公路擋土墻選型及設計實例分析

董天兵

（浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

公路擋土墻選型及設計實例分析

董天兵

（浙江省交通規(guī)劃設計研究院，浙江 杭州 310006）

公路工程建設中，常需要采用一定的支擋構(gòu)筑物對路基、邊坡等進行防護。因其良好的受力性能、便捷的施工工藝及建筑材料的多樣性，擋土墻成為最常見的支擋結(jié)構(gòu)形式。探討了常見擋土墻的類型、構(gòu)造及適用范圍，總結(jié)了擋土墻設計過程中的要點，并以一工程實例重點介紹了樁板式擋土墻的特點及在工程中的應用，詳細分析了其計算要點及設計理念，具有一定的參考性。

支護工程；擋土墻；樁板式

0 引言

在公路工程中，為防止路基土或邊坡土體滑動及失穩(wěn)，常采用擋土墻來抵抗土體傳來的土壓力，以確保路基土及邊坡的穩(wěn)定。同時，合理設置擋土墻可縮小路基及路塹邊坡放坡范圍，減少對土地的占用，并能大大減少土石方數(shù)量，在公路工程中具有十分重要的作用[1]。在路基填土、路塹放坡或河流堤岸等位置，擋土墻應用廣泛。在公路支擋防護工程中應用擋土墻時，需全面分析工程類型與地質(zhì)情況，對比選擇符合該類工程的擋墻結(jié)構(gòu)，以保證公路工程的質(zhì)量與安全。

1 擋土墻的構(gòu)造與適用范圍

擋土墻結(jié)構(gòu)各式各樣，隨著公路工程的不斷發(fā)展，越來越多的新型擋土墻結(jié)構(gòu)被應用于實踐中。新材料、新工藝的進步，使得擋土墻結(jié)構(gòu)形式得到了較大的發(fā)展。但每種擋土墻結(jié)構(gòu)形式，由于自身結(jié)構(gòu)特點，并不能完全適用于任何工程中。工程應用時需充分了解各類擋土墻的特點及適用性，以求得最優(yōu)受力及最經(jīng)濟的方案。

根據(jù)擋土墻設置位置的不同，可將擋土墻分為路塹墻、路堤墻、路肩墻及山坡墻。按照擋土墻結(jié)構(gòu)形式的不同，可將擋土墻分為圬工結(jié)構(gòu)的重力式及半重力式擋土墻，鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)的懸臂式或扶壁式擋土墻、樁板式擋土墻，設置錨桿（索）的錨桿、錨定板擋土墻，柔性結(jié)構(gòu)的加筋擋土墻等[2]。下面重點分析以下幾類擋土墻的結(jié)構(gòu)形式及使用范圍。

1.1 重力式及半重力式擋土墻

重力式及半重力式擋土墻可廣泛適用于一定墻身高度范圍內(nèi)的路堤墻、路肩墻以及路塹墻，包括一般地段、長期浸水地段或地震區(qū)域地帶。重力式擋土墻一般采用圬工結(jié)構(gòu)，也可設置部分拉筋以減少圬工數(shù)量的半重力式擋土墻結(jié)構(gòu)，主要依靠自重來抵抗墻后土體的土壓力。作為最常見的擋土墻，其結(jié)構(gòu)可由預制塊砌筑而成，也可采用素混凝土或添加一定比例的片石立模板現(xiàn)澆而成。重力式擋土墻有仰斜式、垂直式、俯斜式、凸折式、衡重式及臺階式幾類[3]。采用重力式擋土墻時需對墻身高度進行限制，當墻身高度超過10 m時，需采用較大的結(jié)構(gòu)斷面，工程數(shù)量急劇增加，十分不經(jīng)濟。墻頂為整體現(xiàn)澆混凝土時，寬度不應小于0.4 m；當為漿砌圬工時，墻頂寬度應在0.5 m以上。墻背坡度可分為俯斜式及仰斜式，其坡度分別不宜緩于1∶0.4及1∶0.25；墻面坡度為1∶0～1∶0.2。

1.2 懸臂式及扶壁式擋土墻

懸臂式及扶壁式擋土墻可作為填方路堤段的支擋結(jié)構(gòu)，不宜用作路塹墻。由于底板較寬大，基底應力較小，在地基承載力不足的填方路堤可采用。懸臂式及扶壁式擋土墻的主體結(jié)構(gòu)為底板及立壁，底板包含前趾板和后踵板。懸臂式擋土墻墻身高度較小，通常在5 m以下，而扶壁式擋土墻由于立壁后設置了加勁肋板，受力性能較懸臂式優(yōu)越，其墻身高度最大可做到15 m高。立壁的外側(cè)可設置1∶0.02～1∶0.1的坡度做成仰斜式，以加厚立壁根部，但其頂部厚度不可小于0.2 m，內(nèi)側(cè)宜為豎直。前趾板和后踵板端部厚度不宜小于0.3 m。扶壁式擋土墻其扶壁厚度以大于0.3 m為宜，其厚度值可取兩扶壁間距的1/8～1/6；從抗拉效應及造價兩方面考慮，加勁肋的間距可采用墻高的1/3～1/2。

1.3 加筋擋土墻

加筋擋土墻是一種柔性結(jié)構(gòu)的擋土墻，它是由填土、加筋體及外側(cè)面板三者組成的[4]。其作用機理主要是靠經(jīng)壓實的填土與筋體的摩擦作用，將土體的側(cè)向壓力傳遞給拉筋，由拉筋承受土壓力效應，從而保護土體的穩(wěn)定?？勺鳛槔畹牟牧陷^為豐富，如合成纖維、鍍鋅薄鋼帶等。由于采用垂直填土，沒有放坡，因此對土地的侵占很少。由于本身的柔性機理，因此在軟弱地基上比其他擋土墻結(jié)構(gòu)適應性更好，在微小地基變形時也能保證土體穩(wěn)定，抗震性能也很優(yōu)越，造價也比其他擋土墻低，綜合經(jīng)濟效益比較明顯。加筋擋土墻可做的很高，但不宜超過20 m；當一般路段的墻高超過12 m時，應多級修建并設置錯臺。

1.4 樁板式擋土墻

當場地不宜采用砌筑或現(xiàn)澆擋土墻結(jié)構(gòu)時，可先打入樁基礎(chǔ)，再分層開挖澆筑樁間擋土板，從而形成樁板式擋土墻。適用于表土及強風化層較薄的均質(zhì)巖石地基，也可用于地震地區(qū)的路塹或路堤支擋或滑坡等特殊地段的治理。樁板式擋土墻樁基可分為懸臂段及錨固段，主要靠埋入土體部分的錨固力以及樁前土體被動土壓力來抵抗墻后土地的主動土壓力，以達到墻體的整體穩(wěn)定。在土質(zhì)地基上時，樁身懸臂段及錨固段長度比不應大于1∶1；當為嵌巖樁時，其比值不應大于1∶2[5]。無錨索樁基最大的懸臂高度可做到15 m，而預應力錨索樁的懸臂高度可達20～25 m。樁基可預制打入或采用鉆孔樁，圓樁的直徑或矩形預制樁的短邊最小尺寸均不應小于1.25 m。樁間距的設置應合理均勻，一般為5～8 m。擋土板需考慮與樁基的搭接，板厚不小于0.2 m，且板厚應隨埋深而增大，以抵抗側(cè)土壓力。

2 擋土墻的附屬構(gòu)造

2.1 排水設施

擋土墻應設置排水設施，以疏干墻后土體和防止地面水下滲，避免墻后積水形成靜水壓力，消除黏性土填料浸水后的膨脹力，減少寒冷地區(qū)回填土的凍脹壓力，保證墻體的穩(wěn)定性。

（1）墻身排水：目的是迅速排除墻后土體內(nèi)積水，通常做法是在墻身適當位置處設置一排或數(shù)排泄水孔。泄水孔一般為5～10 cm的圓孔，間距為2～3 m，應上下錯開布置。最下排泄水孔應高出地面或邊溝水位0.3 m。泄水孔可采用PVC管或其他類型排水管。

（2）地面排水：為防止地表水通過滲流的方式進入擋土墻背側(cè)土體或地基，常在墻后地表面設置排水溝等措施，引導地表水的流向。對于匯水面積較大的山坡，可在坡面上設置一定數(shù)量的天溝，將坡面水引導到路面排水系統(tǒng)或其他地方。

2.2 沉降縫與伸縮縫

由于地質(zhì)條件的不均勻性，墻體會因為地基的不均勻沉降而開裂，因此需要在地質(zhì)條件變異和墻身尺寸變化處設置沉降縫。而為了防止圬工砌體因收縮硬化和溫度變化產(chǎn)生裂縫，需設置伸縮縫。通常做法是沿擋土墻布置方向每隔10～15 m設置一道縫，墻身及基礎(chǔ)同時設置?？p寬為2～3 cm，縫內(nèi)宜填塞瀝青麻筋等有彈性的材料，沿內(nèi)、外、頂三方填塞，深度不小于0.15 m。

3 工程實例分析

本工程為某地區(qū)一外環(huán)路，道路西側(cè)樁號K2+482～K2+914范圍為臨江側(cè)。根據(jù)道路平縱橫設計，該路段道路邊坡若按正常放坡，則西側(cè)邊坡均位于江岸內(nèi)，且常年浸水。受地形、地質(zhì)等施工條件限制，由于靠近江邊的土質(zhì)較差，且一般支護開挖后會出現(xiàn)較高的地下水位，施工難度較大，因此考慮采用施工較簡便安全、開挖斷面對現(xiàn)狀邊坡影響較小、不受地下水位限制的樁板式擋土墻作為此路段的主要支護形式。

3.1 擋土墻結(jié)構(gòu)設計

根據(jù)道路設計相關(guān)資料，知該路段填土厚度為6～11 m，即路基頂面至河床坡面距離。河床自上而下地層結(jié)構(gòu)依次為：淤泥、雜填土、高液限黏性土、全風化灰?guī)r、微風化灰?guī)r。樁板式擋土墻樁基一般為嵌巖樁，故本工程樁底需嵌入微風化灰?guī)r中，嵌入深度不小于樁徑，并由計算確定。擋土墻設計如下：支護樁樁徑D=200 cm，C30鋼筋混凝土樁，樁中心距D=500 cm，嵌巖深度暫按1.5倍樁徑考慮；采用C30鋼筋混凝土擋土板：樁頂標高往下0～2 m為Ⅰ型擋土板（板厚0.35 m），2～4 m為Ⅱ型擋土板（板厚0.40 m），4～6 m為Ⅲ型擋土板（板厚0.45 m），6 m以下為Ⅳ擋土板（板厚0.55m）。樁板式擋土墻縱、橫斷面如圖1和圖2所示。

3.2 樁身結(jié)構(gòu)計算分析

根據(jù)上述初步擬定的結(jié)構(gòu)形式，結(jié)合地質(zhì)勘查報告反映的地質(zhì)條件及巖土工程力學特性，采用理正巖土計算軟件，取最不利狀態(tài)下P124號樁基（樁長25 m）進行結(jié)構(gòu)計算及穩(wěn)定性分析。結(jié)構(gòu)內(nèi)力及位移如圖3所示。

圖1 樁板式擋土墻縱斷面圖（局部）

圖2 樁板式擋土墻橫斷面圖

由圖3可知，樁身最大彎矩發(fā)生在距離樁頂17.0 m處，最大彎矩值Mmax=9 483 kN·m；最大剪力Vmax=7 001.1 kN，距離樁頂21.5 m。樁身計算所需配筋面積A=42 066 mm2；樁頂最大位移ymax=54 mm。

（1）截面配筋計算：由上可知，樁身抗彎所需截面配筋面積A=42 066 mm2，結(jié)合內(nèi)力計算結(jié)果及以往工程經(jīng)驗，設計配筋面積取56根32的HRB400鋼筋沿圓周均勻布置，并按樁基圓心120°擴散角對受土壓力側(cè)進行鋼筋加密，以抵抗側(cè)土壓力，實際配筋面積A=59 484 mm2，大于截面計算所需配筋面積A=42 066 mm2。經(jīng)裂縫驗算，最大裂縫寬度σ=0.14 mm，小于裂縫限值0.2 mm。截面配筋及裂縫均滿足規(guī)范要求。

（2）樁身變形計算：對于永久性支護樁，樁頂位移不應大于樁長的1/200，且不應大于10 cm。由圖3可知，樁頂最大位移ymax=54 mm＜2 500/200=125 mm，樁身位移滿足規(guī)范要求。

（3）反算嵌巖深度：由相關(guān)規(guī)范可知，當樁基所嵌入的基巖頂面為水平或坡度小于10°時，樁的有效嵌巖深度H可按下式計算：

式中：VZD為樁身最大剪力，kN；MZD為樁身最大彎矩值，kN·m；frk為巖石單軸抗壓壓強度標準值，kPa；η為系數(shù)，取03～1.0；d為樁基直徑，m。

由樁身計算最大彎矩及剪力值，結(jié)合式（1）可得出P124號樁基嵌巖深度H=4.32 m，大于預設值3 m。為保證樁底嵌巖深度符合規(guī)范要求，需根據(jù)計算結(jié)果調(diào)整樁長。樁基最終計算長度為26.32 m。

（4）整體穩(wěn)定性計算：取最終計算樁長計算整體穩(wěn)定性，在最不利荷載組合下，總抗滑力F抗= 5 456.250 kN，總下滑力F滑=2 799.501 kN，穩(wěn)定系數(shù)K=F抗/F滑=1.949≥1.250，符合規(guī)范要求。

3.3 擋土板結(jié)構(gòu)配筋計算

各類擋土板配筋結(jié)果見表1。

表1 擋土板配筋計算表

由上可知，樁身及擋土板截面配筋、裂縫、位移計算均符合規(guī)范要求。

4 結(jié)語

隨著我國公路事業(yè)的不斷發(fā)展，各種類型的擋土墻被應用于公路支擋工程中。在選擇擋土墻形式及擋土墻構(gòu)造設計時，需充分了解不同類型擋土墻的結(jié)構(gòu)特點及適用的環(huán)境，并做相應的方案比選，結(jié)合地質(zhì)及水文資料，考慮施工工藝、工程造價、結(jié)構(gòu)受力的合理性及墻體外觀的景觀效果，經(jīng)綜合比較后方可確定。

[1]陳忠達.公路擋土墻設計[M].北京：人民交通出版社,1999.

[2]公路擋土墻設計與施工技術(shù)細則[M].北京：人民交通出版社, 2008.

[3]王良,劉元雪.重力式擋土墻抗滑移的可靠度分析[J].重慶工商大學學報(自然科學版)，2005(06)：609-611.

[4]李廣信.關(guān)于土工合成材料加筋設計的若干問題[J].巖土工程學報，2013(04)：605-610.

[5]李海光.新型支擋結(jié)構(gòu)設計與工程實例[M].北京：人民交通出版社,2004.

U417.1+1

B

1009-7716（2016）05-0057-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.05.016

2016-02-03

董天兵（1971-），男，浙江黃巖人，本科，路橋工程師，從事公路設計、測繪工作。