連拱空箱式擋土墻結構形式的探討

□張紅峰(嵩縣水利局)

□賀會芳(嵩縣水?？蒲兴?

□孫國靜(嵩縣農田水利技術中心)

本文首先對軟土地基上常見的各類擋土墻進行簡要的適用性分析，并列舉連拱空箱式擋土墻實例進行穩(wěn)定驗算，而后將驗算結果與在同等條件下（即擋土高度和設計參數均一致）的鋼筋混凝土扶壁式擋墻計算實例進行對比，結果證明連拱空箱式擋土墻在軟弱地基上的適應性遠優(yōu)于鋼筋混凝土扶壁式擋墻。此外，它造價低廉、筑墻材料多樣化，以及一旦發(fā)生事故可進行有效的補救都是其獨到之處。

一、軟土地基上且外墻面為垂直的擋土墻

洛陽市地處洛河下游沖積平原，地貌形態(tài)上屬河流堆積地貌區(qū)。地基土質以亞粘土和粘土為主，地下水位高，一般地基承載力約在100～150KPa，最大也不超過220KPa。在軟弱地基上砌筑高擋墻不外乎有兩種選擇：其一、采用樁基礎或其它加固地基措施；其二、選擇合理的擋墻結構。本文的探討范圍僅限于后者。此外，就擋墻外形而言，又可分為擋墻外墻面垂直或仰斜兩種。在同等擋土條件下采用外墻面垂直的擋墻基底反力大，且穩(wěn)定性亦較差，而外墻面仰斜的則要好得多（這也要看仰斜角的大?。?。

因此在公路擋土墻中普遍采用的是外墻面仰斜的擋土墻。但是用于城市道路的擋土墻卻是以外墻面垂直型居多，這是因為：其一、該型式擋墻占地面積小，可節(jié)約寶貴的城市用地；其二、外墻面垂直的擋墻在外觀上與周圍城市建筑物更顯得和諧統(tǒng)一。本文所討論的擋土墻均系指建造在軟土地基上且外墻面為垂直的擋土墻。

二、擋墻類型的適用性分析

（一）重力式擋墻

對于擋土高度不超過5m的路基擋墻，重力式擋墻常為首選結構。該擋墻形式結構簡潔，便于施工，且能就地取材。缺點是基底應力不均衡，靠前趾部位的基底應力遠大于靠后踵的基底應力。當擋土高度超過5m，重力式擋墻的前趾基底應力有可能超過地基容許承載力，不得已可選用構造稍復雜的衡重式擋墻。

（二）衡重式擋墻

衡重式擋墻的最大優(yōu)點是可利用下墻的衡重平臺迫使墻身整體重心后移，使得基底應力趨于平衡，這樣可適當提高擋土高度。但從另一方面來看，衡重式擋墻的構造形式又限制了擋墻基底寬度不可能做得很大（與重力式擋墻相比），因此就擴散擋墻基底應力而言，衡重式擋墻反不如重力式擋墻。所以采用衡重式擋土墻能夠提高的擋土高度也是比較有限的。

（三）鋼筋混凝土扶壁式擋墻

擋土墻由立壁、墻趾懸臂和墻踵懸臂等3塊懸臂板組成。此形式可進一步提高擋墻砌筑高度，但擋墻底板必須有足夠的寬度，特別在前齒部位。否則基底應力仍很大（見下述兩種擋墻穩(wěn)定驗算的對比結果）。該擋土墻耗鋼量大，造價較高，而且墻體均為立?，F澆，施工復雜。

（四）加筋土擋墻

加筋土擋墻是一種能適應軟土地基砌筑高擋墻的理想結構。它使原本作為擋墻外荷載的墻后填料轉化為墻體結構的一部分無疑是一種創(chuàng)造性的突破。加筋土擋墻造價低廉具有良好的經濟效益，而且它的裝配式構件十分有利于快速施工。盡管加筋土擋墻有諸多優(yōu)點，但在河南城市用得還不很多，主要原因是城市道路敷設地下管線多，與擋墻筋帶形成垂直交叉互有干擾。此外，萬一今后路面開挖維修管道會影響到擋土墻的安全。

三、連拱空箱擋土墻計算實例

（一）設計參數及實例

為使連拱空箱擋土墻可與同等條件下的鋼筋混凝土扶壁式擋土墻進行比較，在本計算實例中連拱空箱擋土墻的高度、底板寬度以及其它設計參數（除若干需補充的項目外）如下。擋墻墻高 H＝10(m)，墻底寬 B＝5.33(m)，墻前覆土深度 h＝1(m)；墻背填料容重 γ0＝18(KN/m3)，鋼筋混凝土容重 γ1＝25(KN/m3)；漿砌塊石容重 γ2＝23(KN/m3)，預制蓋板容重 γ3＝20(KN/m3)；內摩擦角φ＝35°，外摩擦角δ＝φ/2，墻背傾角α＝0°；基底摩阻系數f＝0.4；墻后活載：汽車－超20級（見“文獻1.”換算土層高度h0＝0.59m）；抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定系數：Kc＞1.3，Km＞1.5。

（二）墻體自重計算

墻體自重合力作用點位置：Z1＝6365.86/1929.87＝3.299(m)；單位寬度（沿墻縱向1m）墻體平均自重力：W＝1929.87/3.8＝507.86(KN)。

（三）墻背土壓力計算

土壓力作用面及基底滑動面，補充設計參數如下。

墻背高H'＝H＋0.7＝10.7(m)（計入齒坎高）；基底計算寬度B'＝B－0.1＝5.23(m)（偏保守取值）；基底滑動面傾角α0＝arctg（0.7/5.23）＝7.623345°

其余設計參數同前，以下按庫侖公式計算土壓力。

（四）墻體結構受力分析

墻后土壓力作用在預制水泥混凝土無鉸拱上并傳遞至隔墻，在一個標準計算單元內：拱座、隔墻和前墻組合成一個垂直安置的T型梁，該T型梁下端固定，上端自由，鋼筋配置在拱座內并延伸至齒坎，拱座為現澆水泥混凝土。前墻因僅受壓應力而無拉應力力（或者很?。?，故可采用漿砌塊石或其它砌塊，而不必考慮配筋。底板結構計算和配筋可參照鋼筋砼扶壁式擋墻。限于篇幅，墻體配筋計算及其它結構計算均省略。

（五）局部構造

1.管線布置

因城市道路管線多，預制蓋板的設置高度必須考慮到管線的安放位置。一般郵電、通訊電纜可安放在預制蓋板上，其余如煤氣、自來水等可利用隔墻作支墩，與預制蓋板并列或置于蓋板以下。

2.泄水孔和通風孔

泄水孔用于排出空箱內積水，不必多言。通風孔有兩個作用：其一、若空箱內有煤氣管道穿過，可及時排出可能因管道泄漏產生的可燃氣體；其二、若是該擋墻用作河駁岸，則可始終保持河水位與空箱內水位一致，避免因河水位變化造成空箱內、外水位落差。因為當空箱內水位高于河道水位時，駁岸自重力增加，地基可能因為超載導致駁岸不安全；而當空箱內水位低于河道水位時，空箱內形成浮托氣囊，同樣可能導致駁岸失穩(wěn)。

3.檢修通道

考慮檢修通道的目的是便于在擋墻竣工后可進入空箱內進行觀察和維修，如：拱波是否有損壞，墻體是否有裂縫或不均勻沉降，以及管道是否漏水漏氣等。拱波在預制時需預埋爬梯鋼筋，這樣在檢修時只需揭開拱波頂端預制蓋板即可順爬梯進入空箱內。

4.預制構件

城市道路路基擋墻一般位于人行道部位較多，預制蓋板上部主要是人行道路面及少量覆土，人行活載較小。若經計算允許，可直接購買（或預定）現成的建筑預應力空心樓板，既方便又經濟。

拱波的預制可挖出凹型地模，按計算寬度分塊間隔先澆筑第一批拱波，待初凝后填充間隔澆筑第二批，非常方便。隔墻和前墻的取材具有多樣性：如采用水泥混凝土砌塊或磚砌體等。必須注意的是隔墻部位的砌塊應上下錯縫砌筑，這樣可避免在土壓力作用下形成通縫剪切。

四、連拱空箱式擋土墻的優(yōu)越性

（一）擋土墻自重力可調范圍大

在擋墻外形尺寸基本選定的情況下，擋墻的自重力可通過以下幾種方法進行調整：改變箱內填料高度、改變隔墻或前墻厚度、改變墻體砌筑材料或改變相鄰隔墻間距等。擋土墻自重力的可調性意義很大：墻體過重固然對抗滑穩(wěn)定有利，但卻不能適用于軟土地基。再比較一下上述2種擋墻實例的驗算結果：盡管采用的土壓力計算公式有所不同，計算得兩個主動土壓力值卻非常接近，然而2種擋墻的自重力或前趾基底應力都要相差近一倍。擋墻設計的合理思路應該是：首先從墻體構造上應盡可能增加穩(wěn)定因素，如基底做成向后傾斜或加齒坎等增加抗滑力；使墻體重心后移增加抗傾力矩，然后在滿足穩(wěn)定的前提下盡可能地減輕墻體自重力，使之與軟土地基相適應。這對于實體擋墻來說，減輕自重十分不易，而對于連拱空箱式擋土墻卻是可行的。

（二）擋墻失穩(wěn)后的補救

通常擋土墻在失穩(wěn)后是很難補救的，而連拱空箱式擋土墻則是例外。擋墻從失穩(wěn)到破壞一般不會在瞬間發(fā)生，頃刻崩潰，總是有一段時間上的持續(xù)過程，這就為采取補救措施爭取了時間。當發(fā)現擋墻有傾覆或滑動位移后，立即揭開預制蓋板，向空箱內加入壓重填料，以增加抗傾覆力矩和增大基底摩阻力來恢復擋墻的穩(wěn)定。當然，這種補救措施應該是在地基承載力容許的前提下才能奏效，否則另當別論。

向空箱內加入壓重填料應避免填料可能對前墻產生的較大側向力，方法有：在填料間分層放置加筋帶（其原理同加筋土擋墻）?；蛘咴谔盍现袚饺胨?、石灰等凝固劑。

壓重填料應在相鄰空箱內同時放，或控制加入量輪流放，絕對不能加足一個箱體后再加下一個，這樣做將導致?lián)鯄v向基底應力不平衡和底板承受非正常的扭曲變形。

（三）施工較簡便和經濟效益好

連拱空箱式擋土墻雖然構造較復雜些，但是施工操作還是比較簡單的。如前墻和隔墻均為垂直墻，相對比俯斜或仰斜面墻好做。拱波預制也不必很講究外觀和尺寸的精度。只有底板和拱座需立?，F澆并扎鋼筋較復雜些。

按照當前行情測算連拱空箱式擋土墻比扶壁式擋墻節(jié)省經費約20%，不過這里沒有考慮地基加固經費，對于軟土地基而言，扶壁式擋墻還應計入地基加固費用。

五、結語

連拱空箱式擋土墻主要適用于建造高擋墻，對于較矮的擋墻還是以構造盡可能簡單為好；設計連拱空箱式擋土墻必須著重考慮基底的抗滑構造，只有增強了基礎的抗滑性才有可能減輕墻體自重力，經濟效益也越好；拱座的配筋還不成熟，現有的配筋理論是針對鋼筋與混凝土的組合作用。對于鋼筋與漿砌片石的組合作用、鋼筋與磚砌體的組合作用是否存在某種變異尚不清楚，有待于進一步實驗論證。