一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法

摘要

本发明涉及挡土墙内部结构设计技术领域，提供一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法，首先搜集当地气象水文资料、加筋土筋材、墙面板等常用材料和规格；选择合适的加筋土填料并测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数；进行填料的非饱和性质实验，确定出降雨入渗条件下非饱和填料吸应力方程；依据墙面板规格初选加筋的布置形式，并依据非饱和理论计算作用于筋带上的土压力和摩擦力；利用摩擦原理确定筋带的有效长度，最终确定出合理的筋带长度。本发明基于实际降雨入渗工况和非饱和土压力理论进行加筋土筋带长度设计，考虑了加筋土挡土墙实际受力特征，设计结果可靠，能够满足加筋土挡土墙安全经济的设计要求。

权利要求

1.一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：步骤1：搜集当地气象和水文资料，因地制宜的选择加筋土筋带、墙面板的材料和几何尺寸；所述筋带的几何尺寸是指筋带的断面尺寸；

步骤2：选择合适的加筋土填料并测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数；

所述合适的加筋土填料是指易于填筑和压实的土体；所述的基本物理力学和水理性质指标参数包括填料重度、有效黏聚力、有效内摩擦角、饱和渗透系数；

所述步骤2中，所述测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数是要求在填料达到加筋土挡土墙填土设计填筑状态的条件下测得的；

步骤3：进行填料的非饱和性质实验，确定出实际降雨的入渗特征和非饱和填料吸应力方程；所述填料的非饱和性质实验是指测定填料的土水特征曲线；所述实际降雨的入渗特征是指确定填料的降雨稳定入渗率；所述非饱和填料吸应力方程是指吸应力与降雨稳定入渗率、饱和渗透系数之间的相关关系；

所述步骤3中，所述非饱和填料吸应力方程为

其中：χ为有效应力参数，ua为孔隙气压力，uw为孔隙水压力，q为降雨稳定入渗率，ks为饱和渗透系数，α、n为土水特征曲线模型参数，z为土料深度，γw为水的容重；

步骤4：依据墙面板尺寸初选加筋的布置形式，由非饱和土压力理论计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度；

所述步骤4中，所述计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度，具体包括下述步骤：步骤4.1：计算作用于每根筋带上的土压力为

σv＝γz

其中：qa为土压力，σh为土料的水平向应力，ua为孔隙气压力，σv为土料的垂直向应力，Ka为主动土压力系数，γ为填料重度，c′为有效黏聚力，χ为有效应力参数，uw为孔隙水压力，φ′为有效内摩擦角；

步骤4.2：计算作用于每根筋带上的摩擦力为

f＝Nμ

其中：N为作用在筋带上的正压力，由土料垂直向应力和地表超载引起的正压力两部分构成，其中地表超载引起的正压力可由应力扩散法或各行业的规范推荐法计算，μ为筋带与土料的似摩擦系数，取0.25-0.5；

步骤4.3：初步确定筋带的有效长度为

其中：L为筋带的有效长度，b为筋带的宽度，sx、sy分别筋带水平和垂直间距，K为筋带拉力峰值附加系数，取1.5-2.0；

步骤5：计算筋带长度并判断所得筋带长度的合理性；所述筋带长度的合理性包括：墙高大于3米时，筋带最小长度应大于0.8倍墙高，且不小于5米；墙高低于3米时，筋带最小长度不应小于4米；若所得筋带长度未通过合理性检验，则进入步骤4；若所得筋带长度通过合理性检验，则完成筋带长度计算；

所述步骤5中，所述筋带长度等于筋带有效长度与无效长度之和，其中无效长度按各行业推荐的破裂面假设确定。

说明书

一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法

技术领域

[0001] 本发明涉及挡土墙内部结构设计技术领域，特别是涉及一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法。

背景技术

[0002] 加筋土挡土墙由于具有造价低、外形美观、施工简便、速度快且对地基承载力要求低等优点，在岩土填方工程支挡领域得到了广泛应用。目前，加筋土挡土墙设计主要是基于饱和土强度理论，然后，土体饱和的假定显然有挡土墙实际工况条件不符，设计结果过于保守，因此，近年来把非饱和土力学原理应用到解决与非饱和土条件相关的岩土工程问题的方法得到了越来越广泛的认同。

[0003] 文献张涛《加筋土挡土墙极限状态设计研究》对加筋土挡土墙设计由安全系数法向基于概率论的极限状态设计方法转变进行了探讨；肖雁征、孙玉海等《加筋土挡土墙边坡加固的有限元计算研究》、《基于有限元的加筋土挡土墙加筋材料合理设计参数》采用数值模拟的方法确定加筋土挡土墙的设计参数。但已有的文献对现有加筋土挡土墙设计方法上的改进都没有考虑加筋土挡土墙实际的非饱和状态，其受力特征与真实条件存在差距，因此，建立一种考虑实际受力特征的加筋土挡土墙筋带长度设计方法是必要的和可行的。

发明内容

[0004] 针对现有技术存在的问题，本发明提供一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法，考虑加筋土挡土墙实际受力特征、原理简单、过程简便、设计结果可靠，能够在保证加筋土挡土墙安全的前提下，降低工程造价。

[0005] 本发明的技术方案为：

[0006] 一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

[0007] 步骤1：搜集当地气象和水文资料，因地制宜的选择加筋土筋带、墙面板等常用材料和几何尺寸；所述筋材的几何尺寸是指筋材的断面尺寸；

[0008] 步骤2：选择合适的加筋土填料并测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数；所述合适的加筋土填料是指易于填注和压实的土体；所述的基本物理力学和水理性质指标参数包括填料重度、有效黏聚力、有效内摩擦角、饱和渗透系数；

[0009] 步骤3：进行填料的非饱和性质实验，确定出实际降雨的入渗特征和非饱和填料吸应力方程；所述填料的非饱和性质实验是指测定填料的土水特征曲线；所述实际降雨的入渗特征是指确定填料的降雨稳定入渗率；所述非饱和填料吸应力方程是指吸应力与降雨稳定入渗率、饱和渗透系数之间的相关关系；

[0010] 步骤4：依据墙面板尺寸初选加筋的布置形式，由非饱和土压力理论计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度；

[0011] 步骤5：计算筋带长度并判断所得筋带长度的合理性；所述筋带长度的合理性包括：墙高大于3米时，筋带最小长度应大于0.8倍墙高，且不小于5米；墙高低于3米时，筋带最小长度不应小于4米；若所得筋带长度未通过合理性检验，则进入步骤4；若所得筋带长度通过合理性检验，则完成筋带长度计算。

[0012] 所述步骤2中，所述测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数是要求在填料达到加筋土挡土墙填土设计填筑状态的条件下测得的。

[0013] 所述步骤3中，所述非饱和填料吸应力方程为

[0014]

[0015] 其中：为有效应力参数，为孔隙气压力， 为孔隙水压力，为降雨稳定入渗率，为饱和渗透系数，、为土水特征曲线模型参数，为土料深度，为水的容重。

[0016] 所述步骤4中，所述计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度，具体包括下述步骤：

[0017] 步骤4.1：计算作用于每根筋带上的土压力为

[0018]

[0019]

[0020]

[0021] 其中：为土压力，为土料的水平向应力， 为孔隙气压力， 为土料的垂直向应力， 为主动土压力系数，为填料重度， 为有效黏聚力，为有效应力参数，  为孔隙水压力，为有效内摩擦角；

[0022] 步骤4.2：计算作用于每根筋带上的摩擦力为

[0023]

[0024] 其中：为作用在筋带上的正压力，一般由土料垂直向应力和地表超载引起的正压力两部分构成，其中地表超载引起的正压力可由应力扩散法或各行业的规范推荐法计算，为筋带与土料的似摩擦系数，一般取0.25-0.5；

[0025] 步骤4.3：初步确定筋带的有效长度为

[0026]

[0027] 其中：为筋带的有效长度，为筋带的宽度， 分别筋带水平和垂直间距，为筋带拉力峰值附加系数，一般取1.5-2.0。

[0028] 所述步骤5中，所述筋带长度等于筋带有效长度与无效长度之和，其中无效长度按各行业推荐的破裂面假设确定。

[0029] 本发明的有益效果为：

[0030] （1）本发明结合降雨入渗工况下加筋土挡土墙筋带的实际受力特征进行筋带长度的计算，考虑了加筋土挡土墙失稳破坏的主要诱发因素，是一种实用性很强的设计方法；

[0031] （2）本发明利用非饱和原理进行土压力计算，理论依据充分，计算过程简单，结果可靠，确定的筋带长度能够在满足加筋土挡土墙设计安全性的前提下，降低工程造价；

[0032] （3）本发明适用于砂土、粉土、填土等多种类型填料和地表超载类型，是对现有岩土工程中加筋土挡土墙设计理论和方法的有效补充和完善，具有很宽的应用范围。

附图说明

[0033] 图1为本发明一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法的流程图；

[0034] 图2为本发明具体实施方式中加筋土挡土墙布置、吸应力分布和土压力分布示意图；

[0035] 图中，1-土压力曲线，2-吸应力曲线，3-墙面板，4-筋带，5-地面，6-地下水位线，7-填料，8-破裂面，9-填土面。

具体实施方式

[0036] 下面将结合附图和具体实施方式，对本发明作进一步描述。

[0037] 如图1所示，为本发明一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法的流程图。本发明的一种降雨入渗条件下加筋土挡土墙筋带长度的确定方法，其特征在于，包括下述步骤：

[0038] 步骤1：搜集当地气象和水文资料，因地制宜的选择加筋土筋带、墙面板等常用材料和几何尺寸；所述筋材的几何尺寸是指筋材的断面尺寸。

[0039] 本实施例中，选择某建筑工程边坡加筋土挡土墙设计工程，墙高4米，、填土面（9）水平，地下水位线（6）位于地面（5）下1米处，地表无超载。选用钢筋混凝土面板和拉筋，均采用C20混凝土，二级钢筋，墙面板（3）形状为十字型，几何尺寸为高0.6米、宽0.8米、厚0.15米；拉筋宽为0.1米，厚为0.06米，并获取了当地详细的降雨和水文资料。

[0040] 步骤2：选择合适的加筋土填料并测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数；所述合适的加筋土填料是指易于填注和压实的土体；所述的基本物理力学和水理性质指标参数包括填料重度、有效黏聚力、有效内摩擦角、饱和渗透系数。

[0041] 所述步骤2中，所述测试获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数是要求在填料达到加筋土挡土墙填土设计填筑状态的条件下测得的。

[0042] 本实施例中，选择当地广泛分布的砂黏土为加筋土挡土墙墙后填料（7），并根据填料的设计参数，即干密度为1.62g/cm³，含水率为9.8%，压实度98%状态下取样测试，获得相应的基本物理力学和水理性质指标参数：填料重度 为18kN/m³、有效黏聚力 为15kPa、有效内摩擦角 为30°、饱和渗透系数 为1×10-7m/s。

[0043] 步骤3：进行填料的非饱和性质实验，确定出实际降雨的入渗特征和非饱和填料吸应力方程；所述填料的非饱和性质实验是指测定填料的土水特征曲线；所述实际降雨的入渗特征是指确定填料的降雨稳定入渗率；所述非饱和填料吸应力方程是指吸应力与降雨稳定入渗率、饱和渗透系数之间的相关关系。

[0044] 所述步骤3中，所述非饱和填料吸应力方程为

[0045]

[0046] 其中：为有效应力参数，为孔隙气压力， 为孔隙水压力，为降雨稳定入渗率，为饱和渗透系数，、为土水特征曲线模型参数，为土料深度，为水的容重。

[0047] 本实施例中，填料的非饱和性质实验采用SW-PF土壤水分特征曲线测试系统进行测定，并采用Van Genuchten模型进行拟合，获得的土水特征曲线模型参数 、分别为0.01kPa-1、4.0，50年一遇降入入渗工况下进行物理模型试验，获得填料的降雨稳定入渗率=-3.14×10-8 m/s，由此确定出所述的吸应力方程，绘制的吸应力与填料深度之间相关关系曲线（2）如图2所示。

[0048] 步骤4：依据墙面板尺寸初选加筋的布置形式，由非饱和土压力理论计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度。

[0049] 所述步骤4中，所述计算作用于每根筋带上的土压力和摩擦力，并初步确定筋带的有效长度，具体包括下述步骤：

[0050] 步骤4.1：计算作用于每根筋带上的土压力为

[0051]

[0052]

[0053]

[0054] 其中：为土压力，为土料的水平向应力， 为孔隙气压力， 为土料的垂直向应力， 为主动土压力系数，为填料重度， 为有效黏聚力，为有效应力参数，  为孔隙水压力，为有效内摩擦角；

[0055] 步骤4.2：计算作用于每根筋带上的摩擦力为

[0056]

[0057] 其中：为作用在筋带上的正压力，一般由土料垂直向应力和地表超载引起的正压力两部分构成，其中地表超载引起的正压力可由应力扩散法或各行业的规范推荐法计算，为筋带与土料的似摩擦系数，一般取0.25-0.5；

[0058] 步骤4.3：初步确定筋带的有效长度为

[0059]

[0060] 其中：为筋带的有效长度，为筋带的宽度， 分别筋带水平和垂直间距，为筋带拉力峰值附加系数，一般取1.5-2.0。

[0061] 本实施例中，依据墙面板（3）尺寸初选筋带（4）布置在墙面板（3）中心处，均匀分布在填料（7）中，垂直和水平间距分别为0.6米和0.8米，墙面板（3）和筋带（4）布置剖面图如图2所示，依据所述土压力和摩擦力方程计算作用于每条筋带上的土压力和摩擦力，所得的土压力曲线（1）如图2所示，计算得相应筋带有效长度的结果如下表1所示。

[0062] 表1

[0063]

[0064] 步骤5：计算筋带长度并判断所得筋带长度的合理性；所述筋带长度的合理性包括：墙高大于3米时，筋带最小长度应大于0.8倍墙高，且不小于5米；墙高低于3米时，筋带最小长度不应小于4米；若所得筋带长度未通过合理性检验，则进入步骤4；若所得筋带长度通过合理性检验，则完成筋带长度计算。

[0065] 所述步骤5中，所述筋带长度等于筋带有效长度与无效长度之和，其中无效长度按各行业推荐的破裂面假设确定。

[0066] 本实施例中，按0.3H折线法确定的破裂面（8）如图2所示，由此确定出筋带的无效长度，逐层计算有效长度并与无效长度求和可得最终的筋带长度，进行合理性判断，由于墙高大于3米，作用于筋带上的土压力较小，按筋带不小于5米的原则通过合理性检验，完成筋带长度的计算，最终确定出筋带的设计长度如下表2所示。

[0067] 表2

[0068]

[0069] 显然，上述实施例仅仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。上述实施例仅用于解释本发明，并不构成对本发明保护范围的限定。基于上述实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，也即凡在本申请的精神和原理之内所作的所有修改、等同替换和改进等，均落在本发明要求的保护范围内。