圆弧形悬臂式挡土墙整体稳定计算Key舶:cantilever…一.・‘…・106・鼍…衮爱、rFI=—虿1矬・m+籼一垃)2・tar?(45*一号]・(R1+bz钢胡doi:10.39圈/j.issn.1672—1683.2009.03.031Jun.2009No.3VOL7Science&TechnologyTransfersWaterSouth-to-North南水北调与水利科技2009年6月第7卷第3期引lsteadinesswall;circular;integralsafety.proieCtsuredas.calculationinreasonableispresentwalls。thelengthunitonbasedconventionalComparedoverturning.slidingagainststabilityload。theretaining90,includingofanglecentralwithwallretainingcantilevercircularforproposedwasmethodcalculationdesignintegralproject,anactualthetOAbstract:According430010。China)Research,WuhanandSurvey,Planning。DesignInstitute(CkngjiangQing-mingWen-yao。LIUGang・MA0HUWallRetainingCantileverCircularofCalculationSteadinessIntegral文章编号:1672—1683(2009)03—0106—03文献标识码:A中图分类号:TU413关键词:悬臂式挡土墙;圆弧形;整体稳定可以保证工程安全。抗滑稳定和抗倾稳定的计算方法。实例计算表明,工程实际使用方法与常规的按单位墙长计算方法相比,计算合理,摘要:结合工程实际,提出圆心角为900的圆弧形悬臂式挡土墙的整体设计计算方法,内容包括挡土墙整体受荷计算、(长江勘测规划设计研究院,武汉430010)荷2整体进行计算的方法。界所注意。但在设计中仍被普遍采用。为此,笔者介绍一种按算方法在计算圆弧形底板形式挡墙的不合理性虽然已为工程位墙长按平面问题计算抗滑、抗倾和基底应力分布。这种计臂式挡土墙应用也相当广泛。在挡土墙设计中,一般是取单土墙‘¨。除常见的直线形式挡土墙外,平面上为圆弧形的悬m)时,通常做成悬臂式挡土墙高度不是很高(例如不超过6挡土墙是水利、交通和市政工程中常用的构筑物。当挡从3作者简介:胡钢(1979一),男,重庆人,工程师。硕士研究生,主要从事水利工程规划设计等方面的工作。修回日期:2009—04—18收稿日期:2009—03—02(kN)①水上部分主动土压力合力F,。墙后主动土压力按水上和水下分别计算。2.2主动土压力图1挡墙计算简图(1),即可求得整体结构上所受的水平推力。墙后水压力。先计算微元体上所受水平推力,然后代人式作用在挡墙上的水平推力有:主动土压力、墙前水压力和(1)∑F=厂・R・压(kN)・dO(kN),将其积分可得作用在整个墙体的水平推力为:圆弧半径为R,弧长为dz2立墙上的合力为:dF=厂・R・cosOITI长立墙所受水平推力为f(kN/m),则作用在假设其1对于曲角范围的挡土墙微元体,计算简图如图1所示。2.1水平推力计算受力。推力及垂直压力,然后将微元体按弧长积分可得整体结构的对象,然后按照平面问题计算方法计算微元体上所受的水平整体结构中取出由角范围的挡土墙微元体作为研究言载计算、2,毛文耀,刘清明
z=麓糕等粉W7=—tr(—hzi--一hs)・(61+6+62+2R1)・(hi+b+b2)・鲰w5:型写业.(61+2b+2b2+2R1).b1.玩(kN)立板自重:Wl=学.(b+2bz+2R1).糯鼍土(kN)。缔=’蓄1霹习r.107.K,=甏式中:Kf一沿基底面的抗滑稳定安全系数;产基底面与地基K=赣{c什抖如恼,一麓黯等昔每岩群岛}{c既+6+bz+R。,一搠翁譬蔫酱昔精)钢等・圆弧形悬臂式挡土墙整体稳定计算胡式㈤四分之一圆环面积的形心对圆心的距离可用下式表示:些均布荷载产生的力矩,其力臂通过计算环形面积形心确定。对于挡墙自重、踵板上土重、踵板上水重、趾板上水重这水重矩,墙前水压力矩组成。抗倾力矩是由自重矩,踵板上土重矩、水重矩,趾板上的2.5.2抗倾力矩∑MH渗透压力矩=渗透压力×÷(61+6+62)浮力矩=浮力×÷(bl+6+62)面距离墙后水平推力矩=墙后水平推力×合力作用点到底板基构成。倾覆力矩是由墙后水平推力矩、浮力矩、渗透压力矩倾覆力矩∑Mo2.5.12.5倾覆力矩和抗倾覆力矩的计算+W5一眠一W7(kN)墙体所受铅垂方向的合力为:∑Gzw。+吼+眠+肌⑥渗透压力。眠=华・(ha+b+b2+2R1)・(61+b+bz)・y未⑤浮力。④趾板上水重。(kN)W4=÷・(6z+2R1)・62・(h2--hi)・y承③踵板上水重。h1)・7,七](kN)w3=手・(62+2R1)・62“(|Il+^l--h2)・扎+(^2一②踵板上土重。・堍麓±(kN)底板自重:%=季・(6l+b+b2+2R1)・(6l+b+b2)①挡墙自重。水重,趾板上水重,浮力和渗透压力。挡墙上所受的铅垂力有:挡墙自重,踵板上土重,踵板上2.4铅垂力计算(kN)。∑H=F1+F2+F3+F4一Fs墙体所受水平方向的合力为:用点到底板基面距离为h。/3。F5=÷豫・(旭)2・(6l+b+b2+R1)压(kN),合力作②墙前水压力。底板基面距离为hz/3。F4=百1豫・(.112)2・(品+62)厄(kN),合力作用点到①墙后水压力。水压力分墙后水压力和墙前水压力。2.3水压力(尺1+6z)厄(kN),合力作用点到底板基面距离为^:/3。7,土・(.Ilz)2・tan2(45。一号]・三角形部分:F3=可1(R。+62)压(I洲),合力作用点到底板基面距离为.Il。/2。矩形部分:F2=札・(^+^1--h2)・h2・tan2(45。一等]・②水下部分主动土压力合力由两部分组成。合力作用点到底板基面距离为[(|Iz+^t)+2hz3/3。倾覆力矩(kN・n0;∑Mtt—对挡墙前趾的倾覆力矩(kN・r11)。式中:K一挡墙抗倾覆稳定安全系数;ZMv--对挡墙前趾的抗(4)全系数,应按式(4)计算:265—2001)规定,挡墙的抗倾覆稳定安根据水闸规范(SL3.2抗倾稳定计算(kN);∑G一作用在挡墙上的全部铅垂力荷载(kN)。之间的摩擦系数;∑H一作用在挡墙上的全部水平向荷载(3)滑稳定安全系数,应按式(3)计算:根据水闸规范(SI。265—2001)规定,土基上沿基底面的抗3.1抗滑稳定计算3整体稳定计算墙前水压力矩=墙前水压力Xh2/3趾板上的水重矩=趾板上水重×踵板上水重矩=踵板上水重×锺板上土重矩=踵板上土重×底板自重矩一底板自重×立板自重矩=立板自重×可得各抗倾力矩计算式如下:中:R。--3,1,环半径;R4一内环半径;将计算参数代入式(2)
●●■^■■………日■_d^●_础=学士铲50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].[4]GB265—2001,水闸设计规范[S].[3]SL水电出版社。1995.[2]管枫年。薛广瑞.王殿印.水工挡土墙设计[M].北京:中国水利建筑工业出版社,2004.[1]尉希成,周美玲.支挡结构设计手册(第二版)[K].北京:中国参考文献:土墙的受力状况和稳定安全系数,这更加与实际情况相符合。作整体计算,还可以正确计算挡土墙的工程量,并真实反映挡系列公式,可以对挡土墙的抗滑、抗倾覆、地基应力及分布特征铅垂力作用效应。笔者推导的圆弧形底板挡土墙整体计算一不符合挡土墙的真实受力情况,存在的主要问题是人为放大了按平面问题进行简化设计计算,这样的方法虽然方便易行,但对于圆弧形底板的挡土墙,以往通常取单位墙长的计算体5结语范要求,而混凝土量仅增加了4%,对工程量的影响很小。以看出,加长底板后,挡墙抗倾抗滑稳定安全系数均能满足规垂方向力作用效应相比,铅垂方向的力减少了18%。从表5可计算的铅垂方向力作用效应与按平面问题(同墙长)计算的铅水平推力作用效应相比,水平推力减小了10%;按照整体结构结构计算的水平推力作用效应与按平面问题(同墙长)计算的垂方向力作用效应较水平推力作用效应减小的多;按照整体稳定安全系数均较简单方法小,原因在于同样墙长条件下,铅从表3、表4分析可知,按整体结构方法计算得出的抗滑ra,墙前趾板长0.8m,墙蹬板长5.6m。注:底板长6.4表5改变底板长度按整体结构方法进行挡土墙稳定计算成果・108.●r西1凳墚”nl。注:底板长5.6m,墙前趾板长0.8m,墙跬板长4.8表4按整体结构方法进行挡土墙稳定计算成果m。ITI,墙蹬板长4.8ITI。墙前趾板长0.8注:底板长5.6表3采用常规方法进行挡土墙稳定计算成果4、表5所示。见表3所示;按整体结构方法进行稳定分析,计算结果见表按常规方法(取单位长度墙体)进行稳定分析,计算结果校核工况Ⅲ:建成无水工况(施工工况)。m(检修工况)。校核工况Ⅱ:河道无水,墙后地下水位139m。143.43m,墙后校核水位校核工况I:河道校核水位143.4312"1。143.09rn,墙后设计水位设计工况I:河道设计水位143.09挡土墙计算工况为:裹2挡土墙稳定安全系数进口挡墙基础土主要岩土物理力学指标裹1的摩擦系数f=o.3;要求挡墙稳定安全系数见表20-43。要物理力学指标见表l,墙后填砂性土,挡土墙基底面与地基m;挡墙基础座落在粉质黏土层,土层主板建基面高程137.2m,底m,底板厚0.8rfl,立墙底高程138立墙顶高程143.68ITI,挡土墙进行整体稳定计算分析。该挡土墙设计墙高5.68现以南水北调中线一期工程某左岸排水倒虹吸进口圆弧4工程实例于该底面形心轴的截面矩(ms)。式中:∑M一作用在基础地面力矩和(kN・m);V卜基底面对(5)解出最大、最小基地应力,即按式(5)进行计算:构简化到对称轴上的平面图形,然后按照力平衡、力矩平衡求在求出整体结构水平和铅垂方向的力后,可以将整体结3.3地基应力验算第7卷总第42期・南水北调与水利科技・2009年第3期
圆弧形悬臂式挡土墙整体稳定计算Key舶:cantilever…一.・‘…・106・鼍…衮爱、rFI=—虿1矬・m+籼一垃)2・tar?(45*一号]・(R1+bz钢胡doi:10.39圈/j.issn.1672—1683.2009.03.031Jun.2009No.3VOL7Science&TechnologyTransfersWaterSouth-to-North南水北调与水利科技2009年6月第7卷第3期引lsteadinesswall;circular;integralsafety.proieCtsuredas.calculationinreasonableispresentwalls。thelengthunitonbasedconventionalComparedoverturning.slidingagainststabilityload。theretaining90,includingofanglecentralwithwallretainingcantilevercircularforproposedwasmethodcalculationdesignintegralproject,anactualthetOAbstract:According430010。China)Research,WuhanandSurvey,Planning。DesignInstitute(CkngjiangQing-mingWen-yao。LIUGang・MA0HUWallRetainingCantileverCircularofCalculationSteadinessIntegral文章编号:1672—1683(2009)03—0106—03文献标识码:A中图分类号:TU413关键词:悬臂式挡土墙;圆弧形;整体稳定可以保证工程安全。抗滑稳定和抗倾稳定的计算方法。实例计算表明,工程实际使用方法与常规的按单位墙长计算方法相比,计算合理,摘要:结合工程实际,提出圆心角为900的圆弧形悬臂式挡土墙的整体设计计算方法,内容包括挡土墙整体受荷计算、(长江勘测规划设计研究院,武汉430010)荷2整体进行计算的方法。界所注意。但在设计中仍被普遍采用。为此,笔者介绍一种按算方法在计算圆弧形底板形式挡墙的不合理性虽然已为工程位墙长按平面问题计算抗滑、抗倾和基底应力分布。这种计臂式挡土墙应用也相当广泛。在挡土墙设计中,一般是取单土墙‘¨。除常见的直线形式挡土墙外,平面上为圆弧形的悬m)时,通常做成悬臂式挡土墙高度不是很高(例如不超过6挡土墙是水利、交通和市政工程中常用的构筑物。当挡从3作者简介:胡钢(1979一),男,重庆人,工程师。硕士研究生,主要从事水利工程规划设计等方面的工作。修回日期:2009—04—18收稿日期:2009—03—02(kN)①水上部分主动土压力合力F,。墙后主动土压力按水上和水下分别计算。2.2主动土压力图1挡墙计算简图(1),即可求得整体结构上所受的水平推力。墙后水压力。先计算微元体上所受水平推力,然后代人式作用在挡墙上的水平推力有:主动土压力、墙前水压力和(1)∑F=厂・R・压(kN)・dO(kN),将其积分可得作用在整个墙体的水平推力为:圆弧半径为R,弧长为dz2立墙上的合力为:dF=厂・R・cosOITI长立墙所受水平推力为f(kN/m),则作用在假设其1对于曲角范围的挡土墙微元体,计算简图如图1所示。2.1水平推力计算受力。推力及垂直压力,然后将微元体按弧长积分可得整体结构的对象,然后按照平面问题计算方法计算微元体上所受的水平整体结构中取出由角范围的挡土墙微元体作为研究言载计算、2,毛文耀,刘清明
z=麓糕等粉W7=—tr(—hzi--一hs)・(61+6+62+2R1)・(hi+b+b2)・鲰w5:型写业.(61+2b+2b2+2R1).b1.玩(kN)立板自重:Wl=学.(b+2bz+2R1).糯鼍土(kN)。缔=’蓄1霹习r.107.K,=甏式中:Kf一沿基底面的抗滑稳定安全系数;产基底面与地基K=赣{c什抖如恼,一麓黯等昔每岩群岛}{c既+6+bz+R。,一搠翁譬蔫酱昔精)钢等・圆弧形悬臂式挡土墙整体稳定计算胡式㈤四分之一圆环面积的形心对圆心的距离可用下式表示:些均布荷载产生的力矩,其力臂通过计算环形面积形心确定。对于挡墙自重、踵板上土重、踵板上水重、趾板上水重这水重矩,墙前水压力矩组成。抗倾力矩是由自重矩,踵板上土重矩、水重矩,趾板上的2.5.2抗倾力矩∑MH渗透压力矩=渗透压力×÷(61+6+62)浮力矩=浮力×÷(bl+6+62)面距离墙后水平推力矩=墙后水平推力×合力作用点到底板基构成。倾覆力矩是由墙后水平推力矩、浮力矩、渗透压力矩倾覆力矩∑Mo2.5.12.5倾覆力矩和抗倾覆力矩的计算+W5一眠一W7(kN)墙体所受铅垂方向的合力为:∑Gzw。+吼+眠+肌⑥渗透压力。眠=华・(ha+b+b2+2R1)・(61+b+bz)・y未⑤浮力。④趾板上水重。(kN)W4=÷・(6z+2R1)・62・(h2--hi)・y承③踵板上水重。h1)・7,七](kN)w3=手・(62+2R1)・62“(|Il+^l--h2)・扎+(^2一②踵板上土重。・堍麓±(kN)底板自重:%=季・(6l+b+b2+2R1)・(6l+b+b2)①挡墙自重。水重,趾板上水重,浮力和渗透压力。挡墙上所受的铅垂力有:挡墙自重,踵板上土重,踵板上2.4铅垂力计算(kN)。∑H=F1+F2+F3+F4一Fs墙体所受水平方向的合力为:用点到底板基面距离为h。/3。F5=÷豫・(旭)2・(6l+b+b2+R1)压(kN),合力作②墙前水压力。底板基面距离为hz/3。F4=百1豫・(.112)2・(品+62)厄(kN),合力作用点到①墙后水压力。水压力分墙后水压力和墙前水压力。2.3水压力(尺1+6z)厄(kN),合力作用点到底板基面距离为^:/3。7,土・(.Ilz)2・tan2(45。一号]・三角形部分:F3=可1(R。+62)压(I洲),合力作用点到底板基面距离为.Il。/2。矩形部分:F2=札・(^+^1--h2)・h2・tan2(45。一等]・②水下部分主动土压力合力由两部分组成。合力作用点到底板基面距离为[(|Iz+^t)+2hz3/3。倾覆力矩(kN・n0;∑Mtt—对挡墙前趾的倾覆力矩(kN・r11)。式中:K一挡墙抗倾覆稳定安全系数;ZMv--对挡墙前趾的抗(4)全系数,应按式(4)计算:265—2001)规定,挡墙的抗倾覆稳定安根据水闸规范(SL3.2抗倾稳定计算(kN);∑G一作用在挡墙上的全部铅垂力荷载(kN)。之间的摩擦系数;∑H一作用在挡墙上的全部水平向荷载(3)滑稳定安全系数,应按式(3)计算:根据水闸规范(SI。265—2001)规定,土基上沿基底面的抗3.1抗滑稳定计算3整体稳定计算墙前水压力矩=墙前水压力Xh2/3趾板上的水重矩=趾板上水重×踵板上水重矩=踵板上水重×锺板上土重矩=踵板上土重×底板自重矩一底板自重×立板自重矩=立板自重×可得各抗倾力矩计算式如下:中:R。--3,1,环半径;R4一内环半径;将计算参数代入式(2)
●●■^■■………日■_d^●_础=学士铲50007—2002,建筑地基基础设计规范[S].[4]GB265—2001,水闸设计规范[S].[3]SL水电出版社。1995.[2]管枫年。薛广瑞.王殿印.水工挡土墙设计[M].北京:中国水利建筑工业出版社,2004.[1]尉希成,周美玲.支挡结构设计手册(第二版)[K].北京:中国参考文献:土墙的受力状况和稳定安全系数,这更加与实际情况相符合。作整体计算,还可以正确计算挡土墙的工程量,并真实反映挡系列公式,可以对挡土墙的抗滑、抗倾覆、地基应力及分布特征铅垂力作用效应。笔者推导的圆弧形底板挡土墙整体计算一不符合挡土墙的真实受力情况,存在的主要问题是人为放大了按平面问题进行简化设计计算,这样的方法虽然方便易行,但对于圆弧形底板的挡土墙,以往通常取单位墙长的计算体5结语范要求,而混凝土量仅增加了4%,对工程量的影响很小。以看出,加长底板后,挡墙抗倾抗滑稳定安全系数均能满足规垂方向力作用效应相比,铅垂方向的力减少了18%。从表5可计算的铅垂方向力作用效应与按平面问题(同墙长)计算的铅水平推力作用效应相比,水平推力减小了10%;按照整体结构结构计算的水平推力作用效应与按平面问题(同墙长)计算的垂方向力作用效应较水平推力作用效应减小的多;按照整体稳定安全系数均较简单方法小,原因在于同样墙长条件下,铅从表3、表4分析可知,按整体结构方法计算得出的抗滑ra,墙前趾板长0.8m,墙蹬板长5.6m。注:底板长6.4表5改变底板长度按整体结构方法进行挡土墙稳定计算成果・108.●r西1凳墚”nl。注:底板长5.6m,墙前趾板长0.8m,墙跬板长4.8表4按整体结构方法进行挡土墙稳定计算成果m。ITI,墙蹬板长4.8ITI。墙前趾板长0.8注:底板长5.6表3采用常规方法进行挡土墙稳定计算成果4、表5所示。见表3所示;按整体结构方法进行稳定分析,计算结果见表按常规方法(取单位长度墙体)进行稳定分析,计算结果校核工况Ⅲ:建成无水工况(施工工况)。m(检修工况)。校核工况Ⅱ:河道无水,墙后地下水位139m。143.43m,墙后校核水位校核工况I:河道校核水位143.4312"1。143.09rn,墙后设计水位设计工况I:河道设计水位143.09挡土墙计算工况为:裹2挡土墙稳定安全系数进口挡墙基础土主要岩土物理力学指标裹1的摩擦系数f=o.3;要求挡墙稳定安全系数见表20-43。要物理力学指标见表l,墙后填砂性土,挡土墙基底面与地基m;挡墙基础座落在粉质黏土层,土层主板建基面高程137.2m,底m,底板厚0.8rfl,立墙底高程138立墙顶高程143.68ITI,挡土墙进行整体稳定计算分析。该挡土墙设计墙高5.68现以南水北调中线一期工程某左岸排水倒虹吸进口圆弧4工程实例于该底面形心轴的截面矩(ms)。式中:∑M一作用在基础地面力矩和(kN・m);V卜基底面对(5)解出最大、最小基地应力,即按式(5)进行计算:构简化到对称轴上的平面图形,然后按照力平衡、力矩平衡求在求出整体结构水平和铅垂方向的力后,可以将整体结3.3地基应力验算第7卷总第42期・南水北调与水利科技・2009年第3期