CN108930285A - 一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，涉及岩土工程挡土墙设计技术领域。该方法首先计算挡土墙的地震作用力，然后将挡土墙分解为三角形和矩形两部分，并根据挡土墙的抗滑移稳定性验算要求，得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的关系；并根据挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求，进一步得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的差；最后结合岩土工程勘察的地质资料进行挡土墙地基承载力验算，结合墙体材料力学性能指标计算挡土墙墙身强度，完成挡土墙的设计。本发明提供的考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，不需要修改参数后进行多轮反复验算，保证了挡土墙的安全性，又兼顾了挡土墙的经济性，避免了传统挡土墙设计方法常见的浪费现象。
Description
技术领域
本发明涉及岩土工程挡土墙设计技术领域，尤其涉及一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法。
背景技术
挡土墙是土木工程中一种常见的构筑物，其主要的作用是用来防止岩土体的坍塌。传统的挡土墙设计是采用试算法，先初步确定挡土墙的基本尺寸，然后进行土压力计算、挡土墙的抗倾覆稳定性验算、抗滑移稳定性验算、地基承载力验算、墙身强度验算等。该方法往往需要多次计算，一旦某一步验算不通过，必须修改挡土墙尺寸，重新进行下一轮验算，因此设计计算的工作量大，重复性劳动较多；且由该方法设计的挡土墙仅保证了挡土墙的安全性，并未考虑其经济性，一味追求安全，必将造成人力、物力、财力的浪费。为了提高挡土墙的设计效率，减少重复性劳动，在保证挡土墙安全性的前提下兼顾其经济性，急需提出一种挡土墙优化设计的方法。
经震后灾害调查研究发现，很多挡土墙在震后均发生不同程度的破坏，轻者移位、开裂，重者完全倾覆，阻挡救灾通道，造成严重的生命财产损失。因此，地震荷载对挡土墙的稳定性有重要影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是针对上述现有技术的不足，提供一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，在保证挡土墙的安全性的前提下，提高挡土墙设计效率，并兼顾其经济性。
一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，包括以下步骤：
步骤1、计算挡土墙的地震作用力；
假定挡土墙的墙背垂直、光滑，墙后填土水平，并假定挡土墙所受的地震作用力为地震惯性力，等效为静力集中荷载作用，分解为水平和竖向两个分量；
根据挡土墙设计规范，所述地震作用力的水平分量为重力加速度乘以一定的系数，如下公式所示：
Eh＝ηG
其中，Eh为地震作用力的水平分量，G为重力加速度，η为与挡土墙设计地区的地震设防烈度有关的作用系数；
所述地震作用力的竖向分量为其水平分量的2/3，如下公式所示：
Ev＝2ηG/3
其中，Eh为地震作用力的水平分量；
步骤2、将挡土墙分解为三角形和矩形两部分，并根据挡土墙的抗滑移稳定性验算要求，得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的关系；
所述挡土墙的抗滑移稳定性验算要求如下两个公式所示：
其中，Ks为挡土墙的抗滑安全系数，Ev1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的水平分量，Ev2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的水平分量，Eh1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的竖向分量，Eh2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的竖向分量，G1为挡土墙分解的三角形部分重力，G2为挡土墙分解的矩形部分重力，μ为挡土墙基底对地基的摩擦系数；Ea为墙后土体对挡土墙的主动土压力，主动土压力作用点距离墙地面H/3处；H为挡土墙墙高，b为挡土墙墙顶宽度，a为挡土墙分解的三角形部分的水平边，则a+b为挡土墙的墙底宽度，γ为挡土墙砌体重度；
所述挡土墙墙顶宽度b由挡土墙构造要求确定，当墙身为混凝土浇筑时，其不应小于40cm，当浆砌时，其不应小于50cm，当干砌时，其不应小于60cm；
将公式(2)代入公式(1)中，整理得：
由(3)式得，当不等式两边相等时，刚好满足挡土墙的抗滑稳定性验算要求，此时：
步骤3、根据挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求，进一步得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的差；
所述挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求如下公式所示：
其中，Kt为挡土墙的抗倾覆安全系数；
将公式(2)和(4)式代入公式(5)式中，整理得：
其中，
步骤4、结合岩土工程勘察的地质资料进行挡土墙地基承载力验算，结合墙体材料力学性能指标计算挡土墙墙身强度，完成挡土墙的设计。
采用上述技术方案所产生的有益效果在于：本发明提供的一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，考虑了挡土墙的地震作用力，同时所计算的挡土墙尺寸同时满足挡土墙的抗滑移稳定性验算和抗倾覆稳定性验算要求，不需要修改参数后进行多轮反复验算，保证了挡土墙的安全性，又兼顾了挡土墙的经济性，避免了传统挡土墙设计方法常见的浪费现象。
附图说明
图1为本发明实施例提供的一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法的流程图；
图2为本发明实施例提供的挡土墙断面示意图；
图3为本发明发明实施例提供的挡土墙断面设计尺寸示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
本实施例以如图1所示的某墙高为6m，墙背竖直、光滑，墙后填土水平，用毛石和M2.5水泥砂浆砌筑；砌体重度γ＝22KN/m3，墙后填土为砂土，墙后填土重度γ’＝19KN/m3，墙后填土的内摩擦角基底摩擦系数μ＝0.5的挡土墙墙为例，使用本发明的考虑地震作用挡土墙的优化设计方法设计此挡土墙。
一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，如图2所示，包括以下步骤：
步骤1、计算挡土墙的地震作用力；
假定挡土墙的墙背垂直、光滑，墙后填土水平，并假定挡土墙所受的地震作用力为地震惯性力，等效为静力集中荷载作用，分解为水平和竖向两个分量；
根据挡土墙设计规范，地震作用力的水平分量为重力加速度乘以一定的系数，如下公式所示：
Eh＝ηG
其中，Eh为地震作用力的水平分量，G为重力加速度，η为与挡土墙设计地区的地震设防烈度有关的作用系数；
地震作用力的竖向分量为其水平分量的2/3，如下公式所示：
Ev＝2ηG/3
其中，Eh为地震作用力的水平分量；
本实施例中，该挡土墙所在地区的水平地震作用系数为η＝0.15。
步骤2、将挡土墙分解为三角形和矩形两部分，并根据挡土墙的抗滑移稳定性验算要求，得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的关系；
挡土墙的抗滑移稳定性验算要求如下两个公式所示：
其中，Ks为挡土墙的抗滑安全系数，Ev1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的水平分量，Ev2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的水平分量，Eh1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的竖向分量，Eh2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的竖向分量，G1为挡土墙分解的三角形部分重力，G2为挡土墙分解的矩形部分重力，μ为挡土墙基底对地基的摩擦系数；Ea为墙后土体对挡土墙的主动土压力，主动土压力作用点距离墙地面H/3处；H为挡土墙墙高，b为挡土墙墙顶宽度，a为挡土墙分解的三角形部分的水平边，则a+b为挡土墙的墙底宽度，γ为挡土墙砌体重度；
挡土墙墙顶宽度b由挡土墙构造要求确定，当墙身为混凝土浇筑时，其不应小于40cm，当浆砌时，其不应小于50cm，当干砌时，其不应小于60cm；
将公式(2)代入公式(1)中，整理得：
由(3)式得，当不等式两边相等时，刚好满足挡土墙的抗滑稳定性验算要求，此时：
步骤3、根据挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求，进一步得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的差；
所述挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求如下公式所示：
其中，Kt为挡土墙的抗倾覆安全系数；
将公式(2)和(4)式代入公式(5)式中，整理得：
其中，
步骤4、结合岩土工程勘察的地质资料进行挡土墙地基承载力验算，结合墙体材料力学性能指标计算挡土墙墙身强度，完成挡土墙的设计。
本实施例中，挡土墙后主动土压力的大小为：
其中，Ka为主动土压力系数。
本实施例中，挡土墙强身用毛石和M2.5水泥砂浆砌筑，根据挡土墙构造要求，b≥50cm，本实施例中取b＝50cm＝0.5m。
将上述条件代入公式(3)，计算得，a≥3.0m，代入式(6)，计算得，a≥1.1m，综合考虑，取b＝0.5m，a＝3.0m。
本实施例中，最终设计的挡土墙断面如图3所示。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明权利要求所限定的范围。
Claims (4)
1.一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，其特征在于：包括以下步骤：
步骤1、计算挡土墙的地震作用力；
步骤2、将挡土墙分解为三角形和矩形两部分，考虑挡土墙的地震作用力，并根据挡土墙的抗滑移稳定性验算要求，得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的关系；
步骤3、根据挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求，进一步得到挡土墙的墙顶宽度和墙底宽度的差；
步骤4、结合岩土工程勘察的地质资料进行挡土墙地基承载力验算，结合墙体材料力学性能指标计算挡土墙墙身强度，完成挡土墙的设计。
2.根据权利要求1所述的一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，其特征在于：所述步骤1的具体方法为：
假定挡土墙的墙背垂直、光滑，墙后填土水平，并假定挡土墙所受的地震作用力为地震惯性力，等效为静力集中荷载作用，分解为水平和竖向两个分量；
根据挡土墙设计规范，所述地震作用力的水平分量为重力加速度乘以一定的系数，如下公式所示：
Eh＝ηG
其中，Eh为地震作用力的水平分量，G为重力加速度，η为与挡土墙设计地区的地震设防烈度有关的作用系数；
所述地震作用力的竖向分量为其水平分量的2/3，如下公式所示：
Ev＝2ηG/3
其中，Eh为地震作用力的水平分量。
3.根据权利要求2所述的一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，其特征在于：所述步骤2的具体方法为：
所述挡土墙的抗滑移稳定性验算要求如下两个公式所示：
其中，Ks为挡土墙的抗滑安全系数，Ev1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的水平分量，Ev2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的水平分量，Eh1为挡土墙分解的三角形部分地震作用力的竖向分量，Eh2为挡土墙分解的矩形部分地震作用力的竖向分量，G1为挡土墙分解的三角形部分重力，G2为挡土墙分解的矩形部分重力，μ为挡土墙基底对地基的摩擦系数；Ea为墙后土体对挡土墙的主动土压力，主动土压力作用点距离墙地面H/3处；H为挡土墙墙高，b为挡土墙墙顶宽度，a为挡土墙分解的三角形部分的水平边，则a+b为挡土墙的墙底宽度，γ为挡土墙砌体重度；
所述挡土墙墙顶宽度b由挡土墙构造要求确定，当墙身为混凝土浇筑时，其不应小于40cm，当浆砌时，其不应小于50cm，当干砌时，其不应小于60cm；
将公式(2)代入公式(1)中，整理得：
由(3)式得，当不等式两边相等时，刚好满足挡土墙的抗滑稳定性验算要求，此时：
4.根据权利要求3所述的一种考虑地震作用的挡土墙优化设计方法，其特征在于：所述步骤3的具体方法为：
所述挡土墙的抗倾覆稳定性验算要求如下公式所示：
其中，Kt为挡土墙的抗倾覆安全系数；
将公式(2)和(4)式代入公式(5)式中，整理得：
其中，
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Granted publication date: 20200428 |
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