張遠(yuǎn)芳?張凌凱

摘要：擋土墻是阻止土體向下滑移并保持土體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)物。擋土墻設(shè)計(jì)是土建本科專(zhuān)業(yè)土力學(xué)地基基礎(chǔ)課程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，擋土墻的設(shè)計(jì)和計(jì)算涉及內(nèi)容廣泛，影響因素眾多，幾乎含蓋了土力學(xué)所學(xué)的內(nèi)容。如果能熟練掌握擋土墻設(shè)計(jì)的一般步驟，可使學(xué)生從大學(xué)一、二年級(jí)的定式模式中解脫出來(lái)，逐步接受不定式教育模式，適應(yīng)工程設(shè)計(jì)中的設(shè)計(jì)是逐步完善、逐步逼近的過(guò)程，以此來(lái)滿(mǎn)足工程所需的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用性的要求。擋土墻設(shè)計(jì)對(duì)水利水電工程專(zhuān)業(yè)學(xué)生學(xué)好土力學(xué)課程有很大的幫助和促進(jìn)。

關(guān)鍵詞：土力學(xué)；擋土墻；課程設(shè)計(jì)；重要性

作者簡(jiǎn)介：張遠(yuǎn)芳（1963-），女，江蘇無(wú)錫人，新疆農(nóng)業(yè)大學(xué)水利與土木工程學(xué)院，副教授。（新疆 烏魯木齊 830052）

基金項(xiàng)目：本文系新疆水利水電工程重點(diǎn)學(xué)科基金（項(xiàng)目編號(hào)：xjzdsk-2002-10-05）的研究成果。

中圖分類(lèi)號(hào)：G642 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-0079（2014）09-0117-02

土力學(xué)是土木工程及水利水電工程等建筑工程類(lèi)學(xué)科的專(zhuān)業(yè)基礎(chǔ)課，其理論性很強(qiáng)，實(shí)踐性更強(qiáng)。只經(jīng)過(guò)狹窄的數(shù)理化教育和經(jīng)典力學(xué)訓(xùn)練的大學(xué)本科一、二年級(jí)學(xué)生，面對(duì)這樣一門(mén)生疏課程，常常會(huì)不知所措。因而，在土力學(xué)的教學(xué)中，需強(qiáng)調(diào)與灌輸該學(xué)科的特殊性，培養(yǎng)學(xué)生學(xué)習(xí)土力學(xué)概念的正確思維方法。調(diào)動(dòng)他們的生活經(jīng)驗(yàn)，重視實(shí)際，聯(lián)系實(shí)際，以適應(yīng)土力學(xué)課程的學(xué)習(xí)。[1，2]擋土墻是阻止土體向下滑移并保持土體穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)物。擋土墻設(shè)計(jì)是土建本科專(zhuān)業(yè)土力學(xué)地基基礎(chǔ)課程中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，在進(jìn)行擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，分為選型、計(jì)算作用在擋土墻上的土壓力和擋土墻的計(jì)算三部分。擋土墻的設(shè)計(jì)和計(jì)算內(nèi)容涉及廣泛，影響因素眾多，幾乎含蓋了土力學(xué)所學(xué)的內(nèi)容。如果能熟練掌握擋土墻設(shè)計(jì)的步驟，則對(duì)學(xué)生學(xué)好土力學(xué)課程有很大的幫助和促進(jìn)。然而在水利水電工程本科專(zhuān)業(yè)的土力學(xué)課程卻缺乏該內(nèi)容的設(shè)置，只涉及了土壓力基本理論，未涉及應(yīng)用問(wèn)題，學(xué)生總是感到土力學(xué)課程學(xué)習(xí)內(nèi)容繁雜，碰到實(shí)際情況難以下手。因此有必要對(duì)擋土墻設(shè)計(jì)在水利水電工程本科專(zhuān)業(yè)土力學(xué)課程中是否應(yīng)該設(shè)置進(jìn)行充分的探討。

一、擋土墻設(shè)計(jì)的一般步驟

1.擋土墻類(lèi)型的選擇

當(dāng)?shù)刭|(zhì)情況及擋土墻的結(jié)構(gòu)型式不同時(shí)擋土墻可分為重力式、懸臂式、扶壁式、錨桿式、加筋式及板墻式等6種。[3]根據(jù)用途及受力方式的不同可選擇不同類(lèi)型的擋土墻。當(dāng)場(chǎng)地較大，混凝土骨料較充足時(shí)可選擇重力式擋土墻；當(dāng)支護(hù)土體高度較小或基坑開(kāi)挖深度較淺時(shí)，可采用懸臂式擋土墻；當(dāng)土層較軟且缺乏混凝土骨料時(shí)，可采用加筋式擋土墻；當(dāng)支護(hù)土體較高或基坑開(kāi)挖深度較深時(shí)，可采用錨桿式或板樁墻式擋土墻等（圖1）。[4]

2.擋土墻尺寸的選擇

擋土墻設(shè)計(jì)首先要選定初步尺寸，然后按穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)要求進(jìn)行分析計(jì)算，并根據(jù)穩(wěn)定條件修改尺寸，這是一個(gè)試算的過(guò)程，可得到多種設(shè)計(jì)方案，直到滿(mǎn)足設(shè)計(jì)條件為止。[4-6]初設(shè)尺寸以重力式為例（圖2）。

3.擋土墻破壞類(lèi)型

擋土墻建成后，主要受到墻體自重作用，墻后填土推力及地基反力的作用（圖3）。擋土墻失穩(wěn)主要是墻后主動(dòng)土壓力作用的結(jié)果，其失穩(wěn)的型式主要包括：擋土墻滑動(dòng)失穩(wěn)；擋土墻傾覆失穩(wěn)；擋土墻地基失穩(wěn)（圖4）；擋土墻自身強(qiáng)度的破壞等。防止擋土墻失穩(wěn)的主要因素是其自重和地基反力，因此，擋土墻穩(wěn)定性受主動(dòng)土壓力、墻自重和地基承載力控制。

4.擋土墻驗(yàn)算

擋土墻驗(yàn)算通常應(yīng)包括抗滑穩(wěn)定、抗傾覆穩(wěn)定、地基承載力、墻自身強(qiáng)度驗(yàn)算。[7-10]

（1）抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算。如圖5所示，將作用在擋土墻上的土壓力Ea分解成水平分力Eax和垂直壓力Eay，使擋土墻產(chǎn)生滑動(dòng)的力為Eax，抵抗滑動(dòng)的力為Eay和W在基底產(chǎn)生的摩擦力?？够突瑒?dòng)力的比值稱(chēng)為抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)，記為ks，當(dāng)ks≥1.3時(shí)滿(mǎn)足穩(wěn)定要求，即抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算應(yīng)滿(mǎn)足下式：

（1）

式中：ks抗滑穩(wěn)定安全系數(shù)；Eax主動(dòng)土壓力的水平分力（kN/m）；Eay主動(dòng)土壓力的垂直分力（kN/m）；μ基底摩擦系數(shù)，查相應(yīng)規(guī)范。

若驗(yàn)算結(jié)果不滿(mǎn)足式（1）時(shí)，則應(yīng)采取以下措施來(lái)解決：修改擋土墻的斷面尺寸，加大自重W，以增大抗滑力；在擋土墻基底鋪砂、石墊層，提高摩擦系數(shù)μ值，增大抗滑力；在擋土墻底做逆坡，利用滑動(dòng)面上的部分反力抗滑；在軟土地基上，其他方法均為無(wú)效或不經(jīng)濟(jì)時(shí)，可在墻踵后加拖板，利用拖板上的土重來(lái)增加抗滑力。

（2）抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算。在進(jìn)行抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算的同時(shí)，還需進(jìn)行抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算?？箖A覆穩(wěn)定性評(píng)價(jià)時(shí)，一般將擋土墻墻趾O作為傾覆失穩(wěn)的力矩中心，則擋土墻抗傾覆安全系數(shù)kf的計(jì)算公式：

（2）

式中：kf為擋土墻抗傾覆安全系數(shù)；a，xf，h分別為W，Eay，Eax對(duì)墻趾O的力臂（m）。

當(dāng)抗傾覆力矩大于傾覆力矩時(shí)，擋土墻才能保持穩(wěn)定，且要求有一定的安全儲(chǔ)備，其穩(wěn)定的安全系數(shù)kf≥1.6。

當(dāng)驗(yàn)算結(jié)果不滿(mǎn)足式（2）時(shí)，可采取以下措施增加抗傾覆力：第一，改變擋土墻的段面尺寸，增加墻體自重；這種方法要增加較大的工程量，因此不經(jīng)濟(jì)。第二，伸長(zhǎng)墻趾，增加力臂a，此時(shí)需增加鋼筋的用量。第三，將墻背做成仰斜式，減小土壓力，這種方法給施工造成了一定的難度。第四，在擋土墻的垂直墻背上做形狀如牛腿的卸荷臺(tái)，則平臺(tái)以上的土壓力不能傳到平臺(tái)以下去，因而減少了作用在擋土墻上的總土壓力，減少了傾覆力，增加穩(wěn)定性。

以上擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算是當(dāng)?shù)鼗休d力較高時(shí)，如巖石地基上的擋土墻，其發(fā)生的傾覆破壞力矩中心往往處在墻趾的位置。而當(dāng)?shù)鼗翂嚎s性高，承載力較低時(shí)，如粘性土地基上的擋土墻，其傾覆失穩(wěn)的力矩中心位于墻底內(nèi)（圖6）。因而地基承載力不同，擋土墻發(fā)生傾覆失穩(wěn)的受力型式也不同。[11]

（3）地基承載力驗(yàn)算。擋土墻地基承載力的驗(yàn)算與一般偏心受壓基礎(chǔ)驗(yàn)算方法相同，應(yīng)同時(shí)滿(mǎn)足（3）、（4）式，即：

（3）

（4）

式中：——最大基底壓力kPa；——最小基底壓力 kPa；f——地基承載力設(shè)計(jì)值kPa。當(dāng)上式不能滿(mǎn)足要求時(shí)，需修改擋土墻尺寸，或進(jìn)行地基處理，提高地基承載能力。

（4）地基變形驗(yàn)算。當(dāng)?shù)鼗翂嚎s性大時(shí)，還需進(jìn)行擋土墻地基變形驗(yàn)算。[12]

計(jì)算地基變形時(shí)，地基內(nèi)的應(yīng)力分布，可采用各向同性均質(zhì)線(xiàn)性變形體理論。最終變形量可按下式進(jìn)行計(jì)算：

（5）

式中：s——地基最終變形量（mm）；s——按分層總和法計(jì)算出的地基變形量（mm）；Ψs——沉降計(jì)算經(jīng)驗(yàn)系數(shù)，根據(jù)地區(qū)沉降觀測(cè)資料及經(jīng)驗(yàn)確定，無(wú)地區(qū)經(jīng)驗(yàn)時(shí)可根據(jù)變形計(jì)算深度范圍內(nèi)壓縮模量的當(dāng)量值（）、基底附加壓力按規(guī)范表格取值；n——地基變形計(jì)算深度范圍內(nèi)所劃分的土層數(shù)；p0——相應(yīng)于作用的準(zhǔn)永久組合時(shí)基礎(chǔ)底面處的附加壓力（kPa）；Esi——基礎(chǔ)底面下第i層土的壓縮模量（MPa），應(yīng)取土的自重壓力至土的自重壓力與附加壓力之和的壓力段計(jì)算；zi，zi-1——基礎(chǔ)底面至第i層土、第i-1層土底面的距離（m）；，——基礎(chǔ)底面計(jì)算點(diǎn)至第i層土、第i-1層土底面范圍內(nèi)平均附加應(yīng)力系數(shù)，可按規(guī)范附錄采用。[12]

二、擋土墻設(shè)計(jì)的重要地位

從擋土墻設(shè)計(jì)的一般步驟看，擋土墻設(shè)計(jì)內(nèi)容涉及廣泛，包括了土的抗剪強(qiáng)度理論、地基變形計(jì)算、土壓力理論、地基承載力確定、穩(wěn)定性驗(yàn)算等知識(shí)的應(yīng)用，通過(guò)擋土墻設(shè)計(jì)可使學(xué)生對(duì)于土力學(xué)所涉及的基本知識(shí)有系統(tǒng)的認(rèn)識(shí)。

擋土墻設(shè)計(jì)可使學(xué)生對(duì)土力學(xué)理論中的不確定因素有充分的了解?？墒箤W(xué)生從大學(xué)一、二年級(jí)的定式模式中解脫出來(lái)，逐步接受不定式教育模式，適應(yīng)工程設(shè)計(jì)中逐步完善、逐步逼近真值的設(shè)計(jì)過(guò)程，以此來(lái)滿(mǎn)足工程所需的安全、穩(wěn)定、經(jīng)濟(jì)適用性的要求。

擋土墻設(shè)計(jì)可使學(xué)生在學(xué)習(xí)土力學(xué)的過(guò)程中將理論與實(shí)踐充分聯(lián)系起來(lái)，與工程實(shí)際相結(jié)合，體現(xiàn)土力學(xué)理論性強(qiáng)，實(shí)踐性也很強(qiáng)的特點(diǎn)。

擋土墻設(shè)計(jì)可使學(xué)生提高學(xué)習(xí)土力學(xué)的興趣，讓學(xué)生學(xué)以致用，不僅是為了學(xué)土力學(xué)而學(xué)土力學(xué)，而是讓他們了解和體會(huì)土力學(xué)在工程中可以解決的問(wèn)題，以及出現(xiàn)問(wèn)題該如何解決，真正達(dá)到學(xué)習(xí)土力學(xué)的目的。因此擋土墻設(shè)計(jì)在土力學(xué)課程中的設(shè)置非常重要。

擋土墻是水利、電力、港口、航道以及房屋建筑等工程中經(jīng)常出現(xiàn)的支擋結(jié)構(gòu)物，水工專(zhuān)業(yè)存在閘壩、溢洪道、廠房等擋土墻的設(shè)計(jì)問(wèn)題。因此擋土墻的設(shè)計(jì)在水利水電工程專(zhuān)業(yè)土力學(xué)教學(xué)中的設(shè)置很有必要。

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（責(zé)任編輯：王意琴）