毛石挡土墙受力计算与分析及其防治建议.docx

毛石挡土墙受力计算与分析及其防治建 议摘要： 为研究公路工程中毛石挡土墙的稳定性及破坏机理，本文以广州市东 北部山区某公路毛石挡土墙在暴雨后的坍塌事故为案例，展开计算和分析。本文 结合工程剖面和地质情况，对该边坡挡土墙的整体抗倾覆、墙身抗弯、墙身抗剪 进行计算与分析，并进一步结合现场分析该工程的破坏机理。计算结果表明：该 挡土墙在暴雨的工况下容易发生整体的抗倾覆破坏，挡土墙墙身中下部位容易发 生受弯破坏和剪切破坏。现场勘察揭露的破坏痕迹表明，本文分析的破坏机理与 现场实况相符。最后，结合本文的计算和分析结果，从降低主动侧水土压力影响 和增强抗载能力两方面提供了该型挡土墙的建议防治措施。关键词： 毛石挡土墙，边坡，稳定性，暴雨，破坏Abstract: In order to study the stability and destruction mechanism of the rough stone retaining wall in highway engineering, this paper calculates and analyzes the collapse accident of the rough stone retaining wall of a highway in the mountainous area of northeast Guangzhou after heavy rain. In this paper, the overall anti- overturning, wall bending and shear resistance of the slope retaining wall will be calculated and analyzed in combination with the engineering profile and geological conditions. Further, the destruction mechanism of the project is analyzed in combination with the site. The calculation results show that the retaining wall is prone to overall anti-overturning damage under the working conditions of heavy rain, and the middle and lower parts of the retaining wall are prone to bending damage and shear damage. The damage traces revealed by the site investigation show that the damage mechanismanalyzed in this paper is consistent with the actual situation at the site. Finally, combined with the calculation and analysis in this paper, the recommended prevention and control measures for this type of retaining wall are provided from the aspects of reducing the impact of water and soil pressure on the active side and enhancing the load resistance capacity.Keywords: Rough stone retaining wall, slope, stability, heavy rain, destruction0 引言在山区开展公路等交通基础设施建设，不可避免地要处置不稳定的山岭边坡， 进而保障公路的建设、运营安全。为此，需要针对不同的地质情况和地形地貌， 采取对应的支护结构和形式，保证边坡在运营阶段各种荷载组合下的稳定性。郑志山等1对公路边坡挡土墙的安全风险分析方法开展了研究，提出了评 判公路边坡挡土墙稳定性的指标和方法体系，为边坡的风险管控提供参考。闫东 彪2对扶壁式路肩挡土墙与衡重式路肩挡土墙两种常见的公路路基挡土墙的设 计施工方法开展了系统分析，为两种形式的绿色施工和稳定性保障提供参考。陈 跃起3对重力式挡土墙的破坏机理展开研究，为相关工程建设提供参考。在公 路工程实践中，片石挡土墙广泛用于公路边坡的围护中4分学者对改型挡土墙 开展了优化，推出了生态片石挡土墙5。除片石挡土墙外，毛石挡土墙是重力 式挡土墙的一种常见形式，以一定规格尺寸的毛石为砌筑原材料，通过水泥砂浆 等胶结体的粘结作用形成毛石砌体墙。其主要作用原理为通过墙体的大自重产生 的自稳性抵抗边坡土产生的土压力，以达到对边坡土体进行支护的目的。其具有 造价低、取材易、施工工艺简单等优势，常见于山区公路边坡支护。由于应用广 泛，大量学者6-7结合工程实践经验，对毛石挡土墙的设计、施工等开展全面 研究，并对倒塌事故展开了详细分析8。大量分析和工程经验表明，毛石挡土 墙有抗拉、抗弯、抗剪承载力低和排水能力差等弱点，尤其是随着时间的推移， 雨水冲刷和自然腐蚀作用下，砌块间粘结力降低，更削弱了其抵抗土压力作用能力。近年来，因毛石挡土墙支护能力不足导致的边坡地质灾害的案例频发，已引 起土木工程师们的关注。为系统分析毛石挡土墙的优缺点，本文将结合华南地区的地质特点对该型挡 土墙的破坏形式进行分析。本文中，以广州市东北部山区某公路边坡毛石挡土墙 在暴雨工况下坍塌的事故为案例，基于挡土墙破坏机理和朗肯土压力理论，对毛 石挡土墙的受力进行理论计算与分析，并结合现场实际情况分析其破坏形式和特 征，以及对该型挡土墙的建造提出优化改进建议，为类似工程提供经验参考。1 挡土墙破坏机理和朗肯土压力理论1.1 挡土墙破坏机理挡土墙常见破坏形态有整体倾覆破坏、整体滑移破坏、墙身受弯破坏、墙身 剪切破坏。本案中未见有墙体的整体滑移。其破坏机理如下：整体倾覆破坏：挡土墙背坡侧受土体主动土压力作用并对墙脚产生主动弯矩， 作用方向向外(背坡为向外，面坡为向内，下同)，墙体自重和墙外侧土体被动 土压力对墙脚产生抵抗弯矩，作用方向向内。若主动弯矩大于抵抗弯矩，则产生 倾覆破坏。暴雨作用或在地下水位下还需考虑水的作用，以下同理。整体滑移破坏：挡土墙背坡侧主动土压力对墙体有推动作用，墙体主要由地 基土摩阻力和外侧土被动土压力进行抵抗，若主动土压力大于抵抗力，则产生滑 移破坏。墙身受弯破坏：墙身任意高度位置受到墙背土的主动土压力作用产生的弯矩， 当弯矩较小时墙体自重作用的弯矩可以抵消掉，但主动土压力作用的弯矩足够大 时，墙体自重弯矩只能抵消掉一部分，剩余部分则由墙截面承担。弯矩较大时， 使墙截面内侧产生拉应力，外侧产生压应力，当拉应力大于截面抗拉承载力或压 应力大于截面抗压承载力时，墙体受弯破坏。墙身剪切破坏：挡土墙某截面以上背侧土的主动土压力产生推力，使截面处 受剪切作用，完全由墙身截面承担，当主动土压力产生的剪切力大于墙身抗剪承 载力，则产生剪切破坏。1.2 朗肯土压力理论无论进行何种破坏验算，均要进行土压力计算。朗肯土压力理论是广泛应用 于挡土墙工程中土压力计算的经典理论9。其假设墙背光滑，则墙背与土的接 触面满足剪应力为零的边界应力条件，以及产生主动或被动朗肯状态的边界变形 条件，根据半空间和土单元的极限平衡条件得出的土压力计算理论。挡土墙接触 面某点的主动土压力和被动土压力按式 1 计算。其中土压力不能为拉力，故当计 算土压力强度为负数时，强度取零。式 1：Ka=tan2 (45- /2)a=(z+q)tan2 (45- /2)-2ctan(45- /2)E =(1/2)( + )za a0 azKp=tan2 (45+/2)p=(z+q)tan2 (45+/2)+2ctan(45+/2)E =(1/2)( + )zp p0 pz式中：K ：主动土压力系数a ：主动土压力强度aE ：主动土压力aK ：被动土压力系数pp ：被动土压力强度E ：被动土压力p ：土层顶面主动土压力强度a0 ：计算深度处主动土压力强度az ：土层顶面被动土压力强度p0pz ：计算深度处被动土压力强度：土重度z：计算深度：土内摩擦角c：土粘聚力挡土墙两侧土体若在地下水位或在长期暴雨状态下，需考虑水的整体作用， 进行水土分算。土的计算重度取浮重度，即 =。其中浮重度可由饱和重度 按式 2 计算取得。式 2：= - 10sat式中：浮重度sat ：饱和重度水对挡土墙的侧压力则根据深度计算，见式 3。式 3： = zw w wP =(1/2)w w式中： ：水压力强度wP ：水压力w ：水重度wZ ：水下深度w2 工程案例计算与分析基于挡土墙破坏机理和朗肯土压力理论，以广州市东北部山区公路边坡毛石 挡土墙在暴雨工况下坍塌的事故为案例，进行理论计算和原因分析。本次案例中未见有挡土墙整体滑移的痕迹，故不进行挡土墙整体抗滑移计算。 仅针对挡土墙整体抗倾覆、墙身抗弯、墙身抗剪进行计算与分析。2.1 工程概况边坡地质灾害发生位置为路堑边坡，原始边坡较为陡峭，坡高在 30m 以上， 自然坡度约为 1:0.5。经岩土工程勘探，揭露坡脚以下 8m 至坡顶主要为砂质粘性 土，勘探未见地下水位，土体饱和度接近 85%，其余工程特性指标如表 1 所示。表 1 土层基本物理参数层土态状天然 重度 (kN/ m3)饱 和度 Sr(%)粘 聚力 c(k Pa)内 摩擦 角 ()砂硬质粘塑性土818.75 .12719.2因公路建设需要，对边坡进行削坡，并使用毛石挡土墙进行支护。毛石挡土 墙高 8m，宽 1.8m，坡度为 1:0.25，墙脚设高 0.8m、宽 0.5m 墙趾，具体截面尺 寸如图 1 所示。墙身选用强度 MU30、厚度不小于 15cm 的毛石，采用 M7.5 砂浆砌 筑，墙体整体密度约为 2000kg/m2。图 1 挡土墙截面示意图2.2 挡土墙整体抗倾覆计算与分析取挡土墙横向每 1m 作为计算长度，综合考虑挡土墙顶层山坡高度、 坡度和天然重度，取挡土墙背坡侧墙顶附加计算荷载为 90kPa。此外，因土体饱 和度较高，可取其自然重度作为饱和重度计算土压力(下同)。通过计算墙背侧土的主动土压力和水的侧压力并对挡土墙墙趾点取矩，按式 4 计算倾覆弯矩；以及墙面侧土的被动土压力、水的侧压力以及墙体自重对挡土 墙墙趾点取矩，按式 5 计算抗倾覆弯矩。通过二者对比分析挡土墙的抗倾覆稳定 性10。式 4：M =E Z +P Za a a w,a w,a式中：Ma ：倾覆弯矩Ea ：主动土压力Za ：主动土压力到倾覆计算点的投影距离Pw,a ：主动侧水压力Zw,a ：主动侧水压力到倾覆计算点的投影距离式 5：M =E Z +P Z +WZp p p w,p w,p式中：Mp ：抗倾覆弯矩Ep ：被动土压力Zp ：被动土压力到倾覆计算点的投影距离Pw,p ：被动侧水压力Zw,p ：被动侧水压力到倾覆计算点的投影距离W：挡土墙自重Z：挡土墙自重力到倾覆计算点的投影距离计算得挡土墙倾覆弯矩约为 790kPa m。计算得挡土墙抗倾覆弯矩约为 810kPa m。从计算结果可看出，倾覆弯矩仅略大于抗倾覆弯矩，挡土墙抗倾覆稳定性不 足。2.3 挡土墙墙身抗弯计算与分析取墙身某截面中点计算该处所受主动土压力和水侧压力产生的弯矩及挡土墙 自重产生的抵抗弯矩，通过偏心受弯公式按式 6 计算墙截面最大及最小正应力 11。式 6：M=E Z +P Z +WZa a w,a w,a =W/B+6M/(B )max 2 =W/B-6M/(B )min 2式中：M： 总弯矩Ea ：主动土压力Za ：主动土压力到倾覆计算点的投影距离Pw,a ：主动侧水压力Zw,a ：主动侧水压力到倾覆计算点的投影距离W：挡土墙自重Z：挡土墙自重力到倾覆计算点的投影距离B：挡土墙厚度max ：截面最大应力min ：截面最小应力(若为负值即为最大拉应力)通过计算得出挡土墙墙顶以下深度约 5m，即墙高 3m 位置，挡土墙截面所受 最大压应力 330kPa，最大拉应力为 130kPa。此时最大拉应力已经达到砌体结构 设计规范12规定的毛石砌体受弯状态下的抗拉强度值，此时容易发生弯拉破坏。 若截面计算深度继续加大，则最大拉应力则迅速超过规范设计值，当深度达到 7m 时，甚至最大压应力超过规范规定的抗压强度。2.4 挡土墙墙身抗剪计算与分析取墙身某高度计算该处所受主动土压力和水侧压力，挡土墙截面所受剪力即 为主动土压力和水侧压力之和，挡土墙截面所受剪应力按式 6 计算。式 6：Q=E +Pa w,a=Q/B式中：Q：剪力Ea ：主动土压力Pw,a ：主动侧水压力 ：剪应力B：挡土墙厚度通过计算得出，计算深度 6m 处，挡土墙截面所受剪应力与砌体结构设计规 范12中规定的抗剪强度接近，约为 220kPa。随计算深度增大，则截面所受剪应 力远大于抗剪承载力，容易发生受剪破坏。3 结论与建议经过理论的计算可以得出，本设计的挡土墙在暴雨的工况下容易发生整体的 抗倾覆破坏，在挡土墙墙身中下部位容易发生受弯破坏和剪切破坏，甚至可发生 以上多种的组合破坏形式。经现场勘探得知，挡土墙破坏痕迹基本符合理论推断 的结果。基于上述理论计算与分析，可从两方面提供防治建议，一是降低主动侧水土 压力的影响，二是增强抵抗荷载的能力。分别的措施如下：降低水土压力的措施： 1 、增加挡土墙泄洪通道，降低墙背土体的积水量。 2、 挡土墙墙顶裸露土体进行硬底化，隔绝雨水进入到挡土墙背土体中。 3、改为格构形式挡土结构，并进行植被种植，使土体中的水有足够的通道排出，且不容易 造成水土流失。 4 、坡顶进行削土，减少挡土墙的墙顶荷载。增强抗载能力的措施： 1、放缓挡土墙的坡度或增大挡土墙的厚度，增强挡 土墙依靠自重抗载能力。 2、增加锚拉措施，通过锚拉力增加被动受拉抗载的能 力。 3 、加大嵌入深度，通过增大抗载能力。 4、提高胶凝材料的等级，并严格施 工，增大挡土墙墙身抗拉和抗剪的能力。参考文献1 郑志山, 肖英姬, 解钦, 等. 公路边坡挡土墙安全风险评估方法研究 J. 湖南交通科技, 2022, 48(01): 24-30.2 闫东彪. 公路路基挡土墙防护设计及施工方法J. 四川水泥, 2021(04): 146- 147.3 陈跃起. 重力式挡土墙失稳破坏原因分析J. 铁道建筑, 2016(06): 112- 115.4 张晓飞. 片石混凝土挡土墙施工技术在公路工程中的应用J. 交通世界, 2022(08): 66-67+69.5 马广生, 解小东, 李彬, 等. 重力式点粘毛石植物嵌缝生态挡土墙的开 发与应用J. 安徽建筑, 2015, 22(06): 56-66.6 李源铸 . 毛石挡土墙的设计与施工要点 J. 农家参谋 , 2020(24): 214.7 李强. 毛石挡土墙施工方法及质量控制J. 中国建材科技, 2014(S2): 178+222.8 夏秀武. 某重力式毛石挡土墙倒塌事故的鉴定与原因分析J. 工程与 建设, 2011, 25(04): 572-573.9 张克恭, 刘松玉. 土力学M.第 3 版. 北京 : 中国建筑工业出版社,2010.10 交通部第二公路勘察设计院. 公路设计手册 路基M.第 2 版. 北京 : 人民交通出版社, 2004.11 孙训方, 方孝淑, 关来泰. 材料力学M.第 5 版.北京 : 高等教育出版, 2009.12 GB50003-2011, 砌体结构设计规范S. 北京 : 中国建筑工业出版社,2011.