考慮地震作用下的云南山區高速公路衡重式擋土墻設計優化

汪媛媛

摘要 考慮地震的作用下，通過安全性及經濟合理性分析，文章對云南山區高速公路衡重式路堤擋土墻進行設計優化。通過分析得出，衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數是影響其基底壓應力的重要參數。通過調整以上參數，在滿足安全性的前提下，可對衡重式路堤擋土墻進行優化設計，以提高其經濟合理性。

關鍵詞 云南山區高速公路；衡重式路堤擋土墻；土壓力；安全性分析；設計優化

中圖分類號 U417.11文獻標識碼 A文章編號 2096-8949（2024）05-0144-03

0 引言

山區高速公路擋土墻通常情況下是采用標準圖進行設計，未結合實際情況，針對工點進行設計優化，以最大限度滿足工程的安全性與經濟性。該文以云南山區高速公路衡重式路堤擋土墻為實例，對標準圖中擋土墻高度為8 m、填土高度為6 m的擋土墻進行優化設計，并通過分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度，兩種情況下擋土墻的安全性與經濟性，對常用高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進行優化設計。

1 工程概況

某新建高速公路設計標準為雙向四車道，設計速度100 km/h，主線按4車道高速公路建設，整體式路基寬度為26 m，抗震設防烈度為Ⅷ度，設計工點主要土層物理、力學指標詳見表1。

2 擋土墻設計

2.1 結構設計

該工程擋土墻設計中，采用衡重式擋土墻，墻身材料為混凝土，墻高為8 m，墻頂填土高度為6 m。擋土墻斷面示意詳見圖1，墻身詳細尺寸見表2。

2.2 計算分析

在工程建設領域，土壓力計算的常用理論有朗肯土壓力理論和庫倫土壓力理論。由于兩者計算的主動土壓力誤差不大，且庫倫理論適用于較廣泛的邊界條件，應用范圍更廣，一般通過手冊[1-2]的經驗公式進行計算。庫倫主動土壓力的計算原理[3]：假定擋土墻為剛性，墻后填土為無黏性土，墻后填土以一個楔體的形式滑動，楔體的邊界為地面、墻背和填土土體中通過墻踵的滑動平面，當墻背移離填土，墻后土體達到極限平衡狀態時，根據土楔的力系平衡條件，可求出擋土墻對滑動土楔的支承反力，即為庫倫主動土壓力（Ea），表達式如式（1）：

（1）

式中，Ea——庫倫主動土壓力（kN）；W——自重加上部作用在楔體范圍內地面上的附加荷載重（kN/m）；θ——滑動面與水平面的夾角（°）；α——擋土墻背與水平面的夾角（°）；φ——土的內摩擦角（°）；β——墻背與土間的摩擦角（°）。

庫倫土壓力計算理論通常適用于擋土墻背部填料為砂性土類的材料。遇到擋土墻墻后填土為非砂性土的情況時，可對土體的黏聚力c值進行等效轉換后，采用庫倫土壓力計算理論。設計時采用公路行業標準，土壓力采用庫倫土壓力理論計算，利用理正擋土墻計算軟件，荷載加載位置在距離墻頂面9 m處，墻頂填土高度為6 m，路堤邊坡坡率為1∶1.5，墻背與墻后填料內摩擦角取值為20 °，由于庫倫土壓力計算主動土壓力時與實際值接近，在采用庫倫土壓力理論計算時，對擋土墻的整體穩定性也進行計算?；品€定、傾覆穩定性及整體穩定性計算結果詳見表3。

根據通用圖中該地區衡重式擋土墻尺寸，考慮地震作用，通過表3計算結果可知：該擋土墻斷面尺寸滿足滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性要求，但擋土墻界面尺寸較大，且擋墻墻趾與墻踵壓應力差值較大，受力不均勻。因此，該衡重式路堤擋土墻尺寸存在優化設計空間。

3 優化設計

3.1 墻身尺寸優化

在保證擋土墻滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性滿足規范要求的前提下，通過調整衡重式路堤擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數，減小擋土墻圬工量，滿足工程安全性及經濟合理性的要求。調整參數后的擋土墻尺寸詳見表4。

3.2 安全性及經濟性比較

經過計算得出斷面優化后，擋土墻滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性系數詳見表5，滿足規范要求，優化前后計算結果對比詳見圖2。

安全性方面，從圖2可以得出，擋土墻結構尺寸優化后，滑移穩定系數由4.211減小至4.175，擋土墻的傾覆穩定性系數從優化前的5.611減小至優化后的4.818，滑移穩定系數降低0.8%，相差較小，抗傾覆穩定性系數降低14%，兩個數值仍滿足規范要求。傾覆穩定性系數減小的原因是在擋土墻優化過程中，減小了墻身斷面尺寸，進而減小了擋土墻的自身重力，導致擋土墻的抗傾覆穩定性系數減小，但也滿足規范要求。

經濟性方面，擋土墻優化前，每延米體積為35.900 8 m3，優化后為26.78 m3，圬工量顯著減小。

4 針對云南山區高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖的設計優化

采用庫倫土壓力計算理論，通過分析相同擋墻高度、不同填土高度及不同擋墻高度、相同填土高度兩種情況下擋土墻的安全性與經濟性，對云南山區高速公路衡重式路堤擋土墻通用圖進行設計優化。限于篇幅，該文針對高度為4 m、6 m及8 m的衡重式路堤擋土墻進行優化設計。

4.1 不同填土高度時，8 m衡重式路堤擋土墻最優尺寸計算

不同填土高度時，8 m衡重式路堤擋土墻墻身尺寸優化前后數據對比詳見表6，擋土墻滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性系數計算結果詳見表7。

4.2 相同填土高度時，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻的最優尺寸計算

相同填土高度時，4 m、6 m、8 m衡重式擋土墻墻身尺寸優化前后數據對比詳見表8，擋土墻滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性系數計算結果詳見表9。

5 結語

考慮地震的作用下，該文通過安全性及經濟合理性分析，對云南山區高速公路衡重式路堤擋土墻進行設計優化。對于山區高速公路路堤擋土墻設計，從防護高度、地質情況等因素考慮，確定擋土墻的選用類型。擋土墻墻身尺寸、墻后填土的物理參數、地基土承載力及計算荷載等因素影響擋土墻的安全性及經濟性。同時，在擋土墻設計中，滑移穩定、抗傾覆及整體穩定性系數滿足規范要求并不意味著設計合理，應通過調整擋土墻頂寬、衡重臺寬、背坡比、墻趾坡比、墻面坡比等參數，有針對性地對擋土墻進行設計優化，以滿足經濟合理性的要求。

參考文獻

[1]鐵道部第一勘測設計院. 鐵路工程設計技術手冊-路基（修訂版）[M]. 北京：中國鐵道出版社， 1995.

[2]顧慰慈. 擋土墻土壓力計算手冊[M]. 北京：中國建材工業出版社， 2005.

[3]李振山， 葉燎原， 李晶. 經典土壓力理論的一般形式[J]. 昆明理工大學學報（理工版）， 2007（4）： 120-124.