摘 要: 分析了填土植生挡土墙的受力特点和结构优越性,针对柴河水库的应用实例,阐述了设计和计算方法。
关键词: 挡土墙 填土植生 分荷板 计算方法 应用
传统的护坡、护岸挡土墙,虽可以满足加固岸坡的作用,但耐久性差,加上本身难以种草、植树,造成沿岸一片灰色,影响环境景观。填土植生挡土墙把工程措施和生物修复技术相结合,营造绿色空间、美化环境。
1填土植生挡土墙简介
挡土墙主要有梯形和“T”形两种,前者多采用浆砌石结构,后者以钢筋混凝土结构为主。设计的填土植生挡土墙以植生为主要目的,采用“上”字形钢筋混凝土结构墙体挡土,墙后植入足够壤土,用以种植各种植物,利用工程措施和生物技术改善生态环境。“上”字形的“┃”、上“━”、下“━”分别构成直墙、分荷板、墙踵底板三部分,分荷板和墙踵底板有足够的刚度,墙踵底板与基面紧密固接。
2工作原理
2.1受力分析
假定墙背光滑,填土水平、均质土,容重γ,内摩擦角Ф,主动土压力系数Ka=tg2(45o-Ф/2),根据朗肯土压力理论分析结构受力状况。
2.1.1普通挡土墙的土压力分布
高为H的普通悬臂结构挡土墙的土压力分布为三角形,总土压力为P0=KaγH2/2,作用点距底面H/3。
2.1.2填土植生挡土墙土压力分布
分荷板以上土压力P1=Kaγh2/2,作用点距分荷板面h/3,为三角形。
分荷板以下,相当于高为H-h的悬臂式挡墙,但从分荷板端头开始向外,有均布荷载q=γh连续作用。
利用图解法求得均布荷载的影响深度为:btg(45o＋Ф/2),分荷板抵消的土压力:P2=γbhtg(45o＋Ф/2)Ka,作用点距地面:Z=H-d-h-b t g(4 5 o＋Ф/2)。2.2稳定性分析
前面的分析表明分荷板分担了部分土压力,使直墙承担的土压力减小,改善了土压力分布状态,下面从稳定角度分析结构的可靠性和合理性。
2.2.1普通挡土墙稳定性指标
抗倾覆安全系数
:Kq=(γH(R0+R/2)(B1+B2)/2+γhd(R0+R)2/2+γh m(H-d)(R0-m/2))/(KaγH 3/6)(1)
抗滑移安全系数:
Kh=f(γH(B1+B2)/2+γhd(R0+R)+γhm(H-d))/(KaγH2/2)(2)固定端的最大弯矩:
Mg=Kaγ(H-d)3/6(3)
2.2.2填土植生挡土墙稳定性指标
抗倾覆安全系数:
Kq设=(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)
抗滑移安全系数:
Kh设=f(γH(B1+B2)/2+γhd(R0+R)+γhm(H-d)+nb(γh-γ))
/(KaγH2/2-γbhtg(45o＋Ф/2)Ka)(5)
墙身与分荷板连接处的最大弯矩:
Mf设=γh b 2/2(6)
固定端的最大弯矩:
Mg设=Kaγ(H-d)3/6-γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)/2)(7)
式中,γh为钢筋混凝土容重,B1、B2为填土宽度。
比较①、④,②、⑤式,可以看出:Kq设>Kq、Kh设>Kh,表明设计的挡土墙稳定性好于普通悬臂结构挡土墙;分析③、⑥、⑦式,可以看出:由于设置了分荷板,墙踵固端弯矩值减少了γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)),这些对于钢筋混凝土挡土墙的截面设计、配筋是非常有力的,可降低工程造价。
3基本尺寸的确定
根据结构要求,通过计算、分析,采用安全、经济、合理的最优方案确定分荷板的位置h和宽度b。
一方面,分荷板分担了部分土压力,使直墙的配筋量减少,降低了直墙的造价;另一方面,分荷板自身又增加了材料用量和制作成本,两者的差值最大化就是我们追求的目标。
假设设置分荷板的造价为i,由此直墙降低的造价为I,把I/i的比值称作回报系数,用μ表示,即I=μi(μ>1)。
根据使用要求和一般的稳定性条件确定墙高H、底板宽度R0、R、底板厚度d,决定直墙和分荷板断面尺寸及工程造价的主要依据是固定端的最大弯矩值Mg设及分荷板与直墙连接处的最大弯矩Mf设。
当分荷板付出γhb2/2的代价,在直墙上就获得γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2))的μ倍回报,这样就变成,求b、h使μ(γbhtg(45o＋Ф/2)Ka(H-d-h-btg(45o＋Ф/2)))-hb2/2取得最大值的数学问题。记作:
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,解此方程组,可得最大值驻点
b=2μKatg(45o＋Ф/2)(H-d)/(3(μtg2(4 5 o＋Ф/2)+1))(8)
h=(H-d)/3(9)
通过分析比较,μ=(0.7～1.0)(H-d)/R,此外,从结构要求考虑,应尽量满足b≤R。
4填土植生挡土墙的应用
柴河水库大坝左侧山体陡峻,顶部岩石风化严重,常有石块滚落,对工程管理和游人安全构成了很大的威胁。2007年柴河水库除险加固工程,对长200m的山体进行了改造。
经研究决定采用钢筋混凝土高挡土墙外侧填土植生,内侧做壁画、浮雕工艺的方法,利用工程措施和植物措施改善这段山体。并分别按有分荷板和无分荷板两种结构作比较。
设计挡土墙高度6m,墙后满填壤土,容重γ=17.5kN/m3,内摩擦角Ф=39o,地板与基础的摩擦系数f=0.5,墙趾宽R0=0.6m,墙踵宽R=0.6m,墙身、底板和分荷板厚度分别为m=0.25、d=0.5、n=0.25,混凝土容重γh=2 3.5 k N/m 3。
根据式①～⑦计算不同b、h组合情况下各参数值。从计算结果综合分析看,以b=1.5,h=2.0时最佳;按式⑧、⑨计算,取μ=0.8 5(H-d)/R=7.7 9,计算得b=1.5 5、h=2.0。可见,两者结果吻合。
从结构要求考虑,R=0.6,则b应不大于0.6,但计算结果表明,b=0.5时分荷板分荷效果不够理想。综合考虑并结合现场实际,决定采用b=1.5、h=2.0。并将基岩面开凿成宽R0+R=1.2 m、深d=0.5 m的深槽,在基槽内钻孔、下膨胀螺栓,墙踵转角设斜拉钢筋,并把纵向受力筋与膨胀螺栓焊牢,浇筑一期混凝土。则墙趾和墙踵与地面齐平,确保浇筑后的钢筋混凝土墙与基岩固接。
计算结果,无分荷板式挡土墙,需投资65.8万元,有分荷板式挡土墙,只需39.5万元。最后,采用有分荷板式挡土墙设计方案。实际施工中由于钢筋、水泥涨价,决算造价45.85万元。如果两者同时按材料补差重新计算,采用设计的有分荷板结构,降低工程造价38.55%。
5运行情况
柴河水库大坝左侧山体自2007年采用填土植生挡土墙处理,现已运行3年,整个结构运行非常好,没有任何变形、裂缝,墙后填土除在第一年汛后不同程度正常下沉外,栽植的树木、花草长势良好,很好地改善了库区环境。2009～2 0 1 0年冬春季节,柴河流域遭遇近5 0年来最恶劣的低温、多雨雪、反复冻融破坏的天气,很多露天混凝土面、屋顶防水等工程遭受了严重的破坏,但柴河水库大坝左侧填土植生挡土墙工程没有任何损坏。
6结语
填土植生挡土墙利用力学原理,优化挡土墙结构,构造简单、施工方便、造价低廉,充分利用植物修复和生态护岸、护坡技术,达到对环境的改善,特别适用于以高墙后填土、栽植树木,利用工程措施和植物措施,改善环境为目的的水利、民建工程。为挡土墙结构向景观化、生态化发展提供了新的途径,有推广价值。
参考文献
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[2]郭军辉,等.自嵌式植生挡土墙在水环境中的应用[J].水利水电技术,2008,39(9):1～3.
[3]王锭一.自嵌式挡土墙的应用与研究[J].福建建设科技,2007(3):5～7.