带卸压架悬臂挡墙的结构性能研究

刘延厚

（洛阳水利勘测设计有限责任公司，河南 洛阳 471000）

1 概述

悬臂式挡墙凭借着厚度小、形式简单的优势在支挡工程中被广泛应用。但传统悬臂挡墙对基底抗压能力要求较高，当墙基存在不良基土时，其抗倾覆和抗滑移能力较弱，会出现墙身倾斜现象。因此对悬臂式挡墙进行性能优化设计具有重要意义[1-2]。当前国内外学者对悬臂挡墙的研究包括以下几个方面：上覆荷载、墙身混凝土强度、挡墙宽高比等因素对悬臂式挡墙墙背土压力分布的影响[3-4]；悬臂式挡墙断面优化[5-7]；挡墙位移以及结构内力等随板宽与埋深的变化[8]；悬臂式挡土墙结构极限状态下主动土压力以及抗滑稳定性等等[9-10]。以上研究主要是对悬臂式挡墙的力学性能影响因素进行综合探讨，但少有研究从结构设计的角度对悬臂式挡墙进行优化分析。

本研究以传统悬臂式挡土墙研究为基础，通过设计一种新型带卸压架悬臂挡墙来增大悬臂挡墙抗倾覆抗滑移能力，使其能够在不良地基条件下具有较好的挡土能力。卸压架是一种混凝土材质的预制板，其设计思路主要是在墙背设置卸荷平台或卸荷板，达到减少墙背土压力和增加稳定力矩，以填土重量和墙身自重共同抵抗土体侧压力的挡土结构。本文考虑到卸压板位置、宽度以及数量等因素对挡墙性能的影响共设计了3组挡墙，通过改变卸压架的位置与尺寸，找到使悬臂挡墙性能达到最优的卸压架的位置和尺寸，从而实现解决挡墙抗倾覆问题，研究成果可为相关工程提供参考。

2 挡墙设计

本文分析的挡土墙高14m，填土为单位重量为20kN/m3、内摩擦角为30°的无粘性回填土。底板与回填土之间的摩擦系数为0.55，考虑承载力为300kN/m2。挡土墙顶部的杆件厚度为0.3m，在杆件和底板的连接处线性增加至1m。此外，底板厚度为1.2m，底板向坡脚的投影为1.5m，减压架的厚度被视为0.6m。基底宽度是本文研究的参数之一，其变化范围在6—7m。图1给出了本文研究的挡土墙示意图。

图1 挡土墙示意图

本文共创建了三组模型。第1组包括不带搁板的挡土墙，其基底宽度分别为7m、6.5m和6m。第2组包括带单搁板的挡土墙。在该组中，单个搁板的位置在0.1到0.9h之间变化，间隔为0.1h，其中h是悬臂挡土墙的高度。本项研究进行了3.5m，4m和4.5m的搁板宽度变化，基底宽度进一步变化为7m、6.5m和6m。第3组由带两个搁板的悬臂挡土墙组成，搁板的位置在0.3到0.7h之间变化，搁板宽度为1.5m、2m和2.5m。值得一提的是，当挡土墙高度固定时，选择卸荷架的数量时，应确保卸荷架的宽度不太大，并且两个连续卸荷架之间应有足够的间隙，以便在施工期间适当压实回填料。因此，对于14m高的挡土墙，本次分析选择了两个减压架。所有挡土墙均承受侧向土压力，并使用克莱因解进行分析。表一给出了这些模型组的详细信息。

3 设计结果分析

3.1 第一组挡墙

表1给出了无卸压架的悬臂墙在不同基底宽度下的分析结果，即7m、6.5m和6m。由图可知，抗倾覆和滑动的安全系数随着基底宽度的减小而降低。所有情况下，防滑安全系数均低于1.4。底板下方的最大压力（Pmax）超过土壤的安全承载力，最小压力（Pmin）值为负值。因此模型不满足稳定性条件，进行第二组设计挡墙分析。

表1 悬臂式无卸压架挡墙分析结果

3.2 第二组挡墙

图2给出了卸荷架在不同位置下的挡墙底部弯矩。图中分析了含有一个卸荷板的悬臂挡墙，宽度分别为3.5m，4m和4.5m。与传统挡土墙相比，带卸荷架的挡土墙在形状上有所不同，水平卸荷架的增加了挡土墙的重量，并将此类挡土墙的重心移向回填方向。侧向推力的减少也引起了基底接触压力的变化。通过分许得出，适当选择隔架宽度可以显著降低底板下方的总接触压力，进而提高承载力失效的安全系数。本次分析中，对于所有宽度，在0.5h的搁板位置，挡墙底部的最小弯矩都达到设计要求。三种卸荷板宽度中，位于0.5h处的4.5m货架宽度的弯矩最小。

图2 卸荷架在不同位置下的挡墙底部弯矩

图3给出了卸荷架在不同位置下的一端的弯矩。由图可知，对于所有卸荷架宽度，其端部的弯矩值随着从0.1h到0.9h高度的增加而增加。对于3.5m的卸荷架宽度，弯矩值小于4m和4.5m的值。考虑到挡墙底部和卸荷架端的弯矩结果，搁板的最优位置可考虑为0.4h处。

图3 卸荷架一端在不同位置下的弯矩

图4给出了不同卸荷架位置下的最大基底压力。由图可知，对于宽3.5m的卸荷架挡土墙，当搁板位置为0.4h和0.5h时满足稳定性条件；对于宽4m的卸荷架挡土墙，当搁板位置为0.3h，0.4h和0.5h时满足稳定性条件，对于宽4.5m的卸荷架挡土墙同样满足。由于基底宽度、杆底弯矩、架子端部和顶部节点位移不受影响，但考虑到7m基底宽度的最大基底压力值小于6.5 m和6m基底宽度的悬臂挡土墙的压力，因此该参数对实现挡墙稳定性至关重要。基础宽度为6m，搁板宽度为3.5m的悬臂挡土墙模型在任何位置都不满足基础压力的稳定条件，因此，考虑到所有四个参数，搁板的高度可考虑为0.4m。将这些挡土墙的结果与无挡土墙的悬臂挡土墙模型进行了比较，对于搁板位置为0.4h的悬臂挡土墙，杆底弯矩降低70%。对于这个位置，节点位移也减少了约90%。

图4 不同卸荷架位置下的最大基底压力

3.3 第三组挡墙

本次分析悬臂挡土墙带有两个卸压板，搁板宽度不同，组合为1.5m，2m和2.5m，板的位置在0.3到0.7h之间变化。表2给出了两个卸压板宽度分别为1.5m和1.5m的挡墙分析结果。由表1可知，有9种实际可行的卸压板位置组合，由表可知，宽1.5米的卸压板最佳位置为0.4h和0.6h，其的顶部节点位移为39.50mm，比无卸压板悬臂挡土墙的位移小约55%。挡墙底部的弯曲力矩为1 421kN·M，比无支架悬臂挡墙的弯曲力矩小约45%，也比两个支架的任何其他位置的弯曲力矩小。

表2 卸压板宽度分别为1.5m和1.5m的挡墙分析结果

表3给出了两个卸压板宽度分别为1.5m和2.5m的挡墙分析结果。由表可知，这些模型在挡墙底部的弯矩值小于表2中卸压板宽度为1.5m和1.5m的弯矩值。因此，当卸压板宽度增加时。可以观察到挡墙底部的内弯力矩减小，但以卸压板端的弯矩增加为代价。因此，得出的结论是，随着卸压板宽度的增加，卸压板端部的弯矩会随之增加，并且挡墙的抗倾覆和滑动的安全系数也会增加。本次组合下的最佳位置是卸压板1和卸压板2分别安置在为0.45h和0.65h处，该处挡墙节点位移为28.53mm，与普通挡土墙相比减少约67%。从分析中可以看出，随着卸压板宽度的增加，顶部节点位移减小。

表3 卸压板宽度分别为1.5m和2.5m的挡墙分析结果

表4给出了两个卸压板宽度分别为2.5m和2.5m的挡墙分析结果。由表可知，本次组合下的最佳位置是卸压板1和卸压板2分别安置在为0.35h和0.65h处，此处挡土墙底部的弯矩为545.1kN·m，这比普通悬臂挡土墙的弯矩小78%。此外，该处顶部节点位移为6.87mm，比普通悬臂挡墙的位移小约90%。与上述任何其他组合相比，悬臂挡土墙与卸压板组合在挡土墙产生的弯矩更小。

表4 卸压板宽度分别为2.5m和2.5m的挡墙分析结果

4 结论

本文通过对卸压悬臂式挡土墙进行参数研究得出，相比传统的悬臂式挡土墙，卸压板可降低挡土墙上的侧向土压力，并减少净弯矩，有助于使挡土墙更加稳定。其中：

（1）对于两个卸压板宽度分别为1.5m和1.5m的挡墙，卸压板最佳位置为0.4h和0.6h，比无卸压板悬臂挡土墙的位移小约55%；

（2）两个卸压板宽度分别为1.5m和2.5m的挡墙，其最佳位置是卸压板1和卸压板2分别安置在为0.45h和0.65h处，该处挡墙节点位移为28.53mm，与普通挡土墙相比减少约67%；

（3）两个卸压板宽度分别为2.5m和2.5m的挡墙，最佳位置是卸压板1和卸压板2分别安置在为0.35h和0.65h处，此处比普通悬臂挡土墙的弯矩小78%。因此，带卸压板的挡土墙可以作为高挡土墙的有效解决方案。□