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摘要：稳定计算是水工挡土墙设计的主要内容，而土压力是挡土墙的主要荷载之一。本文以实际工程为例，针对建设在土基上的悬臂式挡土墙稳定计算中土压力对计算成果的影响进行了探讨，并根据具体情况对土压力的计算提出建议，从而使得计算成果与实际相符，保证结构稳定安全，对类似工程具有一定的借鉴意义。

关键词：悬臂式挡土墙  主动土压力  静止土压力  地基应力

1.引言

稳定计算是水工挡土墙设计的主要内容，而土压力是挡土墙的主要荷载之一。土压力分为主动土压力、静止土压力、被动土压力。一般的，建筑在土基上的挡土墙，在墙后填土的作用下，地基变形可使挡土墙产生少量的倾斜或位移，可满足产生主动土压力的条件，因此在工程设计中，作用于墙背后的土压力常按主动土压力计算。然而，有些时候，按主动土压力计算可能与实际情况是不相符的，本文将以某输水工程翼墙为例，针对建设在土基上的悬臂式挡土墙稳定计算中土压力对计算成果的影响进行探讨。

2.计算分析

2.1基本资料

某输水工程控制闸上游设圆弧翼墙，翼墙为悬臂式挡土墙，钢筋混凝土结构，翼墙总高度8.55m，墙顶高程17.55m，挡土墙横断面见图1。输水干渠设计水位16.00m，加大水位16.30m;闸址处地下水位4.00m，设计洪水位10.90m，校核洪水位11.80m;挡土墙后回填卵石开挖料，水上内摩擦角37°，水下内摩擦角37°;天然地基土为壤土，承载力标准值180kPa，抗剪强度指标（饱和快剪）：内摩擦角13°，粘聚力23kPa;挡土墙钢筋混凝土容重取25kN/m³。

挡土墙主要运行工况包括：

工况1：渠道设计水位，河道无水;

工况2：渠道设计水位，河道设计洪水;

工况3：完建无水;

工况4：渠道加大水位，河道无水;

工况5：渠道设计水位，河道校核洪水;

工况6：渠道正常输水，发生7度地震。

2.2计算分析

挡土墙荷载计算简图见图2。

挡土墙基底应力按下式计算：

式中：σmax、 σmin——分别为墙趾端、墙踵端地基应力;

B——挡土墙基底宽度;

ΣG——作用于挡土墙的全部竖向荷载之和;

ΣM2——各力对前趾端点力矩;

e ——偏心矩。

本工程挡土墙为悬臂式挡土墙，墙后主动土压力采用朗肯计算理论计算。墙后回填卵石开挖料，经计算，主动土压力系数Ka=0.2486。

以工况1（渠道设计水位，河道无水）为例，列出主要计算数据，各力及力矩见表1。

抗滑稳定计算：

摩擦角φ0=13*0.9=11.7，粘聚力C0=23*0.2=4.6

抗滑稳定安全系数

Kc=（TAN（11.7）*1238.928+4.6*7.5）/5.335=54.559

地基应力计算：

偏心距e=7.5/2-4933.056/1238.928=-0.232m

σmax=1238.928/7.5*（1+6*-0.232/7.5）=134.531kPa

σmin=1238.928/7.5*（1-6*-0.232/7.5）=195.85kPa

不均匀系数η=195.85/134.531=1.456

平均地基应力σ=（134.531+195.85）/2=165.1905kPa

从地基应力、地基不均匀系数来看，平均地基应力小于地基承载力，最大地基应力小于地基承载力1.2倍，不均匀系数小于2（中等坚实地基），满足规范要求。再仔细分析一下计算结果可以发现，σmax=134.531kPa<σmin=195.851kPa，即墙趾端地基应力小于墙踵端地基应力（见图3所示），对于非软弱地基，这样的计算结果表现出挡土墙有“倒向填土一侧”的趋势，这与挡土墙受主动土压力的假定矛盾。出现上述这种情况的原因是，按主动土压力计算的土压力偏小，作用在挡土墙上的土压力应当大于主动土压力。

作用在挡土墙墙背上的土压力以主动土压力最小，静止土压力次之，被动土压力最大。下面，再按挡土墙后承受静止土压力进行进一步验算。

根据计算并结合经验值，墙后填土静止土压力系数取K0=0.4。以工况1（渠道设计水位，河道无水）为例，列出主要计算数据，各力及力矩见表2。

抗滑稳定计算：

抗滑稳定安全系数

Kc=（TAN（11.7）*1238.928+4.6*7.5）/116.013=2.509

地基应力计算：

偏心距e=7.5/2-4617.624/1238.928=0.023m

σmax=1238.928/7.5*（1+6*0.023/7.5）=168.23kPa

σmin=1238.928/7.5*（1-6*0.023/7.5）=162.151kPa

不均匀系数η=168.23/162.151=1.037

平均地基应力σ=（168.23+162.151）/2=165.1905kPa

从计算结果来看，墙趾端地基应力略大于墙踵端，这说明墙后的土压力介于主动与静止土压力之间，且较接近静止土压力。

通过将上述两种计算结果对比分析可知：对于非软弱地基，在此计算工况下，当墙后土压力按主动土压力计算时，得到的地基应力结果表现出挡土墙有“倒向填土一侧”的趋势，与挡土墙受主动土压力的假定矛盾，同时，这样计算得到较大的抗滑稳定安全系数;当墙后土压力按静止土压力计算时，得到的地基应力与实际情况较为接近，相对于按主动土压力计算的抗滑稳定安全系数小，计算结果是偏于安全的。

4.结语

一般的，建筑在土基上的挡土墙，作用于墙背后的土压力常按主动土压力计算，但有些时候，还需要根据实际情况进行分析。对此，本人提出以下建议：对于非软弱地基，当墙后土压力按主动土压力计算得到与挡土墙受主动土压力的假定相矛盾的成果时，可进一步按静止土压力进行验算，结合对两种计算结果的分析，选定合理且安全的成果。通常情况下，按静止土压力复核后，可以得到较合理的结果。如果验算后发现挡土墙承受的土压力介于静止与被动土压力之间，则建议考虑对挡土墙布置、结构尺寸等进行适当调整或根据工程需要按承受被动土压力设计挡土墙并根据其特点（如可能产生较大变形等）采取相应措施。

参考文献

[1] 中华人民共和国水利部 . SL379-2007 . 水工挡土墙设计规范 [S]

[2] 中华人民共和国水利部 . SL265-2016 . 水闸设计规范 [S]