重力式擋土墻結(jié)構(gòu)斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉家文

重力式擋土墻結(jié)構(gòu)斷面的優(yōu)化設(shè)計(jì)

劉家文

(昆明有色冶金設(shè)計(jì)研究院股份公司，云南昆明650051)

通過(guò)重力式擋土墻的大量設(shè)計(jì)實(shí)踐，闡述了重力式擋土墻的類(lèi)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(jié)構(gòu)斷面合理的情況下，對(duì)傳統(tǒng)重力式擋土墻結(jié)構(gòu)斷面提出了優(yōu)化設(shè)計(jì)。

重力式擋土墻;結(jié)構(gòu)斷面;優(yōu)化設(shè)計(jì)

0 引言

能夠保持結(jié)構(gòu)物兩側(cè)的土體、物料有一定高差的結(jié)構(gòu)稱(chēng)為支擋結(jié)構(gòu)。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(cè)向土壓力的構(gòu)筑物稱(chēng)為擋土墻。擋土墻在各種土建工程中應(yīng)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(tái)臺(tái)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(chǎng)地、銜接場(chǎng)地豎向平臺(tái)及形成地下連續(xù)墻等。擋土墻的結(jié)構(gòu)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(fù)合式，以及近年來(lái)隨著社會(huì)經(jīng)濟(jì)發(fā)展和人民生活水平的不斷提高、對(duì)環(huán)境保護(hù)意識(shí)的日益加強(qiáng)而發(fā)展起來(lái)的生態(tài)性擋土墻、景觀性擋土墻和文化藝術(shù)性擋土墻，其中重力式擋土墻是最古老的一種結(jié)構(gòu)形式，因其料源豐富、形式簡(jiǎn)單、取材方便、施工簡(jiǎn)便，所以重力式擋土墻仍是我國(guó)目前應(yīng)用最廣泛的結(jié)構(gòu)型式。

1 重力式擋土墻的類(lèi)型

重力式擋土墻是指依靠墻身自重抵抗土體側(cè)壓力的擋土墻，一般采用塊石、片石、混凝土預(yù)制塊進(jìn)行砌筑，或采用毛石混凝土、片石混凝土、素混凝土進(jìn)行整體澆筑，其斷面基本上都做成簡(jiǎn)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(jì)效果好等優(yōu)點(diǎn)，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(shí)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(lèi)型。如圖1所示。重力式擋土墻基本術(shù)語(yǔ)見(jiàn)圖2。

圖1 重力式擋土墻類(lèi)型Fig.1 Type of Gravity Retaining Wall

圖2 重力式擋土墻術(shù)語(yǔ)Fig.2 Term of Gravity Retaining Wall

各類(lèi)型擋土墻具有各自特點(diǎn)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(shí)，仰斜墻背的主動(dòng)土壓力最小，而俯斜墻背的主動(dòng)土壓力最大，垂直墻背位于兩者之間。如果擋土墻修建時(shí)需要開(kāi)挖，因仰斜墻背可與開(kāi)挖的臨時(shí)邊坡相結(jié)合，而俯斜墻背后需要回填土，因此，對(duì)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(shí)。當(dāng)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(huì)使墻身增高很多，此時(shí)宜采用垂直墻或俯斜墻。

根據(jù)重力式擋土墻的不同設(shè)置位置，又可分為路肩墻、路堤墻及路塹墻等3種類(lèi)型:①路肩墻設(shè)置在路肩部位或場(chǎng)地平臺(tái)銜接處，墻頂是路肩或場(chǎng)地的組成部分，可以防止路基沿基底滑動(dòng)，還可以保護(hù)臨近路線的既有的重要建筑物，沿河路基在傍水的一側(cè)設(shè)置路肩擋土墻，可以防止水流對(duì)路基的沖刷和侵蝕，以減少壓縮河床;②路堤墻設(shè)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(dòng)，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(shè)置在路塹邊坡底部，主要用于支撐開(kāi)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(chǔ)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(diǎn)是可利用衡重平臺(tái)上的填土重，迫使墻身整體重心后移，使基底應(yīng)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(jié)構(gòu)斷面存在的不足之處

重力式擋土墻設(shè)計(jì)一般應(yīng)進(jìn)行以下驗(yàn)算:

(1)抗滑移穩(wěn)定性驗(yàn)算;

(2)抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算;

(3)墻身的強(qiáng)度驗(yàn)算;

(4)地基的應(yīng)力驗(yàn)算;

(5)地基的整體穩(wěn)定性驗(yàn)算。

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

重力式擋土墻設(shè)計(jì)的另一種方法是選用國(guó)家建筑標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)圖集，其設(shè)計(jì)步驟為:

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

(2)參照各類(lèi)型擋土墻的特點(diǎn)，結(jié)合地形、工程地質(zhì)條件及修建要求，選擇最合適的擋土墻類(lèi)型。

(3)根據(jù)填料性質(zhì)、墻趾處的工程地質(zhì)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(biāo)高、地面標(biāo)高、基礎(chǔ)埋深，初步確定擋土墻的高度。

(5)核查地基承載力能否滿(mǎn)足要求。核查時(shí)，按擋土墻的基底寬度和基礎(chǔ)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(jì)，如墻高為非整數(shù)且＜0.50 m時(shí)，其截面尺寸采用插入法計(jì)算;非整數(shù)且≥0.50 m時(shí)應(yīng)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(chǎng)地，根據(jù)工藝設(shè)計(jì)要求，需要布置為臺(tái)階狀，上臺(tái)階標(biāo)高為720 m，布置有道路，道路起點(diǎn)標(biāo)高為718.90 m，道路終點(diǎn)標(biāo)高為719.80 m，道路總長(zhǎng)300 m，縱坡為3.0‰，道路為雙車(chē)道，路面寬為7.0 m，路肩寬2.00 m，路基寬10.0 m，車(chē)輛荷載按qk=30 kPa考慮。下臺(tái)階標(biāo)高為712.00 m，布置有廠房。上、下平臺(tái)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(shè)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(chǔ)資料，采用直立路肩式擋土墻修建。試算法設(shè)計(jì)的斷面尺寸見(jiàn)表1，查圖集選定的斷面尺寸見(jiàn)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(shè)置的直立式路肩擋土墻均能滿(mǎn)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(jié)構(gòu)斷面變化不大，但采用該設(shè)計(jì)斷面支護(hù)場(chǎng)地及道路路基支擋時(shí)存在以下缺點(diǎn):

(1)墻頂寬度b較寬，將侵占路基用地及廠區(qū)用地;

(2)當(dāng)用地較為緊張時(shí)，將影響場(chǎng)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(shí)，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(shí)，墻面面坡將侵占下臺(tái)階用地，影響下場(chǎng)地總平面布置。

3 重力式擋土墻結(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對(duì)重力式路肩擋土墻存在的局限性，在確保擋土墻結(jié)構(gòu)斷面合理、穩(wěn)定的情況下，對(duì)路肩擋土墻結(jié)構(gòu)斷面進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，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(tái)，平臺(tái)寬度同該處設(shè)計(jì)擋土墻斷面，見(jiàn)圖3。

圖3 路肩擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.3 Optimal Design of Shoulder Retaining W all

按照上述場(chǎng)地條件及基礎(chǔ)資料，對(duì)優(yōu)化調(diào)整后的斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算，計(jì)算時(shí)擋土墻墻頂寬度均按800 mm設(shè)置，經(jīng)計(jì)算均滿(mǎn)足要求，斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果見(jiàn)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(shè)計(jì)后具有以下優(yōu)點(diǎn):

(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(jié)構(gòu)斷面優(yōu)化設(shè)計(jì)

衡重式擋土墻由于設(shè)置了衡重平臺(tái)，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(chǎng)地，可與開(kāi)挖臨時(shí)邊坡緊密結(jié)合，上墻身位于填方地段，有利于回填壓實(shí)，以確保場(chǎng)地穩(wěn)定。但衡重式擋土墻用于全填方場(chǎng)地時(shí)，由于下墻身墻背為仰斜墻背，將不利于場(chǎng)地壓實(shí)，若場(chǎng)地回填時(shí)壓實(shí)達(dá)不到設(shè)計(jì)要求將影響擋土墻穩(wěn)定，甚至垮塌。

結(jié)合衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)型式，當(dāng)衡重式擋土墻用于全填方場(chǎng)地時(shí)，將衡重式擋土墻承重臺(tái)以下的墻背背坡由仰斜式改為直立式，見(jiàn)圖4。

圖4 衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)Fig.4 Optimal Design of Balance Weight Retaining Wall

在同一設(shè)計(jì)條件下，對(duì)優(yōu)化調(diào)整的斷面結(jié)構(gòu)進(jìn)行了計(jì)算。經(jīng)計(jì)算，擋土墻的穩(wěn)定性均滿(mǎn)足要求。衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)優(yōu)化調(diào)整具有以下優(yōu)點(diǎn):

(1)有利于場(chǎng)地回填壓實(shí)、確保擋土墻及場(chǎng)地穩(wěn)定;

(2)同一結(jié)構(gòu)斷面形式的衡重式擋土墻結(jié)構(gòu)改進(jìn)后還可以減少墻趾處壓應(yīng)力、墻踵處壓應(yīng)力及地基平均壓應(yīng)力，可以彌補(bǔ)地層承載力的不足。

5 結(jié)語(yǔ)

重力式路肩擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)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(yīng)用于路堤式、路塹式擋土墻。

改進(jìn)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(xiàng)目中使用，從施工完成至今已有多年，效果良好。

該兩項(xiàng)項(xiàng)目已在中國(guó)知識(shí)產(chǎn)權(quán)局申請(qǐng)實(shí)用新型專(zhuān)利并得到授權(quán)，受《中華人民共和國(guó)專(zhuān)利法》保護(hù)。

［1］陳忠達(dá).公路擋土墻設(shè)計(jì)［M］.北京:人民交通出版社，2001.

［2］尉希成，周美玲.支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.2版.北京:中國(guó)建工出版社，2004.

［3］朱伯芳，黎展眉，等.結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)原理與應(yīng)用［M］.北京:北京水利電力出版社，1984.

［4］顧尉慈.擋土墻土壓力計(jì)算［M］.北京:中國(guó)建材工業(yè)出版社，2001.

［5］彭建國(guó).衡重式擋土墻優(yōu)化設(shè)計(jì)與應(yīng)用研究［D］.長(zhǎng)沙:湖南大學(xué)，2001.

［6］李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與工程實(shí)例［M］.北京:人民交通出版社，2004.

［7］趙數(shù)德.按空間問(wèn)題計(jì)算擋土墻的主動(dòng)土壓力［M］.西安建筑科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1995，27(4):403－407.

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(shè)計(jì).