河岸式砌石挡土墙稳定分析
摘要：对河岸式砌石挡土墙进行稳定分析，找出影响其稳定安全的原因。提出解决的措施。
关键词：河岸式 砌石 挡土墙 稳定分析
1 问题的提出
长江铜陵河段外滩水域素为黄金水道，近年来，沿江许多利用江外滩兴建货场、堆场、码头等。我们发现在临江侧修建浆砌石挡土墙时，或由于基础处理不当，或由于设计不合理，有50%以上的挡土墙存在有质量问题，有的沉陷变形，有的产生裂缝，有的甚至倾覆倒塌，造成工程设施局部或整体损坏。而由我局设计的几处码头浆砌石挡土墙，由于经过稳定验算，设计合理，对几个关键技术问题进行了处理，工程一直运行良好，特简介如下。
2 地质条件与参数的选取
以我们设计过的江边华德运输公司的货场挡土墙为例，来进行分析。根据勘测资料，回填土采用当地回填土，其力学性质取干容重1.55t/m3，天然湿容重1.85t/m3，饱和容重2.05t/m3，内摩擦角27度，粘聚力很小忽略为0。
江岸滩地的土质属淤泥质土层，是软粘土的一种典型代表，其力学性质主要有：⑴强度极低。标准贯入击数N＜3，故承载力极低。从河海大学《土力学》中选取值一般为7~10t/m3。⑵压缩性很大，压缩系数＞0.05cm2/kg，因此基础沉降很大。⑶渗透性很小。因而固结过程需要较长时间，沉降较慢。
3 断面尺寸的选择与比较
3.1普通重力式挡土墙
3.1.1荷载组合
取完建期（没有江水顶托，属不利运行状态）的情况进行稳定与比较，作用的荷载有：挡土墙自重，墙背填土重，水平土压力。由于完建期是在枯水期，故基底浮托力不计。
3.1.2土压力
按主动土压力公式：Pa=0.5rH2Ka=15.13t
式中Ka为主动土压力系数。Ka＝tg2(45-0.5ψ)=0.3755
3.1.3受力分析
完建期重力式挡土墙受力情况表（取单位长度，对迎水面趾脚求矩）
荷载名称 | 计算式 | 竖直力（t） | 水平力（t） | 力臂（m） | 力矩（t-m） | ||||
向下 | 向上 | 向右 | 向左 | 顺时针 | 逆时针 | ||||
水平土压力 | 0.5*1.85*6.62*0.375 |
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| 15.13 | 2.2 |
| 33.29 | |
土重 | 三角形 | 0.5*2.6*5.6*1.85 | 13.47 |
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| 2.63 | 35.43 |
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矩 形 | 5.6*0.2*1.85 | 2.07 |
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| 3.6 | 7.45 |
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自重 | 底板 | 3.7*1*2.5 | 9.25 |
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| 1.85 | 17.11 |
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直墙 | 0.5*5.6*2.5 | 7 |
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| 0.65 | 4.55 |
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斜墙 | 0.5*2.6*5.6*2.5 | 18.2 |
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| 1.77 | 32.21 |
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合计 |
| 49.99 |
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| 15.13 |
| 96.75 | 33.29 | |
3.1.4安全验算
⑴合力的偏心距：e=B/2－∑M/∑G=0.58m（偏临水面）
其中B为底板宽度。
⑵地基反力：最大бmax＝∑G/A（1＋6e/B）=26.21(t/m2)
最小бmin＝∑G/A（1－6e/B）=0.81(t/m2)
⑶压力分布不均匀系数η＝бmax/бmin =32.3＞2。不满足
⑷平均基底压力б＝(бmax+бmin)/2=13.5。太大，也不满足。
⑸抗滑稳定安全系数Kc=f∑G/∑H=1.32＞1.25。满足。
⑹倾稳定安全系数K＝抗倾力矩/倾覆力矩=2.9＞1.2。满足。
从上可看出，基底应力大于淤泥土的允许承载力，且分布不均。故需要进行地基处理。目前地方上常用的一种可行的处理方法为“垫层法”。它是以“就地取材”为原则，把靠近基底的淤泥挖去，而代之以人工回填的砂土层作为持力层，其作用有三：①增加地基稳定性。②减少基础沉降量。③加速软土地基的固结，提高地基的强度。
砂垫层设计时，有两种处理办法：一种是假定垫层是地基础土质的一部分；一种是假定垫层是建筑基础的一部分。目前通常把砂垫层作为“基础”来考虑。详见后面的计算。
3.2衡重式挡土墙
普通重力式挡土墙由于体积庞大，重量都比较大，耗材较多，并不经济，此外，挡墙座落在江边软基上，因基底压力分布不均，也将造成地基处理的工作量加大。而衡重式挡土墙，则可利用减重台上的填土重量增加墙身的稳定，并使地基应力分布比较均匀，在材料用量上要比简单的梯形截面减少10%~20%。见下图截面，两者相比，衡重式挡土墙节省材料10%。
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3.2.1荷载组合
亦取完建期的情况，荷载与重力式挡土墙大致相同。
3.2.2水平水压力
与重力式挡土墙相同，为15.13t。
3.2.3受力分析
完建期衡重式挡土墙受力情况（取单位长度，对迎水侧趾脚求矩）
荷载名称 | 式 | 竖直力（t） | 水平力（t） | 力臂（m） | 力矩（t-m） | ||||
向下 | 向上 | 向右 | 向左 | 顺时针 | 逆时针 | ||||
水平土压力 | 0.5*1.85*6.62*0.375 |
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| 15.13 | 2.2 |
| 33.29 | |
土重 | 三角形 | 0.5*1.1*3.3*1.85 | 3.358 |
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| 1.63 | 5.47 |
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矩形 | 2.2*3.3*1.85 | 13.431 |
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| 3.1 | 41.64 |
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挡墙自重 | 前趾 | 1*0.4*2.5 | 1 |
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| 0.2 | 0.2 |
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直立墙 | 0.5*6.6*2.5 | 8.25 |
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| 0.65 | 5.36 |
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厚墙 | 3.3*1.1*2.5 | 9.075 |
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| 1.45 | 13.16 |
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三角 | 0.5*1.1*3.3*2.5 | 4.537 |
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| 1.27 | 5.76 |
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减重台 | 0.5*2.2*3.3*2.5 | 9.075 |
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| 2.73 | 24.77 |
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合计 |
| 48.726 |
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| 15.13 |
| 96.36 | 33.29 | |
3.2.4安全验算－方法相同
⑴合力的偏心距e=-0.29m（偏背水面）
⑵地基反力 бmax＝45.56(t/m2)
бmin=3.17(t/m2)
⑶压力不均匀系数η＝бmax/бmin =14.3＞[η]。不满足
⑷平均基底压力б＝24.36。太大，不能满足。
⑸抗滑稳定安全系数Kc=f∑G/∑H=1.29＞1.25。满足
⑹倾稳定安全系数K＝2.89＞1.2。满足
从上可以看出，基底压力及其分布均不满足要求，故需进行换基处理。
3.2.5换基后的地基验算
用垫层法换基后，假定垫层是基础的一部分，则垫层把基础底面的压力扩散到砂垫层的底部，砂垫层的底部即看作建筑物的“新基础”底面。根据土力学公式，此时砂垫层应满足：
rd+B/B’p≤[p](D+d)
其中式中：
r－为砂垫层的容重，这里r=1.85t/m3
p－为基底的设计荷载，当偏心荷载时，可近似地按基底平均压力计；
B’－为新基础底宽。B’=B+2dtgθ＝3.0（应力扩散角θ取35度，垫层深d取0.7m）
[p](D+d)－砂垫层底部处天然土的允许承载力。参照《土力学》中有关淤泥质土的许可承载力，当基础底宽大于等于3米、或埋深大于1.5米时，采用修正公式：
[p](D+d)＝[p]表＋MBr1(B-3)+MDr2(D-1.5)=19.25t/m2
[p]表－查表得10t/m2
MD－基础埋深的修正系数，查表得MD =5
r2－基础底面以上土的容重，取1.85
平均埋深取2.5米，即前趾埋0.8米，比较符合实际情况。
则rd+B/B’p=17.53≤[p](D+d)，满足要求。
3.2.6新基底压力分布不均匀系数
重复上述受力分析过程，就可得出地基反力分布情况。此时合力的偏心距仅为-0.06m。
压力分布不均匀系数η＝1.27＜[η]=2。满足要求。
4 需要注意的几个细节
⑴砂垫层的砂料，应以中粗砂为好，砂质要干净，其含泥量应小于3%。垫层的密度一般要求在中等密度以上，即要求控制的孔隙比Ε≤0.75,或干容重rd≥1.6t/m3。
⑵为适应地基沉降，每隔一定距离必须分缝，分缝的间距不能太大，一般宜控制在10~20m之间，尤其是挡土墙轴线的转角处、荷载急剧变化点，需增设沉降缝。
⑶墙背后需设置一道反滤排水孔，孔内填土侧填筑反滤料，以确保能及时排除土体中水分，保持土的抗剪强度与含水率，从而保证墙背面的水平土压力在设计情况下，变化幅度不致过大。