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水工挡土墙设计、计算及在工程应用中需注意的几个问题
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韩超李辉
摘要:简要介绍挡土墙在工程实际中设计、计算过程,并总结了在挡土墙计算及应用过程中需注意的几个问题。
关键词:水工;挡土墙;设计;计算;问题
1研究背景
改革开放以来,水利投资不断加大。随着投资不断加大,近年来修建了大量水工建筑物,这些水工建筑物为社会经济发展及保护人民群众生命财产安全发挥了巨大作用。在兴建的各种水工构筑物中,挡土墙在各种水利水电工程及各种渠系建筑物中有着广泛的应用,在其中大部分的水工构筑物设计中,都会遇到有关挡土墙的设计内容。下面将水工挡土墙计算及在各种水工建筑物中实际应用经验总结如下。
水工挡土墙有多种形式。其中主要和常用的结构形式有重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶臂式、板桩式和空箱式等。其中,在水工建筑物中应用最为广泛的为重力式、悬臂式和扶臂式。
重力式挡土墙以墙体本身重量平衡外力以满足稳定的要求,大多采用混凝土和浆砌石建造。重力式挡土墙由于体积、重量较大,在地基上往往由于受地基承载力限制,不宜太高,一般高度以6m以下较为经济。由于重力式挡土墙多就地取材、施工方便、构造简单、造价相对较低,故在中、小型水工建筑物或一些不宜修建混凝土部位广泛应用。悬臂式挡土墙由断面较小的立墙身和底板(前趾板和踵板)组成,属于轻型钢筋混凝土结构。其稳定性主要靠踵板上填土重来保证。悬臂式挡土墙可以在较高范围内应用。一般8米以下高度范围内应用较多。扶臂式挡土墙由墙面板、底板(前趾板和踵板)和扶臂三部分组成,属轻型钢筋混凝土结构。其稳定性主要靠踵板以上填土重来保证。高度大于10m的挡土墙多采用这种形式。扶臂式挡土墙一般在大型水利水电工程中有较广泛的应用。
2挡土墙设计的基本内容
2.1挡土墙的稳定性验算
挡土墙的稳定性验算包括以下内容:(1)抗滑稳定性验算。(2)抗倾稳定性验算。(3)地基应力验算和应力大小比、偏心距控制。
2.2挡土墙的结构设计
对混凝土、浆砌石挡土墙进行截面的压应力、拉应力及剪应力验算,对钢筋混凝土挡土墙各部分结构进行强度和配筋的计算。
2.3挡土墙的细部构造
挡土墙细部构造主要包括挡墙合理分缝及止水、排水设计等。
3挡土墙设计基本步骤
以前挡土墙稳定计算均采用手工计算,其基本步骤为:首先初步拟定断面尺寸,根据挡土墙断面尺寸及水位、填土和地基强度指标等相关条件,参考已有工程建设经验,初拟出断面轮廓尺寸及各部分的结构尺寸;根据正常运用、设计、校核、施工及建成等各种情况分别进行相应外荷载计算,然后列表求出各种荷载组合情况下的水平力、垂直力及对前趾端点产生的力矩;挡土墙稳定性验算,根据上述计算结果,对各种设计情况分别进行抗滑、抗倾稳定和地基应力的验算,要求稳定安全系数、地基应力满足相关规范要求;如不满足上述要求,应改变断面轮廓尺寸或采用增加稳定措施,重新进行稳定验算,直到满足要求为止;选择出最不利设计和荷载组合情况对各截面强度进行验算或配筋计算;最后进行相应的细部构造设计。
4计算实例
由于篇幅所限,文章仅以悬臂式钢筋混凝土挡土墙在工程实际中稳定计算及应用举例说明。某堤防工程,防洪标准为50年一遇,工程等别为Ⅱ等,主要建筑物级别为2级。沿河两侧修建钢筋混凝土悬臂式挡土墙,墙身结构尺寸见表1。
挡土墙计算已知条件:墙后填土水平,中等密实粘土地基,回填砂砾土,地基容许承载力[R]=180KN/m2,容许应力大小比[η]=2.5,基地摩擦系数f=0.4,抗滑稳定系数KC≥[KC]=1.3,抗倾稳定系数K0≥[K0]=1.5,其他计算参数见挡土墙计算参数表(表2)。
挡土墙稳定计算公式与整体稳定计算公式相同,采用理正计算机软件计算。采用软件计算具有修改简便、计算效率高、可采用多种工程措施、多种情况设计等多项优点,并且可针对多种挡土墙形式进行计算,可涵盖大多数现阶段在工程中应用的挡土墙计算。荷载组合见表3。
其中
(1)土压力采用库伦土压力公式计算。
计算公式:
(2)抗倾覆稳定计算公式:
式中:K0-挡土墙抗倾覆稳定安全系数;∑My-对挡土墙基地前趾的抗倾覆力矩(KN/m);∑Mh-对挡土墙基底前趾的倾覆力矩(KN/m)。
(3)抗滑稳定计算公式:
KC-挡土墙沿基底面的抗滑稳定安全系数;f-挡土墙基底面与地基之间的摩擦系数,取0.4。
(4)挡土墙基地应力计算:
Pmax/min-挡墙基底应力最大值或最小值;∑G-作用在挡土墙上的全部垂直于基底面的荷载(KN);∑M-作用在挡土墙上全部荷载对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的力矩之和(KN/m);A-挡墙基底面的面积(m2);W-挡墙基底面对于基底面平行前墙墙面方向形心轴的截面积矩(m3)。
(5)地基应力不均匀系数。
Pmax-挡土墙基底应力的最大值;Pmin-挡土墙基
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