考虑地震作用下的云南山区高速公路衡重式挡土墙设计优化

汪媛媛

摘要 考虑地震的作用下，通过安全性及经济合理性分析，文章对云南山区高速公路衡重式路堤挡土墙进行设计优化。通过分析得出，衡重式路堤挡土墙顶宽、衡重台宽、背坡比、墙趾坡比、墙面坡比等参数是影响其基底压应力的重要参数。通过调整以上参数，在满足安全性的前提下，可对衡重式路堤挡土墙进行优化设计，以提高其经济合理性。

关键词 云南山区高速公路；衡重式路堤挡土墙；土压力；安全性分析；设计优化

中图分类号 U417.11文献标识码 A文章编号 2096-8949（2024）05-0144-03

0 引言

山区高速公路挡土墙通常情况下是采用标准图进行设计，未结合实际情况，针对工点进行设计优化，以最大限度满足工程的安全性与经济性。该文以云南山区高速公路衡重式路堤挡土墙为实例，对标准图中挡土墙高度为8 m、填土高度为6 m的挡土墙进行优化设计，并通过分析相同挡墙高度、不同填土高度及不同挡墙高度、相同填土高度，两种情况下挡土墙的安全性与经济性，对常用高度为4 m、6 m及8 m的衡重式路堤挡土墙进行优化设计。

1 工程概况

某新建高速公路设计标准为双向四车道，设计速度100 km/h，主线按4车道高速公路建设，整体式路基宽度为26 m，抗震设防烈度为Ⅷ度，设计工点主要土层物理、力学指标详见表1。

2 挡土墙设计

2.1 结构设计

该工程挡土墙设计中，采用衡重式挡土墙，墙身材料为混凝土，墙高为8 m，墙顶填土高度为6 m。挡土墙断面示意详见图1，墙身详细尺寸见表2。

2.2 计算分析

在工程建设领域，土压力计算的常用理论有朗肯土压力理论和库伦土压力理论。由于两者计算的主动土压力误差不大，且库伦理论适用于较广泛的边界条件，应用范围更广，一般通过手册[1-2]的经验公式进行计算。库伦主动土压力的计算原理[3]：假定挡土墙为刚性，墙后填土为无黏性土，墙后填土以一个楔体的形式滑动，楔体的边界为地面、墙背和填土土体中通过墙踵的滑动平面，当墙背移离填土，墙后土体达到极限平衡状态时，根据土楔的力系平衡条件，可求出挡土墙对滑动土楔的支承反力，即为库伦主动土压力（Ea），表达式如式（1）：

（1）

式中，Ea——库伦主动土压力（kN）；W——自重加上部作用在楔体范围内地面上的附加荷载重（kN/m）；θ——滑动面与水平面的夹角（°）；α——挡土墙背与水平面的夹角（°）；φ——土的内摩擦角（°）；β——墙背与土间的摩擦角（°）。

库伦土压力计算理论通常适用于挡土墙背部填料为砂性土类的材料。遇到挡土墙墙后填土为非砂性土的情况时，可对土体的黏聚力c值进行等效转换后，采用库伦土压力计算理论。设计时采用公路行业标准，土压力采用库伦土压力理论计算，利用理正挡土墙计算软件，荷载加载位置在距离墙顶面9 m处，墙顶填土高度为6 m，路堤边坡坡率为1∶1.5，墙背与墙后填料内摩擦角取值为20 °，由于库伦土压力计算主动土压力时与实际值接近，在采用库伦土压力理论计算时，对挡土墙的整体稳定性也进行计算。滑移稳定、倾覆稳定性及整体稳定性计算结果详见表3。

根据通用图中该地区衡重式挡土墙尺寸，考虑地震作用，通过表3计算结果可知：该挡土墙断面尺寸满足滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性要求，但挡土墙界面尺寸较大，且挡墙墙趾与墙踵压应力差值较大，受力不均匀。因此，该衡重式路堤挡土墙尺寸存在优化设计空间。

3 优化设计

3.1 墙身尺寸优化

在保证挡土墙滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性满足规范要求的前提下，通过调整衡重式路堤挡土墙顶宽、衡重台宽、背坡比、墙趾坡比、墙面坡比等参数，减小挡土墙圬工量，满足工程安全性及经济合理性的要求。調整参数后的挡土墙尺寸详见表4。

3.2 安全性及经济性比较

经过计算得出断面优化后，挡土墙滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性系数详见表5，满足规范要求，优化前后计算结果对比详见图2。

安全性方面，从图2可以得出，挡土墙结构尺寸优化后，滑移稳定系数由4.211减小至4.175，挡土墙的倾覆稳定性系数从优化前的5.611减小至优化后的4.818，滑移稳定系数降低0.8%，相差较小，抗倾覆稳定性系数降低14%，两个数值仍满足规范要求。倾覆稳定性系数减小的原因是在挡土墙优化过程中，减小了墙身断面尺寸，进而减小了挡土墙的自身重力，导致挡土墙的抗倾覆稳定性系数减小，但也满足规范要求。

经济性方面，挡土墙优化前，每延米体积为35.900 8 m3，优化后为26.78 m3，圬工量显著减小。

4 针对云南山区高速公路衡重式路堤挡土墙通用图的设计优化

采用库伦土压力计算理论，通过分析相同挡墙高度、不同填土高度及不同挡墙高度、相同填土高度两种情况下挡土墙的安全性与经济性，对云南山区高速公路衡重式路堤挡土墙通用图进行设计优化。限于篇幅，该文针对高度为4 m、6 m及8 m的衡重式路堤挡土墙进行优化设计。

4.1 不同填土高度时，8 m衡重式路堤挡土墙最优尺寸计算

不同填土高度时，8 m衡重式路堤挡土墙墙身尺寸优化前后数据对比详见表6，挡土墙滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性系数计算结果详见表7。

4.2 相同填土高度时，4 m、6 m、8 m衡重式挡土墙的最优尺寸计算

相同填土高度时，4 m、6 m、8 m衡重式挡土墙墙身尺寸优化前后数据对比详见表8，挡土墙滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性系数计算结果详见表9。

5 结语

考虑地震的作用下，该文通过安全性及经济合理性分析，对云南山区高速公路衡重式路堤挡土墙进行设计优化。对于山区高速公路路堤挡土墙设计，从防护高度、地质情况等因素考虑，确定挡土墙的选用类型。挡土墙墙身尺寸、墙后填土的物理参数、地基土承载力及计算荷载等因素影响挡土墙的安全性及经济性。同时，在挡土墙设计中，滑移稳定、抗倾覆及整体稳定性系数满足规范要求并不意味着设计合理，应通过调整挡土墙顶宽、衡重台宽、背坡比、墙趾坡比、墙面坡比等参数，有针对性地对挡土墙进行设计优化，以满足经济合理性的要求。

参考文献

[1]铁道部第一勘测设计院. 铁路工程设计技术手册-路基（修订版）[M]. 北京：中国铁道出版社， 1995.

[2]顾慰慈. 挡土墙土压力计算手册[M]. 北京：中国建材工业出版社， 2005.

[3]李振山， 叶燎原， 李晶. 经典土压力理论的一般形式[J]. 昆明理工大学学报（理工版）， 2007（4）： 120-124.