CN115221594B - 一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，属于边坡支护结构设计领域。所述设计方法先获得挡墙底与地基土体的摩擦系数、墙后填土的内摩擦角和重度、挡墙材料抗拉强度；预设挡墙尺寸，对挡墙进行受力分析，设卸荷平台底至墙底距离为未知数，计算卸荷平台减小的土压力及卸荷平台上土体重力产生的抗滑力；考虑挡墙卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，通过挡墙抗滑移稳定性验算得出卸荷平台底至墙底距离及卸荷平台长度：预设卸荷平台厚度，对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度。本发明解决了卸荷平台挡墙设计时卸荷平台位置及尺寸的确定问题，为卸荷平台挡墙设计提供了切实可行的方法。

Description

一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法

技术领域

本发明属于边坡支护结构设计领域，具体涉及一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法。

背景技术

挡墙作为一种常用支护形式，广泛用于岩土地基的建、构筑物场地和道路路基的边坡支挡中。卸荷平台挡墙属于挡墙中的一种特殊形式，其通过于挡墙墙身设置卸荷平台，承担卸荷平台之上的土体重力，减小卸荷平台下一定范围内的土压力，使挡墙墙底压力分布更加均匀，从而优化挡墙性能，满足设计要求。然而，卸荷平台的位置及尺寸通常按挡墙图集查得或按经验给出，目前还没有卸荷平台的具体设计方法。

发明内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，本发明旨在提供一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，通过分析卸荷平台对于挡墙抗滑移的有利作用，计算卸荷平台具体设置位置及卸荷平台设计尺寸，使卸荷平台挡墙的设计更加安全可靠。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，所述挡墙包括挡墙本体和卸荷平台，所述设计方法包括如下步骤：

步骤S1，通过试验获得挡墙底与地基土体的摩擦系数μ、墙后填土的内摩擦角和重度γ，挡墙材料抗拉强度[σ_拉]；

步骤S2，预设挡墙高度为H、重量为G，卸荷平台设置于挡墙本体墙背上，截面形式为梯形且梯形的长底边与墙背接触，长底边长度为h；短底边与填土接触，短底边长度为D，为预设的已知数，短底边下端点与墙底平面的距离为z；直角腰在上、斜边腰在下，直角腰长度为卸荷平台长度l；h、z、l为未知数；

步骤S3，沿挡墙延伸方向取单位长度，对挡墙进行受力分析，由卸荷平台的减压原理，计算卸荷平台减小的土压力ΔE_a及卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w；

步骤S4，考虑挡墙卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，通过挡墙抗滑移稳定性验算得出短底边下端点与墙底平面的距离为z，并进一步根据z与l的几何关系，求得卸荷平台长度l，从而确定卸荷平台的尺寸；

步骤S5，对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度h，从而确定卸荷平台在墙背上的设置位置。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S3对挡墙进行受力分析，由卸荷平台的减压原理，计算卸荷平台减小的土压力ΔE_a及卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w，具体包括：

由卸荷平台的减压原理，减压范围为自卸荷平台较短底边下端点至滑裂面与墙背的交点处为止，根据土压力分布规律，滑裂面通过墙背底端时，卸荷平台减压作用最大，此时减小的侧向土压力ΔE_a通过公式(1)计算：

式(1)中，k_a为主动土压力系数，

卸荷平台上土体重力W通过公式(2)计算：

卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w为：

作为本发明的一个优选实施例，步骤S4所述通过挡墙抗滑移稳定性验算得出短底边下端点与墙底平面的距离为z，具体包括：

未设置卸荷平台时，墙后侧向土压力E_a按下式计算：

设置卸荷平台后，挡墙抗滑移稳定性验算公式如式(5)所示：

将公式(1)、(3)、(4)代入公式(5)，得到公式(6)：

求解公式(6)，得出卸荷平台短底边下端点至墙底平面的距离z的取值范围，取最大值作为求解结果。

作为本发明的一个优选实施例，步骤S4所述根据z与l的几何关系，求得卸荷平台长度l，具体包括：

根据公式(7)计算卸荷平台长度l：

作为本发明的一个优选实施例，步骤S5所述对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度h，具体包括：

卸荷平台上部土体的重力，作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_w为：

卸荷平台所受侧向土压力分布形式为梯形分布，卸荷平台短底边上端点和下端点处侧向土压强e_a1、e_a2分别为：

e_a1＝γ(H-z-D)k_a (9)

e_a2＝γ(H-z)k_a (10)

卸荷平台短底边所受侧向土压力E_a'为：

E_a′＝γk_aD(H-z-D/2) (11)

设卸荷平台与挡墙连接处截面高度为未知数h，侧向土压力作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_a为：

卸荷平台与挡墙连接处截面最大拉应力应满足下式要求：

式(13)中，W₀为卸荷平台与挡墙连接处截面抗弯模量，W₀＝h²/6。

将公式(8)、(11)、(12)代入公式(13)，可得公式(14)：

求解公式(14)解得未知数h的取值范围，取最小值作为计算结果；当计算得到的h<D时，取h＝D；当计算得到的h>D时，取h为最终结果。

本发明实施例所提供的技术方案具有如下有益效果：

本发明实施例所提供的一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，考虑卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，计算卸荷平台减小的土压力和卸荷平台上部土体重力产生的抗滑力，通过挡墙抗滑移稳定性验算得出卸荷平台至墙底距离，从而根据几何关系计算卸荷平台长度；计算卸荷平台上部土体重力及侧向土压力作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩，通过材料容许抗拉强度验算得到卸荷平台与挡墙连接处截面高度。本发明基于挡墙抗滑移性能设计挡墙的卸荷平台位置及尺寸，为卸荷平台挡墙设计提供了切实可行的方法。

当然，实施本发明的任一产品或方法并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。

图1为本发明实施例所述基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法流程图；

图2为本发明实施例中卸荷平台挡墙抗滑移验算示意图；

图3为本发明实施例所述卸荷平台材料容许抗拉强度验算示意图。

具体实施方式

本申请发明人在发现上述问题后，针对此种挡墙的卸荷平台受力机制进行了细致研究。研究发现，卸荷平台减小的土压力大小与墙后土压力分布规律及卸荷平台设置位置有关，并且卸荷平台对挡墙抗滑移有两方面的有利作用，一方面是卸荷平台承担上部土重对土压力的减小作用；另一方面是卸荷平台上土体增加挡墙自重产生的摩擦力对抗滑力的增大作用。但是，目前没有相关的挡墙卸荷平台位置及尺寸的计算方法，导致设计人员在设计挡墙卸荷平台时缺乏设计依据。

应注意的是，以上现有技术中的方案所存在的缺陷，均是发明人在经过实践并仔细研究后得出的结果，因此，上述问题的发现过程以及下文中本发明实施例针对上述问题所提出的解决方案，都应该是发明人在本发明过程中对本发明做出的贡献。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征也可以相互组合。

应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”等仅用于区分描述，而不能理解为只是或暗示相对重要性。

经过上述深入分析后，本申请针对卸荷平台挡墙进行了全面的力学分析，发现卸荷平台减小的土压力大小与墙后土压力分布规律及卸荷平台设置位置有关，滑裂面通过墙底时，卸荷平台减压作用最大，根据卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，由挡墙抗滑移稳定性验算可确定卸荷平台至墙底距离z及卸荷平台长度l；对卸荷平台单独进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算得到卸荷平台与挡墙连接处截面高度h。基于此，本申请提供了一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，为边坡支挡设计人员提供了挡墙卸荷平台设计所需方法。

如图1所示，本发明实施例所提供的一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，所述挡墙包括挡墙本体和卸荷平台，所述设计方法包括如下步骤：

步骤S1，通过试验获得挡墙墙底与地基土体的摩擦系数μ、墙后填土的内摩擦角和重度γ，挡墙材料抗拉强度[σ_拉]。

本步骤中，所述挡墙材料抗拉强度[σ_拉]根据实验或材料属性获得。

步骤S2，预设挡墙高度为H、重量为G；卸荷平台设置于挡墙本体墙背上，截面形式为梯形且梯形的长底边与墙背接触，长底边长度为h；短底边与填土接触，短底边长度为D，为预设的已知数，短底边下端点与墙底平面的距离为z；直角腰在上、斜边腰在下，直角腰长度为卸荷平台长度l；h、z、l为未知数。

步骤S3，通过计算确定卸荷平台在墙背上的设置位置及卸荷平台尺寸。沿挡墙纵向延伸方向取1米长度，对挡墙进行受力分析，计算卸荷平台减小的挡墙所受土压力ΔE_a及卸荷平台上土体重力产生的挡墙抗滑力F_w。

本步骤中，如图2所示，基于挡墙的抗滑移性能对挡墙进行受力分析，要通过卸荷平台来增加挡墙的抗滑移性能，卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用分为两个方面，一方面是卸荷平台承担上部土重对挡墙整体所受侧向土压力的减小作用；另一方面是卸荷平台上土体增加挡墙自重产生的摩擦力对挡墙抗滑力的增大作用。

设卸荷平台较短底边下端点至墙底平面的距离为未知数z，由卸荷平台的减压原理，减压范围为自卸荷平台较短底边下端点至滑裂面与墙背的交点处为止，根据土压力分布规律，滑裂面通过墙背底端时，卸荷平台减压作用最大。此时减小的侧向土压力ΔE_a可通过公式(1)计算：

式(1)中，k_a为主动土压力系数，

卸荷平台上土体重力W可通过公式(2)计算：

卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w为：

步骤S4，考虑挡墙卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，通过挡墙抗滑移稳定性验算得出卸荷平台底至墙底距离z，并进一步求得卸荷平台长度l。

本步骤中，挡墙未设置卸荷平台时，墙后侧向土压力E_a按式(4)计算：

设置卸荷平台后，挡墙抗滑移稳定性验算公式如式(5)所示：

式(5)中，F_s为挡墙抗滑移稳定性系数；F_st为挡墙抗滑移稳定安全系数，可根据规范查得。

将公式(1)、(3)、(4)代入公式(5)，得到公式(6)：

求解公式(6)，得出卸荷平台短底边下端点至墙底平面的距离z的取值范围，取最大值作为求解结果。

根据几何关系，根据公式(7)计算卸荷平台长度l：

步骤S5，对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度h。

本步骤中，如图3所示，卸荷平台上部土体的重力，作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_w为：

卸荷平台所受侧向土压力分布形式为梯形分布，卸荷平台短底边上端点和下端点处侧向土压强e_a1、e_a2分别为：

e_a1＝γ(H-z-D)k_a (9)

e_a2＝γ(H-z)k_a (10)

卸荷平台短底边所受侧向土压力E_a'为：

E_a′＝γk_aD(H-z-D/2) (11)

设卸荷平台与挡墙连接处截面高度为未知数h，侧向土压力作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_a为：

卸荷平台与挡墙连接处截面最大拉应力应满足下式要求：

式(13)中，W₀为卸荷平台与挡墙连接处截面抗弯模量，W₀＝h²/6。

将公式(8)、(11)、(12)代入公式(13)，可得公式(14)：

求解公式(14)解得未知数h的取值范围，取最小值作为计算结果；当计算得到的h<D时，取h＝D；当计算得到的h>D时，取h为最终结果。

下面通过一个具体的实例，对本发明做进一步详细的说明。

设计某挡土墙的卸荷平台，挡墙采用C25混凝土，墙高5m，重量为100kN/m，墙后填土采用粗砂，内摩擦角为30°、天然重度为18kN/m³，墙底混凝土与地基土体之间的摩擦系数为0.4，挡墙混凝土抗拉强度设计值为1270kP_a。

预设平台厚度为D＝0.3m，设卸荷平台底至墙底距离为未知数z，由公式(1)计算卸荷平台减小的侧向土压力为：ΔE_a＝2.7z(5-z)

由公式(3)计算卸荷平台上土体重力产生的抗滑力为：

F_W＝4.157z(4.7-z)

取F_st为1.1，由公式(6)可得出卸荷平台底至墙底距离：

解方程可得，z≤1.4m，取最大值为z＝1.4m。

由公式(7)计算卸荷平台长度为：l＝0.8m。

设卸荷平台与挡墙连接处截面高度为未知数h，由公式(14)可得：

解方程可得：h≥0.3m，此时最小值为0.3，因此最终取值为h＝0.3m。

根据所解得的卸荷平台短底边下端点至墙底平面的距离z、卸荷平台长度l及卸荷平台与挡墙连接处截面高度h设计所述卸荷平台位置及尺寸参数并进行施工。

以上描述仅为本发明的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明，并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的优选实施例。本领域技术人员应当理解，本发明中所涉及的发明范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

Claims (3)

1.一种基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，所述挡墙包括挡墙本体和卸荷平台，其特征在于，所述设计方法包括如下步骤：

步骤S1，通过试验获得挡墙底与地基土体的摩擦系数μ、墙后填土的内摩擦角和重度γ，挡墙材料抗拉强度[σ_拉]；

步骤S2，预设挡墙高度为H、重量为G，卸荷平台设置于挡墙本体墙背上，截面形式为梯形且梯形的长底边与墙背接触，长底边长度为h；短底边与填土接触，短底边长度为D，为预设的已知数，短底边下端点与墙底平面的距离为z；直角腰在上、斜边腰在下，直角腰长度为卸荷平台长度l；h、z、l为未知数；

步骤S3，沿挡墙延伸方向取单位长度，对挡墙进行受力分析，由卸荷平台的减压原理，计算卸荷平台减小的土压力ΔE_a及卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w；

步骤S4，考虑挡墙卸荷平台对挡墙抗滑移的有利作用，通过挡墙抗滑移稳定性验算得出短底边下端点与墙底平面的距离为z，根据z与l的几何关系，求得卸荷平台长度l，从而确定卸荷平台的尺寸；

步骤S5，对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度h，从而确定卸荷平台在墙背上的设置位置；

其中，

步骤S3对挡墙进行受力分析，由卸荷平台的减压原理，计算卸荷平台减小的土压力ΔE_a及卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w，具体包括：

由卸荷平台的减压原理，减压范围为自卸荷平台较短底边下端点至滑裂面与墙背的交点处为止，根据土压力分布规律，滑裂面通过墙背底端时，卸荷平台减压作用最大，此时减小的侧向土压力ΔE_a通过公式(1)计算：

式(1)中，k_a为主动土压力系数，

卸荷平台上土体重力W通过公式(2)计算：

卸荷平台上土体重力产生的抗滑力F_w为：

步骤S4所述通过挡墙抗滑移稳定性验算得出短底边下端点与墙底平面的距离为z，具体包括：

未设置卸荷平台时，墙后侧向土压力E_a按下式计算：

设置卸荷平台后，挡墙抗滑移稳定性验算公式如式(5)所示：

式(5)中，F_s为挡墙抗滑移稳定性系数；F_st为挡墙抗滑移稳定安全系数；

将公式(1)、(3)、(4)代入公式(5)，得到公式(6)：

求解公式(6)，得出卸荷平台短底边下端点至墙底平面的距离z的取值范围，取最大值作为求解结果。

2.根据权利要求1所述的基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，步骤S4所述根据z与l的几何关系，求得卸荷平台长度l，具体包括：

根据公式(7)计算卸荷平台长度l：

3.根据权利要求1所述的基于挡墙抗滑移性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，步骤S5所述对卸荷平台进行受力分析，通过材料容许抗拉强度验算，计算卸荷平台与挡墙连接处截面高度h，具体包括：

卸荷平台上部土体的重力，作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_w为：

卸荷平台所受侧向土压力分布形式为梯形分布，卸荷平台短底边上端点和下端点处侧向土压强e_a1、e_a2分别为：

e_a1＝γ(H-z-D)k_a (9)

e_a2＝γ(H-z)k_a (10)

卸荷平台短底边所受侧向土压力E_a′为：

E_a′＝γk_aD(H-z-D/2) (11)

设卸荷平台与挡墙连接处截面高度为未知数h，侧向土压力作用于卸荷平台与挡墙连接处截面的弯矩M_a为：

卸荷平台与挡墙连接处截面最大拉应力应满足下式要求：

式(13)中，W₀为卸荷平台与挡墙连接处截面抗弯模量，W₀＝h²/6；

将公式(8)、(11)、(12)代入公式(13)，得到公式(14)：

求解公式(14)解得未知数h的取值范围，取最小值作为计算结果；当计算得到的h＜D时，取h＝D；当计算得到的h＞D时，取h为最终结果。