公路挡土墙受力分析（精选3篇）
公路挡土墙受力分析 篇1
当前, 我国非常重视公路工程建设, 并将公路建设列为国家建设的重要组成部分, 但是山区公路工程存在巨大的质量安全隐患。研究表明, 挡墙倾倒和路面沉陷的主要原因是墙后土压力的长期作用和车载动压力, 因此越高的挡土墙, 越容易发生破坏。大多数山区公路根据当地实际情况会修筑相应的防护工程, 来提高路基边坡的抗冲刷能力;同时, 为了保证防护工程的基础稳定、牢固, 常常会在路基附近修筑挡土墙、护坦等防护工程。然而当这些防护工程发生失稳坍塌现象, 失去部分或者全部的防护功能时, 就会导致路面、路基毁坏。
最常见的防护工程毁坏有:1) 坡面防护工程 (如挡土墙) 的基础被水流淘空, 防护工程发生变形、开裂, 但未坍塌, 如图1 所示;2) 坡面防护工程 (如挡土墙) 倾倒, 失去防护作用, 使路基边坡受到水流直接冲击和冲刷, 从而造成路基路面的毁坏, 如图2所示;3) 坡脚防护 (如丁坝) 发生损坏, 失去了防护作用, 从而威胁边坡、挡土墙以及沿河路基的稳定性, 如图3 所示。
本文以某工程为例, 分析该路段路基挡土墙倾倒的原因, 以及对此做出的措施。
1 浸水挡土墙的适用条件
1) 在有溪流通过的有悬崖的地方, 不适合采用全挖路基, 因为其工程量很大还会挤压河床, 使得溪流的流向发生改变, 还会对农作物和建筑物造成伤害, 但是如果路段至在短时间内首席刘冲刷, 采用浸水挡土墙是比较合适的;2) 河湾长时间受到水流的冲刷时, 如果采用的是浸水挡土墙, 就可以使河湾的稳定性增强;3) 在水流湍急而且深度大、冲刷力强、水流的流向不确定且有较多的漂浮物、河岸危险的位置变化比较时, 可以在沿河路基被水流冲击的地方设置浸水挡土墙;4) 河流容许的流速不得小于5m/s但不能超过8m/s。
以下条件也可以设置挡土墙:1) 山坡上容易发生塌陷的土体;2) 沿河路基受到水流长期冲刷的地方;3) 需要对坡脚进行约束时;4) 尽量不占用或者少占用农田的时候等。
2 挡土墙倾倒原因
2.1 原有路基状况分析
2.1.1 工程地质条件
本项目调查段路基宽度为8.5 米, K81-K86 路段采用碎石土填筑, K86-K104 采用岩石填筑, K104-K115 路段采用砾石填筑。沿线路基路面使用状况良好, 部分路段路基存在路侧积水现象, 山区路段山体陡峭, 对于岩石松散地段存在落石危险, 防护工程设施不足。
2.1.2 填方路基结构
原有路基在临溪段一般采用挡土墙支挡, 局部采用了格宾石笼网防护, 对高边坡处基本保存了岩石的天然机理, 爆破开挖后不做防护, 只是后期养护中对个别边坡陡且有落石段采用主动防护网防护。
2.1.3 填方路基毁坏情况
既有防护形式使用良好, 仅局部路段挡墙挤裂并出现位移现象, 原路基排水措施较为缺乏, 局部路段既有排水设施堵塞、损坏情况较为严重。
2.2 破坏特征及原因分析
2.2.1 挡土墙变形破坏特征
挡土墙倾倒是指当墙顶的水平位移大于墙底时, 墙身发生了以转动为主的变形, 同时墙身产生了一些开裂现象。在强烈的变形区间内, 公路内侧路面的裂缝发育主要是锯齿状和圈弧状张拉下错裂缝, 而这些裂缝主要沿着填方路基和原来路基结合的地方向外延伸, 从而引造成了路面的不均匀沉降。
2.2.2 挡土墙倾倒原因分析
调查表明, 挡土墙倾倒的主要原因是受到路面长期的车辆荷载和墙后的土压力作用, 挡土墙的高度有一定的影响。
1) 本工程的该路段主要是半挖半填式路基, 边坡的路堤含有碎石块的土体在挡土墙后产生的主应力作用在挡墙之上, 通过推挤下边坡挡土墙使它产生相应的变形。在对填方路基进行施工时, 当挡土墙施工到一定高度后, 很容易导致边缘土体的压实度达不到要求。在填方路基比较高的地方, 如果土体的压实度不能满足施工要求, 使土体前期的固结压力小于自重应力与各种附加应力的总和, 在自重力的作用, 会产生沉降变形。当土体的压实度达不到要求时很可能使得填方路基发生侧向偏移。本工程在原来的挡土墙设计中, 因为没有准确的估算出侧向偏移量, 从而造成了挡土墙的倾倒和破裂。
2) 车辆荷载是一种长期的循环动荷载, 填方路基在长期的车辆荷载作用下, 周围的土颗粒的结构会发生一些显著变化。由于长期的压缩作用, 土颗粒的变形逐渐向路基两边扩散, 还会不断的补充压实填方路基, 从而使得挡土墙发生了沉陷的现象。
3) 挡土墙的倾倒会使路基沉陷更加严重, 甚至会导致路基的直接塌陷。当路基发生直接塌陷以后, 在车辆荷载的作用下, 填筑土经过不断的压实侧向偏移量也逐渐增大, 同时会使挡土墙倾倒进一步发展。
3 工程治理措施及对策
3.1 填方路基的设计原则
按照相关技术规范以及规程, 对公路沿线的各种自然条件进行全面的调查, 如水文状况、地质情况、气象灾害等, 还要收集好详细的设计资料。要严格的遵循防治结合, 经济, 安全, 可持续发展的设计原则, 并结合路基填土的开挖和填筑情况以及施工过程中需要注意的各种事项, 综合考虑路基, 给排水条件和需要采取的防护措施。施工过程采用机械方法, 并采用一些新的施工技术和施工工艺, 使用新型材料, 对路基水毁危害采取一些防护和治理的有效措施, 以确保路基的稳定性。对于路基、路面以及排水的设计原则主要考虑了以下几个方面:1) 坚持不破坏原则, 因为最好的保护就是可以不受到破坏, 还要和周围的环境协调一致;2) 路基的截面设计要灵活的使用断面型式, 为了尽量少的占用土地的面积, 可以降低路基的填挖高度;3) 加强老路的调查, 使扩建公路充分利用原有道路的一些有用资源;4) 施工过程采用机械方法, 并采用一些新的施工技术和施工工艺, 使用新型材料, 还要加强对周围环境的保护;5) 为了保证排水的通畅要综合考虑路基和涵洞设计的实际情况。
3.2 对策与措施
为了降低山区公路雨季带来的水毁损失, 可针对不同的地质条件和地形, 修建适合的防护设施, 对容易发生水毁的路段采取不同的工程措施, 或者对现有的防护设施进行完善和加固, 使山区公路减轻水毁带来的损失, 并保证公路和沿线设施均达到强度和稳定性等标准要求, 确保公路可以正常使用。1) 作为路基直接组成部分的边坡植物和挡土墙的防护等, 应该从增强坡面的抗冲刷能力入手, 要根据不同的实际情况, 选择最优的防护措施组合方式, 从而达到减小路基下边坡冲刷破坏的目的。2) 沿河路基的挡土墙倾倒, 一般是在洪水的冲刷作用下造成的, 因此其护脚工程在于提高坡脚的抗冲刷能力, 减轻对它造成的不利冲刷。主要的防护措施有沿水流方向布置的浸水挡土墙、防水林、护坦、抛石或堆石、石笼、排桩等。这些防护措施的使用条件与水流速度、河床质条件、及河流与路基的位置有关。本项目根据具体实际情况对填方路基的毁坏制定出以下对策。
3.2.1 填土高度
本项目新建路基填高应结合地形情况、构造物分布情况和分布密度、不良地质特殊性土分布情况以及老路的填土高度等具体情况确定。1) 路基标高首先要求满足洪水位控制要求, 根据施工过程的各项规范规定, 路基设计洪水频率为百分之一。沿河及受水浸淹的路基边缘标高不得小于路基设计水位的0.5m。2) 交叉、通道净高的限制。本项目全线县乡道、机耕道路、牧业通道分布较多, 分布密度较大, 由于地物及地形受限, 多处采用主线上跨, 增加了路基填土高度。桥台台后填土高度一般控制在5.0 米以内, 最大填土高度一般不大于10m。3) 项目所在区盐渍土分布较广, 多以弱、中硫酸盐和亚硫酸盐渍土为主。为防止硫酸盐盐渍土产生盐胀、溶陷等地质病害, 路基内应设置隔断层, 以防止毛细水上升, 隔断层置于路床之下, 并高出地表长期积水位或地面20cm以上。因此, 路基填土高度宜控制在1.66m (路面厚度0.66m+ 路床厚度0.8m+ 土工布隔断层0.2m) 以上。本项目为改扩建工程, 应结合老路路基高度, 一般路段新建路基填土高度宜控制在1.46m以上;盐渍土路段新建路基填土高度宜控制在1.66m以上;沿河段路基填土高度控制在设计水位0.5m以上;对于桥涵构造物分布密度较大的段落, 应以老桥涵的标高作为控制, 尽量降低路基高度, 以减少路基土石方, 并节省占地。
3.2.2 地基表层处理
填方路堤基底视地形、土质、地下水位、填方边坡高度等不同进行相应处理。1) 填方路基设计时, 路基填筑前应对原地表进行清理。地表耕植土层清除换填厚度按0.3m计算, 清表后进行填前夯实 (按0.1m计算压实下沉量) , 清表后地面压实度应≥90%, 达到压实要求后再填筑路基。如原地面潮湿, 应采取工程措施, 保证压实度。2) 为保证路基边缘部分的压实度, 路堤两侧填筑宽度各增加30cm, 碾压完毕进行削坡处理。3) 当地面横坡或沿路线纵向坡度陡于1∶5 时, 填路基前应将原地面挖成宽度不小于2m, 向内倾斜4%的台阶;当地面横坡陡于1∶2.5 时, 根据设计要求进行支挡或加筋处理。4) 路基施工过程中, 如果路堤的基底范围内地下水或者地表水影响路基稳定, 应采取拦截、引排等措施, 或者在路堤的底部填上不易风化的砂砾、片石或块石碎石等透水性材料。
3.2.3 填方路基边坡
一般填方路堤当填方边坡高度H≤8m时, 边坡率采用1∶1.5;当填方边坡高度8<H≤12m时, 上部8m采用1∶1.5, 8m以下采用1∶1.75, 分级处设置2m宽的边坡平台, 并设置4%的外倾横坡, 当填方路基设排水沟时, 坡脚设置1m宽护坡道, 护坡道设4%向外倾斜坡率。
4 结语
1) 挡土墙倾倒这类公路危害在山区公路中都有发生。一般在半挖半填的路基中容易发生挡墙倾倒, 主要是由于墙后土压力和车辆荷载的共同作用下所造成的。假如车辆荷载一定, 那么挡土墙越高, 墙后土体的力学性质就会产生越大的差异, 就越有可能发生挡土墙的倾倒。2) 在雨季应该特别注意发生变形挡土墙, 即使它并没有影响到公路的行车安全, 因为当雨水渗入到路面裂缝以及挡土墙和路基接触部分的裂缝时, 会改变填方路基中的土体容重以及饱和度, 从而使土体得有效应力发生改变, 导致挡墙倾倒以及路面不均匀沉降进一步发展。3) 在进行挡土墙的设计时要考虑填方路基产生的侧向偏移量, 在对路面填筑进行施工时要按照所需要的土体的压实度进行严格的填埋和夯实, 在施工后还应该加强巡查工作, 避免变形破坏得到进一步的发展。4) 对于治理挡土墙倾倒, 主要的方法应对其进行加固封填, 这需要依据变形的实际情况可采取注浆加固、锚杆、抗滑桩等措施。本项目采用路面封填的方法进行控制, 有效减轻了交通荷载对挡土墙的破坏。
摘要：目前, 公路已与人们的日常生活密不可分, 山区公路质量成为人们关注的问题。挡墙倾倒是山区公路填方路基中比较常见的公路危害。本文针对某工程该路段的变形特点, 对山区公路填方路基挡土墙倾倒原因进行分析并提出相应对策, 希望可以借此提高山区公路工程施工技术水平。
关键词：山区公路,挡土墙倾倒,原因,对策
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公路挡土墙受力分析 篇2
1.1材料的选择
浆砌片石挡土墙取材容易且施工便捷，所以适用于较多范围内，广泛应用在工程项目中。在山区公路中，存在丰富的石料资源，当挡土墙高度达到10m以上时，应做到因地制宜，运用砂浆片石实施砌筑操作，能够很好地满足经济安全方面的要求。
1.2选择截面形式
与挡土墙结构类型和特点分析相结合，当墙高<5m时，运用重力式挡土墙可以将形式简单、施工方便的优势得到充分发挥。同时由于山区公路地面存在陡峭的横坡，若运用倾斜式挡土墙，会使墙高得到过多增加，增大断面，导致浪费问题形成，对俯斜式挡土墙进行运用会较为经济合理。通常情况下，当处于路堑墙墙趾处地面平缓的路肩墙或路堤墙时，才考虑对仰斜式挡土墙进行运用。若墙高≥5m，且地基存在较好的条件时，应运用衡重式挡土墙，使截面得到有效减小，从而节省材料。
1.3选择位置
当挖方边坡相对陡峭时，应运用路堑挡土墙进行施工，能够使边坡高度得到降低，减少山坡开挖，从而避免产生因山体破坏引发的失衡问题。在不良地质条件状况下，还应对可能坍滑的山坡土体进行支挡。对于路肩挡土墙或路堤挡土墙的运用而言，应与具体条件相结合进行考虑，必要时还应开展技术经济对比，由于路堤挡土墙会承受较大的荷载，存在不利的受力条件且截面尺寸相对较大，因此在路堤墙和路肩墙的墙高或截面污工数量相对接近。若基础情况相类似，则运用路肩墙较为有利。
2抗滑挡土墙的设置原则
①在对抗滑挡土墙进行设置时，需要先分析滑坡的类型和大小，从而将抗滑挡土墙的布置方位进行确定。在公路工程施工中，若有中、小型滑坡出现，则可以通过在滑坡的前缘对抗滑挡土墙进行布置。
②当有中、小型滑坡产生，还相应有一部分较为稳定的岩层锁口存在时，应在岩层锁扣的位置对抗滑挡土墙进行设置。
③只对公路工程基础进行开挖的同时，也需要对抗滑挡土墙进行修建。在抗滑挡土墙布置的过程中，应在距离公路工程较近的建筑物上面进行施工。在与建筑物上面最近的位置布置抗滑挡土墙，主要是为了降低滑坡的下滑力，提升滑坡挡土墙的抗滑能力，对余地填土施工提供便利。
④当路堑边坡有滑坡产生时，需要有效分析当地的自然地质条件，从而对抗滑挡土墙的位置实施布设。当滑坡呈现完整岩层时，可运用上挡下护的施工方法进行操作。
公路挡土墙受力分析 篇3
对填料有粘性力时, 应考虑粘性力对土压力的影响。在挡土墙土压力计算中, 将粘聚力考虑到内摩擦角这一参数内, 按照砂性土的计算公式计算其土压力[2]。挡土墙的稳定性有抗滑稳定性和抗倾覆稳定性。
挡土墙的抗滑稳定系数Kc计算式:
式中:Kc-抗滑稳定系数;W-挡土墙重力;Ex, Ey-主动土压力的水平和垂直分量;f-基底摩擦系数。
挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数K0计算式:
式中:Zw-W对墙趾的力臂;Zx, Zy-Ex, Ey对墙趾的力臂。
从公式 (1) 、 (2) 、 (3) 可以看出, 对挡土墙结构稳定性影响, 除了挡土墙结构本身和地基外, 还有挡土墙墙背填土的物理参数。通过大量的工程实践, 挡土墙墙背填土对挡土墙结构稳定性的影响参数主要有:墙背填土容重、墙背填土内摩擦角和墙背与墙背填土摩擦角。由于各种因素的影响, 使这些填土参数发生变异, 与设计时采用的填土参数不合, 导致有的挡土墙不能达到其功能要求。
本文应用正交设计试验能考虑多种因素同时变化、计算量小和分析结果正确合理的特点, 对挡土墙墙背的填土参数可能出现的变异值, 进行正交设计试验计算, 可以得出每一参数变化时的对挡土墙稳定性的影响, 这与工程实际中挡土墙墙背填土参数有变异情况相符合。通过计算在参数变化情况向下挡土墙的抗滑稳定系数Kc和倾覆稳定系数K0, 采用综合评分法, 分别给予抗滑稳定系数Kc和倾覆稳定系数K0一个权值, 以计算的总分作为挡土墙稳定性指标, 以极差分析和方差分析的方法, 分析挡土墙稳定性对土的参数变化的敏感性。
1正交试验设计及其分析方法
1.1正交表
正交试验设计的主要工具是正交试验表。正交试验表是利用“均衡分散性“与”整齐可比性“这两条正交性原理, 从大量的试验点中挑选出适量具有代表性的试验点制成有规律排列的表格。
正交表有两条重要的性质[3]: (1) 每列中不同数字出现的次数是相等的。如L9 (43) , 每列中出现不同的数字是1, 2, 3, 它们各出现3次。 (2) 在任意两列中, 同一行的两个数字看成有序数对时, 每种数对出现的次数是相等的。由于正交表的这两个性质, 用它来安排实验时, 既能减少实验次数, 同时各因数的各种水平的搭配均衡这是正交表的优点。
1.2正交试验设计的分析方法
正交试验设计的分析方法有对实验结果的直观分析和方差分析。
1.2.1直观分析
对多指标直观分析的方法, 常用综合平衡法和综合评分的方法, 然后利用极差分析, 分析因素对试验指标的影响。 (1) 综合平衡法。综合平衡法就是先确定考察指标的重要性, 然后分别考察每个因素对重要指标的影响大小, 再综合考虑对其他次要指标影响大小基础上确定最重要的影响因素。 (2) 综合评分的方法。综合评分法是根据各个指标的重要性, 分别给每个考察指标一个权值。然后根据影响因素计算出利各个指标值的大小, 用每一个指标计算值与其权值的乘积之和作为评价分数, 以这个分数作为这个计算结果的总指标。利用极差确定对指标影响最大的因素。极差为同一列中, 各水平所对应的平均值中最大者减去最小者, 即:
式中:Rj-j水平的极差;kij-i因素在j水平时的平均值。
一般来说, 各列的极差是不同的, 说明了各因素的水平变化对试验指标的影响是不同的。极差越大, 说明这个因素水平改变对实验指标的影响越大。
直直观观分分析析法法的优点是直观、简单、易做、计算量少。
1.2.2方差分析
通过方差分析, 不仅可以确定不同因素、不同水平对试验指标影响的大小, 同时还可以消除试验误差带来的影响。
2计算示例
挡土墙结构的稳定性包括抗倾覆稳定性和抗滑移稳定性两个方面。通过大量的工程实践, 挡土墙墙背填土对挡土墙结构稳定性的影响参数主要有:墙背填土容重、墙背填土内摩擦角和墙背与墙背填土摩擦角, 且这3个参数服从正态分布。本文采用文献[3]中表1的参数 (见表1) , 对文献[1]中的挡土墙设计示例的衡重式挡土墙进行计算。在计算时, 除了给出的参数外, 其他参数是不变的。
在影响参数可能出现的变异值中, 分别取最小值、中间值和最大值组成3个水平, 具体数值如表2所示。
2.1正交试验表选择
这是一个3因素3水平的问题, 选择L9 (34) 作9次计算, 把表1中的3个因素依次放在表的前3列, 把各列的水平和该列相应因素的具体水平对应起来, 得出具体的实验表, 如表3所示。
2.2计算稳定性总分
按照正交试验表所列的方案, 利用纬地挡墙设计软件, 计算挡土墙的抗滑稳定系数Kc和倾覆稳定系数K0。计算结果如表2所示。
综合评分法是根据各个指标的重要性, 给每一个计算结果评出一个分数, 作为这个计算结果的总指标。对于抗滑稳定系数Kc和倾覆稳定系数K0对挡土墙的稳定性影响。考虑抗滑稳定系数Kc和倾覆稳定系数K0对挡土墙的稳定性的重要性, 分别用其安全系数的控制指标值作为其权值。即抗滑稳定系数Kc的权值为1.3, 倾覆稳定系数K0的权值为1.5。则这个权给出的每一个计算结果的总分为:
总分=11..33 KKÁÁÁ111...555 KKÁÁÁ ( ( (555) ) )
计算结果如表3所示。以综合评分法计算的总分作为挡土墙稳定性指标。
2.3正交试验结果分析
2.3.1极差计算分析。Kij, i表水平数, j表因素, K11表示A因素第一个水平下计算值总分之和;K23表示C因素第二个水平下计算值总分之和;K32表示B因素第三个水平下计算值总分。
kij为各水平计算值总分的平均值, 即kij=kij/3例如k11=k11/3=30.43/3=10.14, 其他值见表3。
由公式 (4) 计算得:R1=10.14-9.83=0.31, R2=7.74, R3=0.62。
由于各因素在不同水平下的差异大, 表明该因素对指标影响大, 则可按极差大小顺序排出因素主次、、。说明挡土墙墙背填土对挡土墙稳定性影响最大的是挡土墙墙后填土内摩擦角, 其次是挡土墙墙背与其墙后填土摩擦角, 挡土墙墙背填土容重
的影响最小。
2.3.2方差分析
极差分析为直观分析, 这种方法比较简单易懂, 只要对结果作少量计算, 便可得到填土参数变化对挡土墙稳定性影响程度, 但不能估计试验计算过程中必然存在的误差大小。也就是说不能区分某因素各水平所对应的差异到底是由因素水平不同所引起的, 还是试验所带来的误差。而方差分析刚好能弥补直观分析的不足。
(1) 方差分析计算
(2) 方差分析显著性检验
各因素的离差平方和的大小排列顺序为:>>, 与极差分析结果相同。由于计算挡土墙稳定性的指标越大越好, 从表4中F值与临界值的比较看出, 因数和因数的影响是不显著的, 参数的影响是高度显著的。
3结论
3.1本文通过正交试验的方法, 根据填土的变异系数安排挡土墙墙背填土参数。利用挡土墙计算软件计算挡土墙的抗滑移稳定系数和抗倾覆稳定性系数。通过综合评分法给其一个权值, 计算各参数的总分, 以这个总分作为挡土墙稳定性指标。
3.2利用极差分析方法对稳定性指标分析比较, 挡土墙墙背填土对挡土墙稳定性影响最大的是挡土墙墙后填土内摩擦角, 其次是挡土墙墙背与墙后填土摩擦角, 挡土墙墙背填土容重的影响最小。
3.3通过对稳定性指标方差分析, 挡土墙墙背填土的容重对挡土墙的稳定性影响非常小, 可以忽略不计;墙后填土内摩擦角对挡土墙的稳定性影响非常显著;墙背与墙后填土摩擦角对挡土墙的稳定性影响不显著, 但是不能忽略。在挡土墙设计和施工中, 应对这二者加以重视, 选择参数变异性小的填土, 使挡土墙的稳定性得到保证。
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