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基于车辆荷载重力式挡土墙设计与验算分析
摘要：针对公路路基挡土墙，考虑车辆荷载，进行挡土墙设计及验算，挡土墙土压力运用库仑土压力理论进行计算，车辆荷载简化为静力荷载，并换算为等代均布土层厚度参与到土压力计算中，设计的挡土墙进行抗滑移和抗倾覆稳定性验算，以确保工程的安全稳定性。
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在建筑工程中，在土坡上、下修建建筑物，为了防止发生滑坡和坍塌，常修建各种类型的挡土结构物加以支挡，其中挡土墙在世界各国的工业与民用建筑中应用非常广泛[1]。挡土墙的破坏在工程中时有发生，常见的破坏形式有滑移、墙身破裂、倾覆、不均匀沉降等[2]。为了防止挡土墙失稳事故的发生，在工程设计中需要对挡土墙进行稳定性验算，包括是否会产生倾覆以及滑动等[3]。公路路基挡土墙除了受到墙后填土土压力外还要受到车辆荷载产生的压力，因此在进行路基设计时需要充分考虑车辆荷载作用。目前，车辆荷载对公路挡土墙的作用尚没有统一的分析方法，直接简化为静力荷载是常用的处理方法[4,5,6,7,8,9]。
1、工程概况
本挡土墙为原有公路路基拓宽改造工程挡土墙。采用浆砌石材料建造重力式挡土墙，墙身高4.5m，墙顶宽为2.2m，背坡坡度1∶0.2，面坡坡度1∶0.05;墙址处设置一个扩展台阶，台阶宽度为0.3m，台阶高度为0.5m，结构如图1所示。本文考虑的基本荷载有填土侧压力、挡土墙结构重力、车辆荷载引起的土侧压力。取单位长度的挡墙受力条件对其抗滑、抗倾覆进行分析验算。
图1挡土墙结构图
2、荷载计算
公路为Ⅰ级公路，路基面总宽12.800m，安全距离0.500m，未设置路肩，车间距0.600m，单车车辆外侧车轮中心到车辆边缘距离0.350m，由此可得路面上横向可排列此种车辆5列，布置宽度B0=0.750m，分布长度L0=20.000m，布置宽度范围内车轮及轮重如表1所示。
表1车轮及轮重设计表
由此计算荷载值∑G=253.340kN，换算土柱高度h0=0.938m。
3、土压力计算
本工程挡土墙土压力计算首先假定墙后填土粘聚力C=0，挡土墙本身不发生压缩变形，滑动体为通过墙踵的楔形体，且处于极限平衡状态，滑动面位移平面。由此，该滑动楔形体在自身重力、挡土墙支撑力及滑动面上填土的反力的共同作用下处于静止平衡状态，据此可求出此时挡土墙所受土压力。土压力仅计算作用在墙背后的主动土压力，并遵循库仑定律，被动土压力在本工程中由于挡墙基础埋深很浅，所以忽略不计[10,11]。依据《公路桥涵设计通用规范》中对车辆荷载引起的土压力计算方法，把填土破坏棱体范围内的车辆荷载换算成等代均布土层厚度h0来计算，然后用库仑主动土压力计算公式，同时考虑路堤墙破裂面交于荷载内，则主动土压力按式(1)进行计算[8,9]。
其中:
根据资料，墙后填土重度γ=18.0kN/m3，内摩擦角φ=35°，墙背与填土间摩擦角δ=17.5°，挡土墙墙背设计为1∶0.2，填土面坡度设计为1∶1.75，可知α=11°，β=30°，则A=0.474,tanθ=0.912,K=0.251,K1=2.863，则Ea=130.967kPa,Eax=Eacos(α+δ)=115.096kPa,Eay=Easin(α+δ)=62.492kPa。
4、墙体自重计算
根据挡土墙形状并取单位厚度进行其自重W的计算，作用点在墙体重心上，方向竖直向下，浆砌石的重度为23kN/m3。按图2对墙体进行划分，则:
图2墙体划分
5、稳定性验算
挡土墙的基本尺寸初定之后，需要对其稳定性进行验算，主要包括抗倾覆稳定性和抗滑稳定性验算，若稳定性不满足要求，则需要重新调整设计尺寸。本工程稳定性验算采用常用的安全系数法。
5.1 抗滑稳定性验算
抗滑力与滑动力的比值为抗滑稳定安全系数Kc，并由式(2)确定。根据规范规定，当Kc≥1.3时满足抗滑稳定性要求。
其中，μ为基底摩擦系数。
本工程挡土墙基底摩擦系数0.45，滑移力158.273kN，抗滑力115.096kN,Kc=1.375>1.300，所以该挡土墙满足抗滑移要求。
5.2 抗倾覆稳定性验算
抗倾覆稳定性以墙趾点取力矩进行验算，抗倾覆力矩与倾覆力矩的比值为抗倾覆稳定安全系数Kt，并由式(3)确定。依据规范规定Kt≥1.5满足安全要求。
本工程相对于墙趾点，墙身重力W的力臂a=1.389m,Eay的力臂b=3.305m,Eax的力臂h=1.516m。则倾覆力矩608.145kN/m，抗倾覆力矩174.486kN/m，倾覆验算满足Kt=3.486>1.500，所以该挡土墙满足抗倾覆要求。
6、结语
开展了车辆荷载作用下公路路基重力式挡土墙设计及验算。
1)车辆荷载对挡土墙土压力的影响存在有效范围，在有效范围内，可将其简化为静力荷载并换算成等代均布土层厚度。
2)进行挡土墙抗滑移稳定性验算，滑移力158.273kN，抗滑力115.096kN,Kc=1.375>1.300，所以该挡土墙满足抗滑移要求。
3)进行挡土墙抗倾覆稳定性验算，倾覆力矩608.145kN/m，抗倾覆力矩174.486kN/m，倾覆验算满足Kt=3.486>1.500，所以挡土墙满足抗倾覆要求。
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基金:黑龙江省自然科学基金资助项目(QC2017035).
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