关于挡土墙的地基承载力验算及抗倾覆稳定性验算方法的探讨

专投《岩土工程技术》关于挡土墙的地基承载力验算及抗倾覆稳定性验算方法的探讨黄太华饶英明谭萍（中南林学院建工学院，湖南，长沙410004）【摘要】通过对影响挡土墙抗倾覆稳定性问题的深入分析，提出了一种引入挡土墙主动土压力分项系数进行挡土墙抗倾覆稳定性验算的全新方法，该方法将挡土墙的地基承载力验算与抗倾覆稳定性验算合并，概念清晰且计算结果可靠，并能与现行《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001及《建筑结构荷载规范》GB50009-2001协调一致。【关键词】挡土墙地基承载力抗倾覆稳定性验算【中图分类号】StudyontheMethodofCheckingComputationforRetainingwall’sGroundBearingCapacityandtheAnti-overturningStabilityHuangTaihuaRaoYingmingTanPing(SchoolofArchitectureandEngineering，CentralSouthForestryUniversity,ChangSha,410004,Hunan,China)【Abstract】Afteranalyzingthefactorsinfluencingtheretainingwall’santi-overturningstability,Weputforwardtoanewmethodwithintroducingthepartialfactorofretainingwall’sactiveearthpressuretodealwiththecheckingcomputationforretainingwall’santi-overturningstability,Inthismethod,Thecheckingcomputationforgroundbearingcapacityandthecheckingcomputationforanti-overturningstabilityhavebeenunited,Theconceptisclearandtheconsequenceisreliable,Moreover,Itisconsistentwiththe《Unifiedstandardforreliabilitydesignofbuildingstructures》GB50068-2001and《Loadcodeforthedesignofbuildingstructures》GB50009-2001.【Keywords】retainingwallgroundbearingcapacityanti-overturningcheckingcomputationforstability0前言《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002的条文说明中对挡土墙的抗倾覆和抗滑移稳定性验算有以下描述：对于重力式挡土墙的稳定性验算，许多设计者反映，重力式挡土墙的稳定性验算，主要由抗滑稳定性控制，而现实工程中倾覆稳定破坏的可能性又大于滑动破坏。说明过去抗倾覆稳定性安全系数偏低，这次稍有调整，由原来的1.5调整成1.6。笔者经过分析认为，规范在该问题上的处理方法存在诸多不妥之处，没有从根本上找到解决挡土墙抗倾覆稳定性问题的方法。现在的挡土墙设计中，在挡土墙抗倾覆安全系数计算值一致的情况下，真实的挡土墙抗倾覆安全度其实是不一样的，理由如下：0.1规范中的挡土墙抗倾覆稳定性验算是以墙趾作为支点的，这就要求墙趾是一个能提供无限大的支承反力的支点，而实际的情况应该是建立在地基反力基础上的支点必然在墙趾的内作者简介：黄太华，1967年5月生，男，汉族，湖南安化县人，毕业于合肥工业大学土木工程系，副教授，一级注册结构师，主要从事建筑结构工程的教学与科研设计。地址：湖南长沙中南林学院建工学院410004E-mail：[e-mail]电话：[phone]或0733-6142937。侧，由此导致抗倾覆力矩RM计算值比实际值偏大，即计算的抗倾覆安全系数K比实际的抗倾覆安全系数K要大，故计算的抗倾覆安全系数K不能反映真实的抗倾覆安全度。0.2对于不同的地基将有不同的地基承载力，由于抗倾覆安全系数K的计算未包含地基承载力的影响，所以按计算得出的相同的抗倾覆安全系数K其安全度是不一样的。在抗倾覆安全系数计算值相同的情况下，实际情况是：承载力高且压缩性低的地基实际的抗倾覆安全度偏高，而承载力低且压缩性高的地基实际的抗倾覆安全度偏低。0.3根据土压力与变形的关联关系，按极限平衡状态建立起来的主动土压力公式的计算主动土压力值有可能比实际的主动土压力值要低，其值应介于主动土压力计算值与静止土压力值之间，这将引起挡土墙倾覆力距SM计算值偏低，即挡土墙抗倾覆安全系数K计算值偏高；同时还引起基底最大反力maxp计算值偏低。0.4用于主动土压力计算的粘聚力c和内摩擦角应按标准值取值，由于取值上的随意性及无很好的施工控制措施，往往导致取用值比实际值偏大，这也是导致主动土压力计算值比实际值偏小的原因。0.5对于高度较大的挡土墙采用主动土压力增大系数c的方法不是解决挡土墙问题的合理方法。另外，在挡土墙抗倾覆和抗滑动稳定性验算中仍采用安全系数作为安全度的评价方法与现行的规范体系不相协调。笔者经过分析认为可采用引入主动土压力分项系数的方法，通过保证地基承载力来同时满足抗倾覆稳定性的要求。1基本原理及公式对图-1所示的挡土墙，在主动土压力aE和挡土墙自重G的综合作用下，对挡土墙底部将形成一偏心距为Se、大小为G的竖向作用。假定修正后的地基承载力特征值为af，挡土墙底部的最大地基反力为maxp，令afp2.1max，按地基总反力P等于挡土墙自重G的原则，可求出地基总反力作用线与挡土墙底部几何中心线的距离Re。（1）挡土墙主动土压力aE与挡土墙自重G的合力作用线到挡土墙基底中心线的距离Se的计算GxbGzEedaS)2(（2）地基最大反力pmax=1.2fa、且地基力总反力P等于挡土墙主动土压力Ea与挡土墙自重G的竖向合力时，对应的地基总反力作用线到挡土墙基底中心线的距离eR的计算假定在此极限状态时的地基反力为三角形分布，a为地基总反力作用线到墙趾的距离。图-1挡土墙受力分析图afapGa8.1321max则afGa8.1addRfGbabe8.122根据eS与eR的相对大小关系有以下三种可能：a当eS＜eR时，挡土墙处于一种安全状态，它出现在修正前地基承载力特征值fak偏大的时候；b当eS＝eR时，挡土墙处于一种极限状态，它出现在修正前地基承载力特征值fak适中的时候；c当eS＞eR时，挡土墙处于一种不安全状态，它出现在修正前地基承载力特征值fak偏小的时候。以上各种状态可通过图-2的三个分图表示。按《建筑结构可靠度设计统一标准》GB50068-2001第7.0.4条，在进行抗倾覆稳定性验算时，当永久荷载效应对结构构件的承载能力有利时，荷载分项系数不应大于1.0；当可变荷载效应对结构构件的承载能力不利时，在一般情况下应取为1.4。按以上原则，对挡土墙的自重G的荷载分项系数可取为1.0；考虑到可适当降低挡土墙的安全度，一般情况下将可变荷载分项系数乘以0.9后可得挡土墙主动土压力分项系数γE，可取为1.25。将挡土墙的主动土压力Ea进行修正后可求得相应的eS，当eS≤eR时，挡土墙处于一种安全状态。挡土墙基底中心线GPP挡土墙基底中心线GPP挡土墙基底中心线GPP(a)对eS＜eR的情况(b)对eS＝eR的情况(c)对eS＞eR的情况图-2挡土墙抗倾覆的三种状态对不同高度、不同重要性的挡土墙，建议引入挡土墙重要性等级的概念，可将挡土墙分为Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ级，其挡土墙主动土压力分项系数γE依次可取为1.40、1.25、1.10。2算例对某无地下水作用的直立式挡土墙，基本参数如下：填土内摩擦角30，粘聚力c=0，填土容重3/18mkNs，挡土墙容重3/22mkN，假定墙后填土与挡土墙间无摩擦力存在；挡土高度为h=3000mm，挡土墙顶部宽度mmbu500，挡土墙底部宽度mmbd1250。解：（1）安全系数K、相应的最大地基反力pmax及需要的修正后的地基承载力fa的计算a、主动土压力的计算mkNhsa/18)23045(tan318)245(tan22kNEaa2731821321mz0.1b、挡土墙自重相关参数的计算kNG75.2422375.021375.0211mx5.075.0321kNG332235.035.02mx0.125.075.02mGGxGxGx786.03375.240.1335.075.24212211kNGGG75.573375.2421c、抗倾覆安全系数K的计算6.168.10.127786.075.57zEGxKa满足规范要求d、相应的最大地基反力pmax的计算主动土压力与挡土墙自重的合力对基底中心线的偏心e为：mGxbGzEeda307.075.57)786.0225.1(75.570.127)2(mbed208.0625.160minp基底反力呈三角形kNGap75.57321max将mebad417.0208.0225.12代入得pmax=92.3kPae、需要的修正后的地基承载力fa的计算pmax=1.2fa=92.3kPa则fa=76.9kPa（2）已考虑γE的eS的计算mGxbGzEedaES423.075.57)786.0225.1(75.570.12725.1)2(（3）当eS＝eR时的fa需要值的计算kNGap75.57321max将mebaRd202.0423.0225.12及afp2.1max代入得fa=158.8kPa由于前提条件为eS＝eR，故此时挡土墙处于极限状态。（4）当fa=76.9kPa时的eR值kNGap75.57321maxkPafpa3.929.762.12.1max得a=0.417m则memabeSdR423.0208.0417.0225.12由于eS＞eR，故此时挡土墙无合适的抗倾覆安全储备（5）当fa=180kPa时的eR值kNGap75.57321maxkPafpa2161802.12.1max得a=0.178m则memabeSdR423.0447.0178.0225.12由于eS＜eR，故此时挡土墙处于有相当安全储备的状态从以上的计算可以看出，eR是一个与fa有关的量，它随地基承载力fa的增大而增大，而eS是一个同Ea及G相关的量，即eS包含了以前抗倾覆安全系数K的内涵。3结论（1）对已计入γE的影响后的eS，当eS≤eR时，挡土墙既能满足地基承载力的要求也能满足抗倾覆稳定性的要求。（2）由于土的弹塑性性质，实际的eR值要比计算的eR值大，故实际的抗倾覆安全度较计算结果要高，其程度有待进一步探讨。（3）本文仅为某特定情况下的直立式挡土墙的验算，由于墙背土与墙背的摩擦力的存在将使前述计算偏于安全，对于一般情况下的计算有待进一步具体化。（4）该方法简单明了，且与《筑结构构可靠度设计统一标准》GB50068-2001相协调，彻底放弃了安全系数法，概念清晰、使用方便。参考文献1中华人民共和国国家标准.建筑建筑结构可靠度设计统一标准（GB50068-2001）.北京:中国建筑工业出版社,2002，16～18。2中华人民共和国国家标准.建筑地基基础设计规范（GB50007-2002）.北京:中国建筑工业出版社,2002，40～45,204～206。3武汉工业大学.《土力学与基础工程》.武汉：武汉工业大学出版社,2000.7:106～121。4国家建筑标准设计.重力式挡土墙（