填土植生擋土墻在工程整治中的應(yīng)用

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摘 要:     分析了填土植生擋土墻的受力特點(diǎn)和結(jié)構(gòu)優(yōu)越性,針對(duì)柴河水庫的應(yīng)用實(shí)例,闡述了設(shè)計(jì)和計(jì)算方法。

關(guān)鍵詞:    擋土墻 填土植生 分荷板 計(jì)算方法 應(yīng)用 傳統(tǒng)的護(hù)坡、護(hù)岸擋土墻,雖可以滿足加固岸坡的作用,但耐久性差,加上本身難以種草、植樹,造成沿岸一片灰色,影響環(huán)境景觀。填土植生擋土墻把工程措施和生物修復(fù)技術(shù)相結(jié)合,營造綠色空間、美化環(huán)境。 1填土植生擋土墻簡介 擋土墻主要有梯形和“T”形兩種,前者多采用漿砌石結(jié)構(gòu),后者以鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)為主。設(shè)計(jì)的填土植生擋土墻以植生為主要目的,采用“上”字形鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)墻體擋土,墻后植入足夠壤土,用以種植各種植物,利用工程措施和生物技術(shù)改善生態(tài)環(huán)境。“上”字形的“┃”、上“━”、下“━”分別構(gòu)成直墻、分荷板、墻踵底板三部分,分荷板和墻踵底板有足夠的剛度,墻踵底板與基面緊密固接。 2工作原理 2.1受力分析 假定墻背光滑,填土水平、均質(zhì)土,容重γ,內(nèi)摩擦角Ф,主動(dòng)土壓力系數(shù)Ka=tg2(45o-Ф/2),根據(jù)朗肯土壓力理論分析結(jié)構(gòu)受力狀況。 2.1.1普通擋土墻的土壓力分布 高為H的普通懸臂結(jié)構(gòu)擋土墻的土壓力分布為三角形,總土壓力為P0=KaγH2/2,作用點(diǎn)距底面H/3。 2.1.2填土植生擋土墻土壓力分布 分荷板以上土壓力P1=Kaγh2/2,作用點(diǎn)距分荷板面h/3,為三角形。 分荷板以下,相當(dāng)于高為H-h的懸臂式擋墻,但從分荷板端頭開始向外,有均布荷載q=γh連續(xù)作用。 利用圖解法求得均布荷載的影響深度為:btg(45o＋Ф/2),分荷板抵消的土壓力:P2=γbhtg(45o＋Ф/2)Ka,作用點(diǎn)距地面:Z=H-d-h-b t g(4 5 o＋Ф/2)。2.2穩(wěn)定性分析 前面的分析表明分荷板分擔(dān)了部分土壓力,使直墻承擔(dān)的土壓力減小,改善了土壓力分布狀態(tài),下面從穩(wěn)定角度分析結(jié)構(gòu)的可靠性和合理性。 2.2.1普通擋土墻穩(wěn)定性指標(biāo) 抗傾覆安全系數(shù) :Kq=(γH(R0+R/2)(B1+B2)/2+γhd(R0+R)2/2+γh m(H-d)(R0-m/2))/(KaγH 3/6)(1) 抗滑移安全系數(shù): Kh=f(γH(B1+B2)/2+γhd(R0+R)+γhm(H-d))/(KaγH2/2)(2)固定端的最大彎矩:  Mg=Kaγ(H-d)3/6(3) 2.2.2填土植生擋土墻穩(wěn)定性指標(biāo) 抗傾覆安全系數(shù): Kq設(shè)=(γH(R0+R/2)(B1+B2)/2+γhd(R0+R)2/2+γhm(H-d)(R0-m/2)+n b(γh-γ)(R0+b/2)) /(KaγH3/6-γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-bt g(45o＋Ф/2)/2))(4) 抗滑移安全系數(shù): Kh設(shè)=f(γH(B1+B2)/2+γhd(R0+R)+γhm(H-d)+nb(γh-γ)) /(KaγH2/2-γbhtg(45o＋Ф/2)Ka)(5) 墻身與分荷板連接處的最大彎矩: Mf設(shè)=γh b 2/2(6) 固定端的最大彎矩: Mg設(shè)=Kaγ(H-d)3/6-γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)/2)(7) 式中,γh為鋼筋混凝土容重,B1、B2為填土寬度。 比較①、④,②、⑤式,可以看出:Kq設(shè)>Kq、Kh設(shè)>Kh,表明設(shè)計(jì)的擋土墻穩(wěn)定性好于普通懸臂結(jié)構(gòu)擋土墻;分析③、⑥、⑦式,可以看出:由于設(shè)置了分荷板,墻踵固端彎矩值減少了γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)),這些對(duì)于鋼筋混凝土擋土墻的截面設(shè)計(jì)、配筋是非常有力的,可降低工程造價(jià)。 3基本尺寸的確定 根據(jù)結(jié)構(gòu)要求,通過計(jì)算、分析,采用安全、經(jīng)濟(jì)、合理的最優(yōu)方案確定分荷板的位置h和寬度b。 一方面,分荷板分擔(dān)了部分土壓力,使直墻的配筋量減少,降低了直墻的造價(jià);另一方面,分荷板自身又增加了材料用量和制作成本,兩者的差值最大化就是我們追求的目標(biāo)。 假設(shè)設(shè)置分荷板的造價(jià)為i,由此直墻降低的造價(jià)為I,把I/i的比值稱作回報(bào)系數(shù),用μ表示,即I=μi(μ>1)。 根據(jù)使用要求和一般的穩(wěn)定性條件確定墻高H、底板寬度R0、R、底板厚度d,決定直墻和分荷板斷面尺寸及工程造價(jià)的主要依據(jù)是固定端的最大彎矩值Mg設(shè)及分荷板與直墻連接處的最大彎矩Mf設(shè)。 當(dāng)分荷板付出γhb2/2的代價(jià),在直墻上就獲得γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2))的μ倍回報(bào),這樣就變成,求b、h使μ(γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)))-hb2/2取得最大值的數(shù)學(xué)問題。記作: M(b,h)=μ(γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-b t g(4 5 o＋Ф/2)))-h b 2/2 令аM(b,h)/аb=0,аM(b,h)/аh=0,解此方程組,可得最大值駐點(diǎn) b=2μKatg(45o＋Ф/2)(H-d)/(3(μtg2(4 5 o＋Ф/2)+1))(8) h=(H-d)/3(9) 通過分析比較,μ=(0.7～1.0)(H-d)/R,此外,從結(jié)構(gòu)要求考慮,應(yīng)盡量滿足b≤R。 4填土植生擋土墻的應(yīng)用 柴河水庫大壩左側(cè)山體陡峻,頂部巖石風(fēng)化嚴(yán)重,常有石塊滾落,對(duì)工程管理和游人安全構(gòu)成了很大的威脅。2007年柴河水庫除險(xiǎn)加固工程,對(duì)長200m的山體進(jìn)行了改造。 經(jīng)研究決定采用鋼筋混凝土高擋土墻外側(cè)填土植生,內(nèi)側(cè)做壁畫、浮雕工藝的方法,利用工程措施和植物措施改善這段山體。并分別按有分荷板和無分荷板兩種結(jié)構(gòu)作比較。 設(shè)計(jì)擋土墻高度6m,墻后滿填壤土,容重γ=17.5kN/m3,內(nèi)摩擦角Ф=39o,地板與基礎(chǔ)的摩擦系數(shù)f=0.5,墻趾寬R0=0.6m,墻踵寬R=0.6m,墻身、底板和分荷板厚度分別為m=0.25、d=0.5、n=0.25,混凝土容重γh=2 3.5 k N/m 3。 根據(jù)式①～⑦計(jì)算不同b、h組合情況下各參數(shù)值。從計(jì)算結(jié)果綜合分析看,以b=1.5,h=2.0時(shí)最佳;按式⑧、⑨計(jì)算,取μ=0.8 5(H-d)/R=7.7 9,計(jì)算得b=1.5 5、h=2.0?？梢?兩者結(jié)果吻合。 從結(jié)構(gòu)要求考慮,R=0.6,則b應(yīng)不大于0.6,但計(jì)算結(jié)果表明,b=0.5時(shí)分荷板分荷效果不夠理想。綜合考慮并結(jié)合現(xiàn)場實(shí)際,決定采用b=1.5、h=2.0。并將基巖面開鑿成寬R0+R=1.2 m、深d=0.5 m的深槽,在基槽內(nèi)鉆孔、下膨脹螺栓,墻踵轉(zhuǎn)角設(shè)斜拉鋼筋,并把縱向受力筋與膨脹螺栓焊牢,澆筑一期混凝土。則墻趾和墻踵與地面齊平,確保澆筑后的鋼筋混凝土墻與基巖固接。 計(jì)算結(jié)果,無分荷板式擋土墻,需投資65.8萬元,有分荷板式擋土墻,只需39.5萬元。最后,采用有分荷板式擋土墻設(shè)計(jì)方案。實(shí)際施工中由于鋼筋、水泥漲價(jià),決算造價(jià)45.85萬元。如果兩者同時(shí)按材料補(bǔ)差重新計(jì)算,采用設(shè)計(jì)的有分荷板結(jié)構(gòu),降低工程造價(jià)38.55%。 5運(yùn)行情況 柴河水庫大壩左側(cè)山體自2007年采用填土植生擋土墻處理,現(xiàn)已運(yùn)行3年,整個(gè)結(jié)構(gòu)運(yùn)行非常好,沒有任何變形、裂縫,墻后填土除在第一年汛后不同程度正常下沉外,栽植的樹木、花草長勢良好,很好地改善了庫區(qū)環(huán)境。2009～2 0 1 0年冬春季節(jié),柴河流域遭遇近5 0年來最惡劣的低溫、多雨雪、反復(fù)凍融破壞的天氣,很多露天混凝土面、屋頂防水等工程遭受了嚴(yán)重的破壞,但柴河水庫大壩左側(cè)填土植生擋土墻工程沒有任何損壞。 6結(jié)語 填土植生擋土墻利用力學(xué)原理,優(yōu)化擋土墻結(jié)構(gòu),構(gòu)造簡單、施工方便、造價(jià)低廉,充分利用植物修復(fù)和生態(tài)護(hù)岸、護(hù)坡技術(shù),達(dá)到對(duì)環(huán)境的改善,特別適用于以高墻后填土、栽植樹木,利用工程措施和植物措施,改善環(huán)境為目的的水利、民建工程。為擋土墻結(jié)構(gòu)向景觀化、生態(tài)化發(fā)展提供了新的途徑,有推廣價(jià)值。 參考文獻(xiàn) [1]俞德法.工程地質(zhì)與土力學(xué)基礎(chǔ)[M].高等學(xué)校教材,中國水利水電出版社,1999:160～168. [2]郭軍輝,等.自嵌式植生擋土墻在水環(huán)境中的應(yīng)用[J].水利水電技術(shù),2008,39(9):1～3. [3]王錠一.自嵌式擋土墻的應(yīng)用與研究[J].福建建設(shè)科技,2007(3):5～7.