CN115288188A - 一种基于挡墙抗倾覆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倾覆性能的卸荷平台设计方法，属于岩土设计领域。所述设计方法首先获得填土重度和内摩擦角，计算未设置卸荷平台时挡墙的抗倾覆稳定性，得到需要卸荷平台平衡掉的剩余倾覆力矩；将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，考虑卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度，从而完成卸荷平台的尺寸设计。本发明所设计的卸荷平台有效地提高了挡墙抗倾覆性能，同时为后续施工节约了资源。

Description

一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法

技术领域

本发明属于岩土设计领域，具体涉及一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法。

背景技术

挡墙即挡土墙，是支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。对于抗倾覆稳定性不足的挡墙设置卸荷平台，不仅可以有效较少墙背承担的土压力，还可以为挡墙提供额外抗倾覆稳定性。

现有技术中，相关规范、标准中并没有卸荷挡墙的设计方法，在设计挡墙的卸荷平台时，一般由设计人员根据经验估计平台相关参数，对设计人员要求较高；同时无法根据卸荷土压力等参数精确计算卸荷平台尺寸，无法保证卸荷平台的效果，同时对施工来说无法进行有效地预算，造成资源浪费。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明实施例提供了一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，根据挡墙需要卸荷平台平衡掉的倾覆力矩，精确计算卸荷平台尺寸，满足挡墙抗倾覆要求，有效保证卸荷平台对挡墙抗倾覆稳定性的支撑，同时为平台施工提供可靠参数。

为了实现上述目的，本发明实施例采用如下技术方案：

一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过第一力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，分别计算卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过第二力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度。

作为本发明的一个优选实施例，所述基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法包括如下步骤：

通过试验获得填土重度γ和内摩擦角

计算未设置卸荷平台时挡墙的剩余倾覆力矩M；

将卸荷平台设计为直角梯形，直角梯形上底与下底沿竖直方向，其中上底与填土接触，上底长度为卸荷平台厚度h₁；直角梯形下底与挡墙接触，下底长度为卸荷平台与挡墙接触面长度h；垂直于底边的腰在上，长度为卸荷平台挑出长度l；其中l和h为待确定的未知数；

确定卸荷平台在挡墙背面设置的位置，卸荷平台与墙顶的竖直距离为z；

建立基于挡墙墙趾的第一力矩平衡关系式，得到平衡式(7)：

式(7)中，K_a为主动土压力系数，

H为挡墙高度，B为挡墙墙底宽度；

通过迭代方式求解式(7)，求解得到卸荷平台挑出长度l；

建立基于直角梯形底边中点的第二力矩平衡关系式，得到平衡式(11)：

式(11)中，[σ_拉]为卸荷平台材料容许抗拉强度值；

通过迭代方式求解式(11)，求解得到h；当计算得到的h<h₁时，取h＝h₁；最后求得卸荷平台与挡墙接触面长度h。

作为本发明的一个优选实施例，所述建立基于挡墙墙趾的第一力矩平衡关系式，得到平衡式(7)，过程如下：

计算卸荷平台卸载掉的主动土压力合力ΔE_a1，公式如式(1)所示：

ΔE_a1到挡墙墙趾的力臂l₁如式(2)所示：

计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩M₁，公式如式(3)所示：

计算卸荷平台本身承受的上部土压力重力W，公式如式(4)所示：

W＝γ(z-h₁)l (4)

W到挡墙墙趾的力矩M₂如式(5)所示：

建立挡墙墙趾的力矩平衡关系式(6)：

M-M₁＝M₂ (6)

将公式(3)和公式(5)带入公式(6)得到未知数l的计算公式(7)。

作为本发明的一个优选实施例，所述建立基于直角梯形底边中点的第二力矩平衡关系式，得到平衡式(11)，过程如下：

作为卸荷平台的直角梯形，计算上底所受土压力合力E_a上底，公式如式(8)所示：

E_a上底到直角梯形底边中点的力臂l_上底如式(9)所示：

建立直角梯形底边中点的力矩平衡关系式(10)：

将式(4)、式(8)和式(9)带入式(10)得到未知数h的计算公式(11)。

作为本发明的一个优选实施例，卸荷平台厚度h₁取值范围为10-50cm。

本发明实施例具有如下有益效果：

所提供的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，首先将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，考虑卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度，从而完成卸荷平台设计。本发明基于挡墙所需要平衡掉的倾覆力矩来对卸荷平台进行尺寸设计，所设计的卸荷平台有效地提高了挡墙抗倾覆性能，同时为后续施工节约了资源。

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为本发明实施例中基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法流程图；

图2为本发明实施例中挡墙及卸荷平台的几何尺寸标注图；

图3为本发明实施例中某工程挡墙及所设计的卸荷平台几何尺寸图。

具体实施方式

下面结合附图及具体的实施例对本发明进行进一步介绍。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，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明实施例提供了一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，首先将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，分别计算卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度，以此来完成卸荷平台的尺寸设计。本发明实施例所提供的设计方法基于挡墙所需要平衡掉的倾覆力矩来对卸荷平台进行尺寸设计，所设计的卸荷平台能够有效提高挡墙抗倾覆性能，同时为后续施工节约资源。

参见图1，本发明实施例所提供的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，包括如下步骤：

步骤S1，通过试验获得填土重度γ和内摩擦角

计算未设置卸荷平台时挡墙的剩余倾覆力矩M。

本步骤中，所计算的挡墙的剩余倾覆力矩M，是考察挡墙的抗倾覆稳定性，并将此作为需要卸荷平台平衡掉的倾覆力矩M。计算过程为现有技术中，在此不再赘述。

步骤S2，将卸荷平台设计为直角梯形，直角梯形上底与下底沿竖直方向，其中上底与填土接触，上底长度为卸荷平台厚度h₁；直角梯形下底与挡墙接触，下底长度为卸荷平台与挡墙接触面长度h；垂直于底边的腰在上，长度为卸荷平台挑出长度l；其中l和h为待确定的未知数。其中，平台厚度h₁根据经验或挡墙实际参数进行选取，通常取值10-50cm。

步骤S3，确定卸荷平台在挡墙背面设置的位置，如图2所示，卸荷平台与墙顶的竖直距离为z；计算卸荷平台卸载掉的主动土压力合力ΔE_a1，公式如式(1)所示：

式(1)中，K_a为主动土压力系数，

ΔE_a1到挡墙墙趾的力臂l₁如式(2)所示：

式(2)中，H为挡墙高度。

计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩M₁，公式如式(3)所示：

步骤S4，计算卸荷平台本身承受的上部土压力重力W，公式如式(4)所示：

W＝γ(z-h₁)l (4)

W到挡墙墙趾的力矩M₂如式(5)所示：

式(5)中，B为挡墙墙底宽度。

步骤S5，建立挡墙墙趾的力矩平衡关系式(6)：

M-M₁＝M₂ (6)

将公式(3)和公式(5)带入公式(6)得到未知数l的计算公式如式(7)所示：

通过迭代方式求解式(7)，求解得到卸荷平台挑出长度l。

步骤S6，作为卸荷平台的直角梯形，计算上底所受土压力合力E_a上底，公式如式(8)所示：

E_a上底到直角梯形底边中点的力臂l_上底如式(9)所示：

建立直角梯形底边中点的力矩平衡关系式(10)：

式(10)中，[σ_拉]为卸荷平台材料容许抗拉强度值，由材料性质决定。

将式(4)、式(8)和式(9)带入式(10)得到未知数h的计算公式如式(11)所示：

通过迭代方式求解式(11)，求解得到h；当计算得到的h<h₁时，取h＝h₁；最后求得卸荷平台与挡墙接触面长度h。

下面以具体的设计实例为例，对本发明作进一步详细的说明。以下所述示范性实施例仅用于解释本发明，而不能解释为对本发明的限制。

某工程有挡墙，尺寸如图3所示，挡墙背面垂直高度H为5m，墙底宽度B为2m，墙顶宽度1m，挡墙重度为20kN/m³，填土重度γ＝20kN/m³，内摩擦角

抗倾覆安全系数为1.6，挡墙重为150kN/m，根据抗倾覆稳定性计算，得到剩余倾覆力矩M＝89.5kN·m，K_a＝0.49，如下式所示：

卸荷平台h₁＝0.2m，将卸荷平台设置在z＝2.5m处，将各参数代入式(7)得到：

通过迭代方式计算卸荷平台挑出长度数l＝0.62m。

卸荷平台h₁＝0.2m，卸荷平台材料容许抗拉强度值[σ_拉]＝1000kPa，将各参数代入式(11)得到：

通过迭代方式计算卸荷平台与挡墙接触面长度h＝0.23m。

如图3所示，所设计的卸荷平台呈直角梯形的卸荷平台，直角梯形上底与下底沿竖直方向，其中上底与填土接触，上底长度为卸荷平台厚度h₁＝0.2m；直角梯形下底与挡墙接触，下底长度为卸荷平台与挡墙接触面长度h＝0.23m；垂直于底边的腰在上，长度为卸荷平台挑出长度l＝0.62m。

由以上技术方案可以看出，本发明实施例所提供的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，首先将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，考虑卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度，从而设计卸荷平台尺寸。本发明基于挡墙所需要平衡掉的倾覆力矩来对卸荷平台进行尺寸设计，所设计的卸荷平台有效地提高了挡墙抗倾覆性能，同时为后续施工节约了资源。

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 (5)

1.一种基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，将卸荷平台挑出长度作为未知数，分别计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩和卸荷平台上部土重提供的抗倾覆力矩，通过第一力矩平衡求解出卸荷平台挑出长度；之后将卸荷平台与挡墙接触面长度作为未知数，分别计算卸荷平台上部土重和侧面土压力提供的力矩，通过第二力矩平衡计算出卸荷平台与挡墙接触面长度。

2.根据权利要求1所述的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过试验获得填土重度γ和内摩擦角

计算未设置卸荷平台时挡墙的剩余倾覆力矩M；

将卸荷平台设计为直角梯形，直角梯形上底与下底沿竖直方向，其中上底与填土接触，上底长度为卸荷平台厚度h₁；直角梯形下底与挡墙接触，下底长度为卸荷平台与挡墙接触面长度h；垂直于底边的腰在上，长度为卸荷平台挑出长度l；其中l和h为待确定的未知数；

确定卸荷平台在挡墙背面设置的位置，卸荷平台与墙顶的竖直距离为z；

建立基于挡墙墙趾的第一力矩平衡关系式，得到平衡式(7)：

式(7)中，K_a为主动土压力系数，

H为挡墙高度，B为挡墙墙底宽度；

通过迭代方式求解式(7)，求解得到卸荷平台挑出长度l；

建立基于直角梯形底边中点的第二力矩平衡关系式，得到平衡式(11)：

式(11)中，[σ_拉]为卸荷平台材料容许抗拉强度值；

通过迭代方式求解式(11)，求解得到h；当计算得到的h<h₁时，取h＝h₁；最后求得卸荷平台与挡墙接触面长度h。

3.根据权利要求2所述的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，所述建立基于挡墙墙趾的第一力矩平衡关系式，得到平衡式(7)，过程如下：

计算卸荷平台卸载掉的主动土压力合力ΔE_a1，计算公式如式(1)所示：

ΔE_a1到挡墙墙趾的力臂l₁如式(2)所示：

计算卸荷平台卸载掉的倾覆力矩M₁，计算公式如式(3)所示：

计算卸荷平台本身承受的上部土压力重力W，公式如式(4)所示：

W＝γ(z-h₁)l (4)

W到挡墙墙趾的力矩M₂如式(5)所示：

建立挡墙墙趾的力矩平衡关系式(6)：

M-M₁＝M₂ (6)

将公式(3)和公式(5)带入公式(6)得到未知数l的计算公式(7)。

4.根据权利要求2或3所述的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，所述建立基于直角梯形底边中点的第二力矩平衡关系式，得到平衡式(11)，过程如下：

作为卸荷平台的直角梯形，计算上底所受土压力合力E_a上底，公式如式(8)所示：

E_a上底到直角梯形底边中点的力臂l_上底如式(9)所示：

建立直角梯形底边中点的力矩平衡关系式(10)：

将式(4)、式(8)和式(9)带入式(10)得到未知数h的计算公式(11)。

5.根据权利要求2或3所述的基于挡墙抗倾覆性能的卸荷平台设计方法，其特征在于，卸荷平台厚度h₁取值范围为10-50cm。

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