抗倾覆稳定系数大于1.6，则所述挡土墙不倾覆；所述抗倾覆稳定系数计算公式如下：

式中K_t为抗倾覆稳定系数，M₁为抗倾覆力矩；M₂为倾覆力矩；G为挡土墙重力；a为挡土墙自身重力到O点的距离；A为E_ay对墙趾O点的力臂；C为E_ax对墙趾O点的力臂。

计算所述挡土墙抗滑动稳定性包括计算抗滑稳定系数，若抗滑稳定系数大于1.3，则所述挡土墙不滑动；K_s为抗滑稳定系数，所述抗滑稳定系数计算公式如下：

计算所述挡土墙地基承载力包括计算最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值，若最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值满足公式

则所述挡土墙不塌陷；式中，σ_max为最大主应力；σ_min为最小主应力；f_a为地基承载力特征值。

进一步，墙背的土压力E_a基于库伦土压力理论进行计算，E_a的计算公式如下：

其中γ_坡为挡土墙后填土的重度；H为挡土墙的高度；K_a为主动土压力系数。

进一步地，当

时，

σ_min＝0；

当

时，

式中，e₀为所有力对墙趾O点的偏心距；N为墙底抗滑力合力大小，N＝G+E_ay；B为基地的宽度。

更进一步，所述e₀的计算公式为：

式中e为所有力对基地中心的偏心距。

进一步地，地基承载力特征值的计算公式为：

f_a＝M_bγb+M_dγ_md+M_cC_k

式中，M_b、M_d、M_c为承载力系数，根据土的内摩擦角标准值进行取值；b为基础底面宽度；d为基础埋深深度；C_k为基础底面以下土的黏聚力标准值；W为竖直方向合力；γ为基础底面以下土的重度；γ_m为基础埋深范围内各层土的加权平均重度。

进一步地，所述计算方法还包括计算所述挡土墙墙背压力强度差，墙背压力强度差为摩擦强度与墙背土压力强度分量的差值，E为墙背压力强度差，E的计算公式如下：

E＝P_f-P_a cosδ

式中P_f为构件摩擦强度，P_a为墙背土压力强度，在本发明中墙背土压力强度分布是指墙背沿墙高的土压力强度分布。

更进一步地，E的计算公式如下：

式中S_h为深度h处的构件与墙背接触面积。

进一步地，深度h处挡土墙自重G_h包括构件自重和墙体内填土自重，G_h的计算公式为：

式中，γ_填为深度h处填土的重度；S_填为h处挡土墙内部填土的单位横截面积；

ρ_构为杆件的密度；n为组成装配式挡土墙的构件的类型数，b_i为i类型构件的数目，V_i为i类型构件的体积。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

本发明提出了一种装配式挡土墙的稳定性计算方法，打破现关于装配式挡土墙稳定性计算方法仍属空白的现状，在稳定性计算中根据该装配式挡土墙的支护特点，即考虑了局部稳定性，又考虑了抗倾覆稳定性、抗滑动稳定性、挡土墙地基承载力的整体稳定性，充分评估了装配式挡土墙的稳定性，保障了装配式挡土墙在解决传统支护形式对施工现场技术要求高、工序复杂繁琐、对环境造成污染、影响后期环境的恢复等问题以及在高陡坡体上不便于浇注混凝土给边坡支护工程的施工造成的困难中进行实际应用时的安全可靠性，可将其应用于装配式挡土墙边坡的设计中，能更加精确可靠的进行新型装配式挡土墙设计，同时兼顾设计的安全性、经济性、环保性，为该新型装配式挡土墙实现造价低、便于施工、施工工期短、可生态防护化、可用于高陡边坡的装配式挡土墙在工程中应用奠定基础，也保证了装配式挡土墙使用的安全性。本发明的计算方法计算过程简便、可靠性强，具有很大的实际应用价值，对新型装配式挡土墙在边坡工程中的应用发展具有重要的意义。

附图说明：

图1是装配式挡土墙的结构示意图；

图2是装配式挡土墙的受力分析图；

图3是新型装配式挡土墙墙背局部稳定性系数分布图；

图4是新型装配式挡土墙墙背所受压力强度差分布图；

图中标记：1-挡土墙，11-构件，12-填土，2-边坡，3-路面。

具体实施方式

下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种装配式挡土墙，挡土墙1结构如图1所示，挡土墙1包括构件11和填土12，构件11包括横梁构件和纵梁构件，横梁构件有三种类型，纵梁构件有两种类型，不同类型构件11根据边坡1实际工况自由搭接而成。

一种装配式挡土墙稳定性计算方法，方法包括：计算挡土墙1局部稳定性和计算挡土墙1整体稳定性；计算挡土墙1整体稳定性包括计算挡土墙1抗倾覆稳定性、计算挡土墙1抗滑动稳定性、计算地基承载力；

(1)计算挡土墙1局部稳定性包括计算局部稳定系数，若局部稳定系数大于1.3，则挡土墙1局部稳定性好。本实施例装配式挡土墙由多种构件组合搭接而成，其主要破坏形式是构件11之间发生相对滑移错动引起的墙身局部失稳，为防止挡土墙1发生局部剪切破坏，通过研究墙背局部稳定性系数与墙高之间的对应关系，可实现对装配式挡土墙精准定位式的局部稳定性判断。

局部稳定系数计算公式如下：

其中K′_s为局部稳定系数，G_h为深度h处挡土墙自重，h为方向坐标轴原点沿y轴向下，E_ax为墙背的土压力E_a水平分力，E_ax＝E_a cos(δ-ε)，δ为墙背与填土间的摩擦角，ε为墙背倾角；E_ay为墙背的土压力E_a竖向分力，E_ay＝E_a sin(δ-ε)；μ为摩擦系数。

基于库伦土压力理论对装配式挡土墙所受的土压力进行分析，如图2所示，墙背的土压力E_a的计算公式如下：

其中γ_坡为挡土墙后填土的重度；H为挡土墙的高度；K_a为主动土压力系数，

β为填土表面的倾角，Ψ为墙后填土的内摩擦角，ε为墙背倾角。

在局部稳定系数验算过程中，β＝34°，ψ＝40°，δ＝20°，ε＝14°，H＝9.5m，γ_坡＝22kN/m³，ρ_构＝2360kg/m³，μ＝0.5，墙背的土压力为：

代入装配式挡土墙局部稳定性系数公式后，得到局部稳定性系数关于深度h的表达式，取值几个h值，得到局部稳定性系数分布情况，如图3所示。图3所示的墙背稳定性系数分布图呈梯形状，沿着墙背向下稳定性系数逐渐减小，但局部稳定性系数均大于1.3，可知本实施例边坡2支护所采用的装配式挡土墙局部稳定性满足要求。

(2)计算挡土墙1抗倾覆稳定性包括计算抗倾覆稳定系数，若抗倾覆稳定系数大于1.6，则挡土墙1不倾覆。由于土压力的作用，装配式挡土墙可能发生倾倒破坏，抗倾覆稳定性通过抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值表示，根据作用方向判定其作用性质，如图2所示，墙后的水平力有使挡土墙向前倾覆的趋势，属于倾覆力，挡土墙中竖直方向的力有利于墙的稳定，属于抗倾覆力，抗倾覆稳定系数计算公式如下：

式中K_t为抗倾覆稳定系数，M₁为抗倾覆力矩；M₂为倾覆力矩；G为挡土墙重力；a为挡土墙自身重力到O点的距离；A为E_ay对墙趾O点的力臂；C为E_ax对墙趾O点的力臂。

E_ay对墙趾O点的力臂A＝2918mm，E_ax对墙趾O点的力臂C＝2029mm，基于微分的手段对挡土墙形心的位置进行确定，可得装配式挡土墙形心到墙趾O点处的距离a：

式中A_i为微分单元的面积，y_a为微分单元的静距；

抗倾覆力矩M₁＝G×a+E_ayA＝1325kN·m；倾覆力矩M₂＝E_axC＝386kN·m；

将以上数据带入抗倾覆稳定系数计算公式中，

可知该工程中边坡2支护所采用的装配式挡土墙满足抗倾覆稳定性条件。

(3)计算挡土墙1抗滑动稳定性包括计算抗滑稳定系数，若抗滑稳定系数大于1.3，则挡土墙不滑动。由于土压力的作用，装配式挡土墙可能发生滑动破坏，抗滑动稳定性通过抗滑力与滑动力的比值表示，根据作用方向判定其作用性质，如图2所示，所有垂直作用在墙上力都是抵抗滑动的，墙后的水平力有使挡土墙向前滑动的趋势，属于滑动力。K_s为抗滑稳定系数，抗滑稳定系数计算公式如下：

验算过程中G＝484kN,E_ay＝20.3kN/m，E_ax＝193kN/m，将以上数据带入抗滑稳定系数计算公式中

可知边坡支护所采用的装配式挡土墙满足抗滑移稳定性条件。

(4)计算挡土墙地基承载力包括计算最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值，若最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值满足公式

则挡土墙不塌陷；式中，σ_max为最大主应力；σ_min为最小主应力；f_a为地基承载力特征值。在挡土墙自身重力的作用下，对于地基承载力不足的，新型挡土墙可能发生塌陷破坏，地基承载力的大小决定新型挡土墙是否会发生塌陷破坏，需要对新型装配式挡土墙进行地基承载力验算。

当

时，

σ_min＝0；当

时，

式中，e₀为所有力(抗倾覆力、倾覆力)对墙趾O点的偏心距，其中所有力包括抗倾覆力和倾覆力；N为墙底抗滑力合力大小，N＝G+E_ay；B为基地的宽度。

其中e₀的计算公式为：

式中e为所有力对基地中心的偏心距，标注如图2所示。

地基承载力特征值的计算公式为：

f_a＝M_bγb+M_dγ_md+M_cC_k

式中，M_b、M_d、M_c为承载力系数，根据土的内摩擦角标准值进行取值；b为基础底面宽度；d为基础埋深深度；C_k为基础底面以下土的黏聚力标准值；W为竖直方向合力；q为基地水平面以上土的重度；γ为基础底面以下土的重度；γ_m为基础埋深范围内各层土的加权平均重度。

验算过程中e＝0.84m，B＝2.4m，d＝1.5m，f_a＝300kPa，其中f_a根据实际地基情况给定值，计算可得：

所以，

满足地基承载力验算的判断式：

σ_max＝241kPa≤1.2f_a＝720kPa，因此地基承载力满足条件。

本实施例的稳定性计算方法打破现关于装配式挡土墙稳定性计算方法仍属空白的现状，保障了装配式挡土墙在解决传统支护形式对施工现场技术要求高、工序复杂繁琐、对环境造成污染、影响后期环境的恢复等问题以及在高陡坡体上不便于浇注混凝土给边坡支护工程的施工造成的困难中进行实际应用时的安全可靠性，可以更加精确可靠的进行新型装配式挡土墙设计，同时兼顾设计的安全性、经济性、环保性。为该新型装配式挡土墙实现造价低、便于施工、施工工期短、可生态防护化、可用于高陡边坡的装配式挡土墙在工程中应用奠定基础。

实施例2

本实施例提供了一种装配式挡土墙稳定性计算方法，和实施例1类似，和实施例1的区别在于本实施例的计算方法还包括计算挡土墙墙背压力强度差，墙背压力强度差为摩擦强度与墙背土压力强度分量的差值。

构件之间的摩擦强度计算公式如下：

式中P_f为构件摩擦强度，G_h为深度h处挡土墙自重，S_h为深度h处的构件与墙背接触面积。

墙背土压力强度P_a为墙背土压力强度分布，是指墙背沿墙高的土压力强度分布，可根据墙背的土压力E_a计算，P_a由以下公式计算：

P_a＝γ_坡HK_a

因此，墙背压力强度差E的计算公式如下：

其中深度h处挡土墙自重G_h包括构件自重和墙体内填土自重，G_h的计算公式为：

式中，γ_填为深度h处填土的重度；S_填为深度为h处填土的面积；ρ_构为杆件的密度；n为组成装配式挡土墙的构件的类型数，b_i为i类型构件的数目，V_i为i类型构件的体积。

代入数据γ_填＝13.7kN/m³，五种类型构件的体积分别为V₁＝0.0135m³、V₂＝0.024m³、V₃＝0.0426m³、V₄＝0.0034m³、V₅＝0.0017m³，代入装配式挡土墙求解自重的通式后，可进一步得到背压力强度差E关于深度h的表达式，取值几个h值，得到墙背所受的压力差强度分布情况，如图4所示。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，所述方法包括：计算所述挡土墙局部稳定性和计算所述挡土墙整体稳定性；计算所述挡土墙整体稳定性包括计算所述挡土墙抗倾覆稳定性、计算所述挡土墙抗滑动稳定性、计算所述挡土墙地基承载力；

计算所述挡土墙局部稳定性包括计算局部稳定系数，若局部稳定系数大于1.3，则所述挡土墙局部稳定性好；所述局部稳定系数计算公式如下：

其中K′_s为局部稳定系数，G_h为深度h处所述挡土墙自重，E_ax为墙背的土压力E_a水平分力，E_ax＝E_acos(δ-ε)，δ为墙背与填土的摩擦角，ε为墙背倾角；E_ay为墙背的土压力E_a竖向分力，E_ay＝E_asin(δ-ε)；μ为摩擦系数；

计算所述挡土墙抗倾覆稳定性包括计算抗倾覆稳定系数，若抗倾覆稳定系数大于1.6，则所述挡土墙不倾覆；所述抗倾覆稳定系数计算公式如下：

式中K_t为抗倾覆稳定系数，M₁为抗倾覆力矩；M₂为倾覆力矩；G为挡土墙重力；a为挡土墙自身重力到墙趾O点的距离；A为E_ay对墙趾O点的力臂；C为E_ax对墙趾O点的力臂；

计算所述挡土墙抗滑动稳定性包括计算抗滑稳定系数，若抗滑稳定系数大于1.3，则所述挡土墙不滑动；K_s为抗滑稳定系数，所述抗滑稳定系数计算公式如下：

计算所述挡土墙地基承载力包括计算最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值，若最大主应力、最小主应力、地基承载力特征值满足公式

则所述挡土墙不塌陷；式中，σ_max为最大主应力；σ_min为最小主应力；f_a为地基承载力特征值。

2.根据权利要求1所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，墙背的土压力E_a基于库伦土压力理论进行计算，E_a的计算公式如下：

其中γ_坡为挡土墙后填土的重度；H为挡土墙的高度；K_a为主动土压力系数。

3.根据权利要求1所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，

当

时，

σ_min＝0；

当

时，

式中e₀为所有力对墙趾O点的偏心距；N为墙底抗滑力合力大小，N＝G+E_ay；B为基地的宽度。

4.根据权利要求3所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，所述e₀的计算公式为：

式中e为所有力对基地中心的偏心距。

5.根据权利要求1所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，地基承载力特征值的计算公式为：

f_a＝M_bγb+M_dγ_md+M_cC_k

式中，M_b、M_d、M_c为承载力系数，根据土的内摩擦角标准值进行取值；b为基础底面宽度；d为基础埋深深度；C_k为基础底面以下土的黏聚力标准值；W为竖直方向合力；γ为基础底面以下土的重度；γ_m为基础埋深范围内各层土的加权平均重度。

6.根据权利要求1-5任意一项所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，所述计算方法还包括计算所述挡土墙墙背压力强度差，墙背压力强度差为摩擦强度与墙背土压力强度分量的差值，E为墙背压力强度差，E的计算公式如下：

E＝P_f-P_acosδ

式中P_f为构件摩擦强度，P_a为墙背土压力强度。

7.根据权利要求6所述装配式挡土墙稳定性计算方法，其特征在于，E的计算公式如下：

式中S_h为深度h处的构件与墙背接触面积。

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