浅谈挡土墙的设计与施工

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　　　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2005年第2期6

砌块式挡土结构受力分析及其设计计算

赵明华　罗　宏　邹新军

(湖南大学岩土工程研究所　长沙市　410082)

提要　提出一种新型H型砌块挡土墙结构,对其结构体系及组成进行了概述。在此基础上,利用Marc大型有限元程序对砌块单元进行了受力分析,并对挡墙的整体设计计算及稳定性分析方法进行了探讨。分析结果与工程实用经验表明,该文所设计的H型砌块能充分利用材料的抗压性能,其具有施工速度快、排水性能良好、可承受一定的沉降量及沉降差等优点,可考虑批量生产,并予以推广应用。关键词　挡土墙　H型砌块　稳定性分析　设计施工

AnalysisandDesignofConcrete2blockResistingStructure

ZhaoMinghua　LuoHong　ZouXinjun

(InstituteofGeotechnicalEngineering,HunanUniversity)

Abstract　AnewtypeofretainingwallconstructedwithinterconnectedH2typeconcreteblockisproposedandthestructurecompositionofsuchawalltypeintroducedaswell.Then,thebehaviorofconcreteblockunitisanalyzedbyusingfiniteelementprogramMarc.Basedonthecharacteristicsofsingleconcreteblock,thecal2culationandstabilityanalysismethodsofthewallarediscussedandrelevantformulaeareprovided.Applica2tionandanalysisresultsofthiskindofwallstructureinengineeringexamplesindicatedthatH2typeblockre2tainingwallisworthpopularizinginpractice.BecauseofthefavorablecompressivepropertyofH2typeblockandotheradvantagesincludingproperdrainage,largeallowabledisplacementsordifferentialsettlementsandeaseconstructiontechniques.

Keywords　retainingwall;H2typeconcreteblock;stabilityanalysis;designandconstruction

1　引言

目前工程中常用的挡土墙主要有重力式、悬臂式、扶壁式、喷锚式、装配式等几种。对于挡土高度不高,墙后水质情况较复杂的情况,多采用重力式挡土结构,如毛石挡土墙、混凝土挡土墙等。该类挡土墙砌筑时一般需要较长工期,需设置专门的排水系统,同时还需考虑沉降以及伸缩的影响设置施工缝等,费时费工。

为此本文提出一种新型的H型砌块挡土墙,其由断面形状呈”H”形的砌块组成,砌块在墙后土压力的推动下相互紧密咬合,形成一个整体。与一般挡土墙相比,H型砌块挡土墙有如下特点[1]:砌块通过预制,成批量生产;砌块体积重量较小,制模方便,便于施工;不用砂浆而干垒,建造速度

作者简介:赵明华,男,1956年生,教授,博士生导师,主要从事桩基础及软土地基处理等研究。收稿日期:2004-10-09

快,施工时不需要额外的机具设备,安全、无噪音,环保;砌块之间会形成天然的缝隙和空洞,具有良好的排水系统;结构的松散特点能够使之承受一定的变形和沉降差;不需另设施工缝和沉降缝;立面美观,成本不高,可用于城市小区、园林、公路铁路边坡,小型边坡坍塌的抢修等;砌块本身造型独特,在所留缝中可以适当进行绿化,立面效果美观;同时,混凝土砌块具有极好的抗压强度,耐久性和多种色彩。因此这种新型挡土墙具有非常广阔的工程应用前景。

2　砌块挡土墙的结构体系及其组成

H型砌块挡土结构最早由黄添坤教授提出

并进行了一定的研究[1]。采用非连续变形法对砌块挡土墙与土体进行了研究,并与试验结果进行了对比,对砌块单元进行了有限元分析,认为H型砌块挡土墙各方面性能与一般重力式挡土墙相似,砌块受力安全合理。提出的砌块尺寸及重量都较大,

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断面呈规则的“H”形,尺寸多样,不便于施工及加工。为方便工程实际应用,本文提出一种断面尺寸较小,便于加工,总体上只有一种尺寸的H型砌块。其具体尺寸如图1所示。纵向长度为400mm,重量分别为63kg、34kg、29kg。

之间咬合紧密,协调工作;2)与墙后土比较,整体刚度较大,视为刚体。312　整体稳定性分析

H型砌块挡土墙的整体稳定性分析与重力式挡土墙相同,包括抗滑稳定系数Ks、抗倾覆稳定系数Kt、基础底部应力σ等的验算。取如图2所示的

ABCD截面为计算截面,等效的墙身重度取γ=

22kN/m3。需满足如下条件[6]:

Ks=

(Gn+Ean)μ

>113

Eat-Gt

(1)

Gn=Gcosα0Gn=Gsinα0Kt=

图1　H型砌块及填充块尺寸

Gx0+Eazxf>116

Eaxzf

(2)

砌块式挡土墙系统基本组成是:基础土壤、基础垫层、基础、混凝土砌块墙身、墙背土体、排水填料[2],如图2所示。

)Eax=Easin(α-δ)Eaz=Eacos(α-δxf=b-zcotαzf=z-bcotαe<

(3)

σmax=σmin

∑N

6e1±<112f

(4)

图2　砌块挡土墙断面及体系构成

3　设计计算方法

H型砌块挡土墙主要承受主动土压力,一般采

用竖直式、仰斜式。其设计计算与普通的重力式挡土墙一样需进行土压力、整体稳定性与材料抗剪强度计算。311　土压力计算

已有的研究结果表明,H型砌块的整体变形及墙后土压力与一般重力式挡土墙接近[1]。由于构成墙体的砌块之间具有一定的缝隙,经主动土压力挤压后才紧密,故有一定的位移,比较容易形成主动土压力极限状态,故可采用一般的土压力理论计算,如朗肯、库仑及广义库仑土压力理论计算。由于该挡

墙主要用于承受主动土压力的情况,因此建议采用库仑土压力公式进行计算[3～5]。

根据其本身的特点还作如下假设:1)H型砌块

　　式中:G为挡土墙每延米自重,α0为挡土墙基底的倾角,α为挡土墙墙背的倾角,δ为土对挡土墙墙背的摩擦角,μ为土对挡土墙基底的摩擦系数,z为土压力作用点离墙踵的高度,x0为挡土墙重心离墙趾的水平距离,e为基础偏心系数,b为基底的水平投影宽度。313　墙身材料抗剪强度验算

由于该砌块挡土墙采用干垒,断面上多处留有空洞,且砌块之间具有缝隙,只承受挤压和一定的摩擦,断面上承受剪力的面积大大减小,故需进行墙身材料抗剪强度验算。为保证安全,可利用下式进行验算:

2(5)V≤hfv

　　式中:V为受剪面处以上高度总的墙后土压力;fv为混凝土抗剪强度指标(表1);h为墙身断面实际受剪面的厚度。

表1　混凝土抗剪强度指标

MPa

砼强度等级C15C20C25C30C35C40C45C50C55C60设计值

1126117611821121362162182192196311

314　砌块挡土墙设计与施工

H型砌块挡土墙仍然属于重力式挡土墙的范

　　　　　　　　　　　　　　　　　　勘　察　科　学　技　术　　　　　　　　　　　2005年第2期8畴,在进行结构设计时,一般按重力式挡土墙采用经验截面尺寸进行试算,然后根据尺寸用砌块进行填充。试算时须注意:

1)挡土墙墙背一般采用直墙背形式;

2)墙顶一般为1～2个砌块,墙面坡度是根据砌块自上而下数目增加而自然形成的,一般呈现013:1的坡度,上下层砌块错缝垒放,类似砌筑砖墙;

3)基础埋深一般在015m以上。当抗滑稳定性不够时,可在墙底设置8°～12°左右的逆坡;为提高抗倾覆稳定性,也可将墙趾前伸,增大抗倾覆力矩;

4)对各层砌块进行分算,分算时将该层及以上砌块作为整体,建议尽量防止挡墙底部出现拉应力的情况。

砌块挡土墙由于其结构的松散性,整体性能不如一般的毛石重力挡土墙,墙身过高会导致挡墙整体性能和经济性能的下降,这种情况下应采用其它型式的墙型。一般将砌块挡土墙的高度控制在4～5m以内,且对于地震区要慎用。

文献[1]中的砌块体积庞大,直接将其置于地基上,同时砌块之间只是相互挤压而不嵌套,在墙底出现拉应力时可能在局部出现倾覆。为了保证本文所采取之挡土墙的整体稳定性,应浇筑基础,然后将砌块垒放在基础上。为了有一定的抗拉性能,采用了异型砌块,砌块上下肢内侧的斜面在土压力作用下产生摩擦力,有一定的抗拔能力。另外砌块中部的突起能起到纵向约束作用,使底层砌块在土压力作用下与上层砌块相互耦合,联合抗拔。最底层的砌块右下肢应预埋钢筋弯钩,在基础砌筑时使其与基础连接,这样在墙后土压力作用下,基础、砌块之间相互嵌套,挤压紧密形成整体。

用于制作砌块的混凝土采用C15或C20素混凝土,不需配钢筋,具体的受力分析在下文中有专门讨论。

图3　计算简图

单元,225个节点,将上部结构的重力以及墙后土压

力进行简化计算,将其施加于砌块面上,各面上的力如图4、表2所示,图5为砌块变形图,变形放大了4500倍,图6为砌块最小主应力云图,图7为砌块最大主应力云图,从图中可知:1)砌块单元最大的变形出现在砌块的左上肢,因为左上肢主要承受上层砌块传递过来的墙后土压力,同时其左边没有约束。中腹部由于承受较大的上部荷载,向下弯曲。2)最小主应力在砌块区域内全部受压,最大压应力为017157MPa,远小于容许压应力。3)最大主应力在砌块横截面区域内绝大部分承受压力,只在极少的部位出现拉应力,即左上肢腋下、左下肢外端部和中腹下部,其最大拉应力约0127MPa,处于左上肢腋下,应力出现集中,且受拉较明显,但最大拉应力小于材料的抗拉强度0191MPa[7],故砌块是安全可靠的。

4　砌块单元受力分析

虽然H型砌块挡土墙整体设计计算内容与一般的重力式挡土墙相同,但组成墙身的各砌块单元的受力机理与一般重力式挡土墙有较大的差别,文献[1]对其提出的砌块进行了有限元分析,取4m高墙型顶部的砌块,将其划分成12个8节点单元,共57个节点,其结果表明在很小的区域出现了远小于容许值的拉应力。本文采用有限元分析软件Marc对算例(如图3)中砌块进行受力分析。

如图4所示,取单个砌块作为分析对象,为简化,将其视为平面应变问题。现将砌块分成176个

图4　砌块受力分析模型表2　砌块表面荷载

荷载P

12345

N/mm2剪力

00-01014700

压力

0111501085801058701014230107

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墙身截面尺寸及砌块分布如图3所示。各项的计算

项目及结果如表3所示。

表3　计算结果

计算项目主动土压力系数Ka土压力作用点距墙趾zf重力作用点距墙趾水平距离x0

抗倾覆稳定性系数Kt

地基最大应力抗剪面积厚度h土压力Ea挡土墙自重G

结果

0124901947m0191m213>116

91198kPa<112f=240kPa

0136m29198kN/m71165kN/m1177>11301190

30214kN>总土压力29198kN

图5　砌块的变形

抗滑稳定性Ks

偏心距e地基最小应力

1-1截面抗剪能力V

6　结论

本文得出如下结论:

1)提出一种新型砌块挡土墙,并对其特点以及结构体系的组成进行了概述。

2)提出了该挡土墙的设计计算方法及要点,对砌块单元的受力进行了研究,计算结果表明,砌块单元主要承受压应力,充分发挥了材料的特性,并且安全可靠。

3)通过一个算例的计算分析,可知该挡土墙稳定安全系数、偏心计算、基底压应力、墙身材料强度等指标均满足要求,安全可靠。

4)该H型砌块挡土墙与一般的挡土墙相比有突出的特点,有一定的推广价值及良好的应用前景,可广泛用于实际工程。

参考文献

1　Tien2kuenHuang.MechanicalBehaviorofInterconnectedCon2crete2blockRetainingWall.JournalofGeotechnicalandGeoen2vironmentalEngineering,1997,(3)

2　甘立成.环境景观与水土保持工程手册.北京:中国建筑

图6　最小主应力云

图7　最大主应力云

工业出版社,2001

3　赵明华.土力学与基础工程.武汉:武汉工业大学出版

5　算例

某小区挡土墙,墙高3102m,墙后填土面水平,

且无超载。墙后填土为砂石土,重度γ=19kN/m3,内摩擦角φ=37°,地基承载力f=200kPa,基底摩擦系数为014,排水情况较好,不考虑地下水位的影响,砌块采用C15混凝土制作。

经试算,按照一般重力式挡土墙经验尺寸,拟定

社,2002

4　尉希成.支挡结构设计手册.北京:中国建筑工业出版

社,1995

5　顾慰慈.挡土墙土压力计算.北京:中国建材工业出版

社,2001

6　GB50007-2002　建筑地基基础设计规范7　GB50010-2002　混凝土结构设计规范

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