劉家文

重力式擋土墻結構斷面的優(yōu)化設計

劉家文

(昆明有色冶金設計研究院股份公司，云南昆明650051)

通過重力式擋土墻的大量設計實踐，闡述了重力式擋土墻的類型、各自的適用條件及存在的不足，在確保重力式擋土墻穩(wěn)定、結構斷面合理的情況下，對傳統(tǒng)重力式擋土墻結構斷面提出了優(yōu)化設計。

重力式擋土墻;結構斷面;優(yōu)化設計

0 引言

能夠保持結構物兩側的土體、物料有一定高差的結構稱為支擋結構。支擋路堤填土或山坡土體，防止填土或土體變形失穩(wěn)，而承受側向土壓力的構筑物稱為擋土墻。擋土墻在各種土建工程中應用比較廣泛，如鐵路、公路工程中可用于支撐路堤或路塹邊坡、隧道洞口、支撐橋臺臺后填土，以減少土石方工程量和占地面積，防止水土沖刷路基，并經(jīng)常用于整治塌方、滑坡等路基病害;水利、港灣工程中支擋河岸及水閘的岸墻;民用與工業(yè)建筑中支擋四周場地、銜接場地豎向平臺及形成地下連續(xù)墻等。擋土墻的結構形式很多，有重力式、懸臂式、扶壁式、錨定板式、土釘式、卸荷板式、加筋土式和復合式，以及近年來隨著社會經(jīng)濟發(fā)展和人民生活水平的不斷提高、對環(huán)境保護意識的日益加強而發(fā)展起來的生態(tài)性擋土墻、景觀性擋土墻和文化藝術性擋土墻，其中重力式擋土墻是最古老的一種結構形式，因其料源豐富、形式簡單、取材方便、施工簡便，所以重力式擋土墻仍是我國目前應用最廣泛的結構型式。

1 重力式擋土墻的類型

重力式擋土墻是指依靠墻身自重抵抗土體側壓力的擋土墻，一般采用塊石、片石、混凝土預制塊進行砌筑，或采用毛石混凝土、片石混凝土、素混凝土進行整體澆筑，其斷面基本上都做成簡單的梯形。重力式擋土墻一般不配鋼筋或只在局部范圍內(nèi)配以少量的鋼筋，具有就地取材、施工方便、經(jīng)濟效果好等優(yōu)點，由于重力式擋土墻靠自重維持平衡穩(wěn)定，因此，體積、重量都大，在軟弱地基修建時往往受到地基承載力的限制。

重力式擋土墻根據(jù)其墻背的坡度分為仰斜、折背、俯斜、直立四種類型。如圖1所示。重力式擋土墻基本術語見圖2。

圖1 重力式擋土墻類型Fig.1 Type of Gravity Retaining Wall

圖2 重力式擋土墻術語Fig.2 Term of Gravity Retaining Wall

各類型擋土墻具有各自特點及使用條件，以仰斜、俯斜、直立式3種不同的墻背所受的土壓力分析，在墻高和墻后填料等條件相同時，仰斜墻背的主動土壓力最小，而俯斜墻背的主動土壓力最大，垂直墻背位于兩者之間。如果擋土墻修建時需要開挖，因仰斜墻背可與開挖的臨時邊坡相結合，而俯斜墻背后需要回填土，因此，對于支擋挖方工程的邊坡，宜采用仰斜墻背為好。反之，如果是填方工程，則宜用俯斜墻背或垂直墻，以便填土易夯實。當墻前原有地形比較平坦，用仰斜墻比較合理;若原有地形較陡，用仰斜墻會使墻身增高很多，此時宜采用垂直墻或俯斜墻。

根據(jù)重力式擋土墻的不同設置位置，又可分為路肩墻、路堤墻及路塹墻等3種類型:①路肩墻設置在路肩部位或場地平臺銜接處，墻頂是路肩或場地的組成部分，可以防止路基沿基底滑動，還可以保護臨近路線的既有的重要建筑物，沿河路基在傍水的一側設置路肩擋土墻，可以防止水流對路基的沖刷和侵蝕，以減少壓縮河床;②路堤墻設置在高填土路堤或陡坡路堤的下方，可以防止路堤邊坡或路基沿基底滑動，也可以收縮路堤坡腳，減少填方數(shù)量，減少拆遷和占地面積;③路塹墻設置在路塹邊坡底部，主要用于支撐開挖后不能自行穩(wěn)定的山坡，也可以減少挖方數(shù)量，降低挖方邊坡的高度。

衡重式擋土墻是在重力式擋土墻的基礎上發(fā)展形成的，因此，衡重式是重力式擋土墻的另一種型式。衡重式擋土墻最大的優(yōu)點是可利用衡重平臺上的填土重，迫使墻身整體重心后移，使基底應力趨于均衡，增加了墻身的穩(wěn)定性，提高了擋土的高度。

2 傳統(tǒng)重力式擋土墻結構斷面存在的不足之處

重力式擋土墻設計一般應進行以下驗算:

(1)抗滑移穩(wěn)定性驗算;

(2)抗傾覆穩(wěn)定性驗算;

(3)墻身的強度驗算;

(4)地基的應力驗算;

(5)地基的整體穩(wěn)定性驗算。

目前重力式擋土墻設計方法一般是先根據(jù)墻后填土的性質、工程地質情況和砌筑材料等條件，憑經(jīng)驗初步擬定擋土墻截面尺寸，首先應作抗滑移穩(wěn)定驗算，如不能滿足要求，則改變截面尺寸或采取其它措施，待滿足抗滑移要求后，再作其它各種驗算，直至驗算滿足。要想獲得最佳設計尺寸，必須進行大量的試算工作，比較繁瑣。

重力式擋土墻設計的另一種方法是選用國家建筑標準設計圖集，其設計步驟為:

(1)搜集包括地形圖、工程地質、地震烈度和地方建筑材料等基礎資料，確定擋土墻的安全等級。

(2)參照各類型擋土墻的特點，結合地形、工程地質條件及修建要求，選擇最合適的擋土墻類型。

(3)根據(jù)填料性質、墻趾處的工程地質狀況，確定填料內(nèi)摩擦角、基底摩擦系數(shù)和地基承載力等重要參數(shù)。

(4)根據(jù)墻頂標高、地面標高、基礎埋深，初步確定擋土墻的高度。

(5)核查地基承載力能否滿足要求。核查時，按擋土墻的基底寬度和基礎埋深，將地基承載力特征值fak修正為地基承載力特征值fa。

(6)圖集中擋土墻的墻高是按1 m整數(shù)計，如墻高為非整數(shù)且＜0.50 m時，其截面尺寸采用插入法計算;非整數(shù)且≥0.50 m時應往上取用墻高為整數(shù)的斷面，只修改墻高和墻頂寬度。

例如某工業(yè)場地，根據(jù)工藝設計要求，需要布置為臺階狀，上臺階標高為720 m，布置有道路，道路起點標高為718.90 m，道路終點標高為719.80 m，道路總長300 m，縱坡為3.0‰，道路為雙車道，路面寬為7.0 m，路肩寬2.00 m，路基寬10.0 m，車輛荷載按qk=30 kPa考慮。下臺階標高為712.00 m，布置有廠房。上、下平臺之間采用擋土墻銜接，擋土墻出土高度6.9～7.8 m。地基承載力特征值fak=200 kPa，要求按7度(0.15 g)抗震設防，地基土為砂性土，基底摩擦系數(shù)μ=0.40，填料為粘性土，填料內(nèi)摩擦角ψ=30°。

根據(jù)以上基礎資料，采用直立路肩式擋土墻修建。試算法設計的斷面尺寸見表1，查圖集選定的斷面尺寸見表2。

表1 試算法直立路肩式擋土墻尺寸表Tab.1 Size of Upright Shoulder Retaining W all by Using Trial Method

表2 圖集選定的直立式路肩擋土墻尺寸表Tab.2 Size of Upright Shoulder Retaining W all Selected by the Allas

從表1、表2可看出，設置的直立式路肩擋土墻均能滿足要求，墻頂寬度b與基底寬度B隨墻高增加而逐漸變大，結構斷面變化不大，但采用該設計斷面支護場地及道路路基支擋時存在以下缺點:

(1)墻頂寬度b較寬，將侵占路基用地及廠區(qū)用地;

(2)當用地較為緊張時，將影響場地和道路排水邊溝的布置;

(3)為確保墻面面坡在同一平面上時，砌筑的擋土墻墻頂將寬窄不一;而為了確保擋土墻墻頂在同一線上時，墻面面坡將侵占下臺階用地，影響下場地總平面布置。

3 重力式擋土墻結構斷面優(yōu)化設計

針對重力式路肩擋土墻存在的局限性，在確保擋土墻結構斷面合理、穩(wěn)定的情況下，對路肩擋土墻結構斷面進行優(yōu)化設計，具體為將路肩式擋土墻頂寬按統(tǒng)一寬度控制，向下0.8～1.0 m的高度做成平臺，平臺寬度同該處設計擋土墻斷面，見圖3。

圖3 路肩擋土墻結構優(yōu)化設計Fig.3 Optimal Design of Shoulder Retaining W all

按照上述場地條件及基礎資料，對優(yōu)化調整后的斷面結構進行了計算，計算時擋土墻墻頂寬度均按800 mm設置，經(jīng)計算均滿足要求，斷面優(yōu)化設計結果見表3。

從表3與表1、2的比較可以看出，路肩擋土墻優(yōu)化設計后具有以下優(yōu)點:

(1)墻頂寬度一致，施工的墻面均在同一平面上，墻面及墻頂規(guī)整統(tǒng)一;

(2)有利于節(jié)約用地;

(3)方便管網(wǎng)、排水溝及綠化布置;

(4)減少了圬工量，降低了工程投資。

表3 直立式路肩擋土墻尺寸優(yōu)化表Tab.3 Size Optimization List of Upright Shoulder Retaining Wall

4 衡重式擋土墻結構斷面優(yōu)化設計

衡重式擋土墻由于設置了衡重平臺，使墻身整體重心下移后，增加了墻身的穩(wěn)定性，因此，衡重式擋土墻的高度一般很高。根據(jù)衡重式擋土墻的斷面型式，衡重式擋土墻多用于半挖半填地段，下墻身段位于挖方場地，可與開挖臨時邊坡緊密結合，上墻身位于填方地段，有利于回填壓實，以確保場地穩(wěn)定。但衡重式擋土墻用于全填方場地時，由于下墻身墻背為仰斜墻背，將不利于場地壓實，若場地回填時壓實達不到設計要求將影響擋土墻穩(wěn)定，甚至垮塌。

結合衡重式擋土墻結構型式，當衡重式擋土墻用于全填方場地時，將衡重式擋土墻承重臺以下的墻背背坡由仰斜式改為直立式，見圖4。

圖4 衡重式擋土墻結構優(yōu)化設計Fig.4 Optimal Design of Balance Weight Retaining Wall

在同一設計條件下，對優(yōu)化調整的斷面結構進行了計算。經(jīng)計算，擋土墻的穩(wěn)定性均滿足要求。衡重式擋土墻結構優(yōu)化調整具有以下優(yōu)點:

(1)有利于場地回填壓實、確保擋土墻及場地穩(wěn)定;

(2)同一結構斷面形式的衡重式擋土墻結構改進后還可以減少墻趾處壓應力、墻踵處壓應力及地基平均壓應力，可以彌補地層承載力的不足。

5 結語

重力式路肩擋土墻優(yōu)化設計型式不但可以用于直立式，還可以用于仰斜式、俯斜式，但僅能作為路肩式擋土墻使用，不應用于路堤式、路塹式擋土墻。

改進后的重力式路肩擋土墻、衡重式擋土墻已在大紅山銅、鐵兩礦等項目中使用，從施工完成至今已有多年，效果良好。

該兩項項目已在中國知識產(chǎn)權局申請實用新型專利并得到授權，受《中華人民共和國專利法》保護。

［1］陳忠達.公路擋土墻設計［M］.北京:人民交通出版社，2001.

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Optimal Design of Gravity Retaining Wall Structure Section

LIU Jia－wen
(Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

On the basis of massive design practices of gravity retaining wall，the types，each suitable condition of retaining wall and existing insufficient were set forth.Under making certain the stability and rational structure section，optimal design to structure section of traditional gravity retaining wall was put forward.

gravity retaining wall;structural section;optimal design

TU432

A

1004－2660(2012)03－0037－05

2012－02－10.

劉家文(1976－)，男，云南人，工程師.主要研究方向:工業(yè)企業(yè)總圖設計.