市政道路高邊坡?lián)跬翂υO(shè)計(jì)分析

摘要 當(dāng)市政道路的填土較高時(shí)，應(yīng)多設(shè)置擋土墻以收縮坡腳。為了保證擋土墻的安全，文章首先分析了擋土墻的作用組合和設(shè)計(jì)方法；然后，從基礎(chǔ)埋置、地基處理、土壓力計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算（抗傾覆和抗滑移）、沉降縫、伸縮縫、排水構(gòu)造等方面闡述了擋土墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)；最后，以陜西省某市政道路的衡重式擋土墻為例，開(kāi)展了案例分析，研究成果可為類(lèi)似項(xiàng)目的擋土墻設(shè)計(jì)提供借鑒。

關(guān)鍵詞 擋土墻；土壓力；作用組合；構(gòu)造設(shè)計(jì)；地基基礎(chǔ)；穩(wěn)定性

中圖分類(lèi)號(hào) U417.11 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼 A 文章編號(hào) 2096-8949（2025）02-0081-03

0 引言

近年來(lái)，隨著城鎮(zhèn)化的持續(xù)推進(jìn)，市政道路的建設(shè)里程逐年增加。在填土較高的路段，路基直接放坡占地面積大，對(duì)周邊影響較大，容易引起居民的投訴。為了解決這一問(wèn)題，可設(shè)置擋土墻。然而，很多設(shè)計(jì)人員在布置擋土墻時(shí)，盲目參考圖集，對(duì)設(shè)計(jì)原理理解不清，且不重視擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算，使得擋土墻在運(yùn)營(yíng)期間出現(xiàn)傾覆或滑移，甚至造成安全事故。因此，進(jìn)一步研究市政道路高邊坡的擋土墻設(shè)計(jì)具有重要意義。

1 擋土墻作用組合和設(shè)計(jì)方法

1.1 作用組合

當(dāng)遇到用地、拆遷限制或文物保護(hù)等時(shí)，市政道路中的高填方邊坡需設(shè)置支擋結(jié)構(gòu)收縮坡腳，比如重力式擋土墻、扶壁式擋土墻、懸臂式擋土墻、樁板墻等。擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)需考慮永久作用、可變作用（基本可變作用、其他可變作用、施工荷載）、偶然作用。對(duì)于一般地區(qū)，只需考慮永久作用和基本可變作用即可，而對(duì)于浸水地區(qū)、地震動(dòng)峰值加速度＜0.2 g的地區(qū)、存在凍脹力地區(qū)等，還應(yīng)考慮其他可變作用和偶然作用，具體作用組合可參考表1所示[1]：

1.2 設(shè)計(jì)方法

根據(jù)《城市道路路基設(shè)計(jì)規(guī)范》（CJJ 194—2013）（以下簡(jiǎn)稱(chēng)《規(guī)范》），擋土墻設(shè)計(jì)可采用極限狀態(tài)下的分項(xiàng)系數(shù)法，見(jiàn)式（1）：

式中，S——作用效應(yīng)的組合設(shè)計(jì)值（kN）；R（·）——支擋結(jié)構(gòu)的抗力函數(shù)（kN）；Rk——抗力材料的強(qiáng)度標(biāo)準(zhǔn)值（kPa）；γf——分項(xiàng)系數(shù)；αd——結(jié)構(gòu)構(gòu)件幾何參數(shù)的設(shè)計(jì)值；γ0——結(jié)構(gòu)重要性系數(shù)，與支擋結(jié)構(gòu)的安全等級(jí)有關(guān)，當(dāng)安全等級(jí)為一級(jí)、二級(jí)、三級(jí)時(shí)，重要性系數(shù)最小值分別取1.1、1.0、1.0。

2 擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)

2.1 基礎(chǔ)與地基設(shè)計(jì)

（1）基礎(chǔ)設(shè)計(jì)

擋土墻應(yīng)優(yōu)先采用明挖擴(kuò)大。當(dāng)基底位于坡度＞5.0%的縱向斜坡時(shí)，基底應(yīng)開(kāi)挖成臺(tái)階，且臺(tái)階高度≥0.5 m，臺(tái)階寬≥1.0 m；當(dāng)基底位于橫向斜坡時(shí)，應(yīng)結(jié)合地層類(lèi)型確定最小埋入深度和距地表的水平距離，具體可參考表2所示：

此外，在確定基礎(chǔ)埋深時(shí)還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)：（1）在風(fēng)化層較薄的硬質(zhì)巖石地基上，擋土墻基底應(yīng)置于風(fēng)化層以下[2]。（2）在凍土地區(qū)或季節(jié)性?xún)鐾恋貐^(qū)，應(yīng)根據(jù)凍結(jié)深度確定擋土墻的基礎(chǔ)埋深；當(dāng)凍結(jié)深度≤1.0 m時(shí)，基礎(chǔ)埋入深度不小于1.0 m，且基底應(yīng)在凍結(jié)線以下0.25 m；當(dāng)凍結(jié)深度＞1.0 m時(shí)，基礎(chǔ)埋入深度不小于1.25 m，并將凍結(jié)線以下0.25 m范圍內(nèi)的地基土換填成弱凍脹材料。（3）當(dāng)擋土墻受水流沖刷時(shí)，基底應(yīng)在局部沖刷線以下至少1.0 m。

（2）地基設(shè)計(jì)

一般情況下，擋土墻高度越大，其基底壓力越大，地基承載力要求越高。由《規(guī)范》可知，擋土墻基底最大壓應(yīng)力Pmax應(yīng)滿(mǎn)足式（2）和式（3）：

式中，fa——地基承載力修正值（kPa）；k——提高系數(shù)，組合Ⅰ、組合Ⅱ、組合Ⅲ對(duì)應(yīng)的提高系數(shù)分別為1.0、1.0、1.25；f0——地基承載力特征值（kPa）；k1、k2——寬度和深度的修正系數(shù)；B——基礎(chǔ)底面寬度（m）；h——基礎(chǔ)埋深（m）；γ1、γ2——基底下和基底上的土體天然重度（kN/m3）。

如果不滿(mǎn)足上述要求，需對(duì)擋土墻基底以下地基土進(jìn)行處理。目前，常用的處理方法為換填法，即將地基土開(kāi)挖，回填強(qiáng)度高、承載力好的碎石、砂礫等材料，并分層填筑、分層壓實(shí)。如果換填深度3.0 m，而地基土承載力仍小于Pmax，可采用復(fù)合地基方案，比如水泥攪拌樁、CFG樁、預(yù)應(yīng)力混凝土管樁等。

2.2 擋土墻土壓力和穩(wěn)定性計(jì)算

（1）側(cè)向土壓力計(jì)算

在擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，一般應(yīng)考慮被動(dòng)土壓力和主動(dòng)土壓力的作用。

一般情況下，被動(dòng)土壓力可作為擋土墻的安全儲(chǔ)備，不予考慮。只有當(dāng)擋土墻基礎(chǔ)埋置較深且地層穩(wěn)定、不受水流沖刷時(shí)，擋土墻穩(wěn)定性驗(yàn)算才考慮被動(dòng)土壓力[3]。

基于平面滑裂面的假定（如圖1所示），擋土墻主動(dòng)土壓力可按式（4）進(jìn)行計(jì)算。主動(dòng)土壓力計(jì)算的關(guān)鍵是確定Ka，但《規(guī)范》中給出的計(jì)算公式極其復(fù)雜，手動(dòng)計(jì)算容易出現(xiàn)錯(cuò)誤。如條件允許，可借助專(zhuān)門(mén)的計(jì)算小程序。同時(shí)，對(duì)于車(chē)輛荷載、行人等引起的側(cè)向壓力，也應(yīng)考慮進(jìn)去，可將其換算為等價(jià)的均勻土層厚度。

式中，Ea——主動(dòng)土壓力合力（kN/m）；r——墻背填料重度（kN/m3）；H——擋土墻高度（m）；Ka——主動(dòng)土壓力系數(shù)。

（2）穩(wěn)定性計(jì)算

在擋土墻的截面尺寸、作用組合等確定后，應(yīng)對(duì)擋土墻的抗滑動(dòng)穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性開(kāi)展驗(yàn)算，穩(wěn)定系數(shù)應(yīng)滿(mǎn)足表3所示的相關(guān)要求。如果驗(yàn)算結(jié)果不滿(mǎn)足《規(guī)范》，可調(diào)整擋土墻斷面尺寸或采取改善措施。如需提高抗滑動(dòng)穩(wěn)定性，可在擋土墻基底做逆坡、增加凸榫或換填摩擦系數(shù)更大的地基土；如需提高抗傾覆穩(wěn)定性，可采取降低擋土墻墻背坡度、在墻背設(shè)置衡重臺(tái)、增大擋土墻的前襟邊等措施[4]。

2.3 擋土墻其他構(gòu)造

（1）變形縫

在擋土墻結(jié)構(gòu)中，變形縫有沉降縫和伸縮縫兩類(lèi)，如果不設(shè)置或設(shè)置不合理，容易使擋土墻因變形過(guò)大而失效。

沉降縫：在擋土墻高度變化、地基土性能變化等位置，地基土的受力不均勻。此時(shí)，需在擋土墻墻身設(shè)置沉降縫，以減小地基不均勻沉降對(duì)擋土墻變形的影響。一般情況下，沉降縫從墻頂貫穿擋土墻斷面，并用瀝青麻絲、橡膠條等材料填塞縫隙，但沒(méi)有必要沿著整個(gè)擋土墻斷面填塞。如果擋土墻不受水流沖刷，只需在沉降縫的兩側(cè)填塞10～15 cm，中間部分可填塞黏土。如果擋土墻墻前持續(xù)流水，需利用塑料止水帶、橡膠止水帶等材料封閉沉降縫。

伸縮縫：大多數(shù)市政道路擋土墻都用混凝土澆筑而成，具有明顯的“熱脹冷縮”特性。在道路運(yùn)營(yíng)期間，擋土墻會(huì)因氣候冷熱變化而膨脹或收縮，從而使墻體出現(xiàn)溫度裂縫（呈水平或傾斜），甚至導(dǎo)致?lián)跬翂ζ茐?。為了解決這一問(wèn)題，需在擋土墻設(shè)置伸縮縫。伸縮縫也需用瀝青麻絲、橡膠條等材料填塞，填塞方法與沉降縫相同。

（2）排水和防水構(gòu)造

如果擋土墻墻背的填土有水，會(huì)對(duì)墻背產(chǎn)生額外的側(cè)向壓力，降低擋土墻穩(wěn)定性。因此，可在墻身設(shè)置排水孔，排除墻后積水。排水孔孔徑一般取5～10 cm，并向外設(shè)置5%左右的坡度。墻身排水孔可設(shè)置2～3排，呈梅花形布置。最低一排的排水孔應(yīng)高于地面或墻前水位，且宜設(shè)置黏土隔水層，防止墻后水分下滲。

此外，每排排水孔還應(yīng)設(shè)置碎石反濾層，以免水流沖刷的泥土堵塞排水孔。反濾層可由3～4層碎石組成，且碎石粒徑自孔口向外逐漸減小。如條件允許，可用土工布代替碎石反濾層[5-6]。

3 擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)案例分析

3.1 工程概況

研究對(duì)象為陜西省某市政道路，其設(shè)計(jì)速度為50 km/h，全長(zhǎng)2.45 km，道路紅線寬度為26～34 m，路面為瀝青混凝土路面，設(shè)計(jì)使用年限為15年。以K2+200～K2+350段道路為例，其路基填土較高，最大填高為12.5 m，最小填高為10.2 m，平均填高約10.8 m。道路南側(cè)為村莊，如直接放坡，征地拆遷較大，工程投資相應(yīng)提高。為了解決這一問(wèn)題，擬采用“衡重式路肩墻”進(jìn)行收坡，以減小道路建設(shè)產(chǎn)生的不利影響。

經(jīng)勘察，擋土墻下方的地基土以粉質(zhì)填土為主，呈褐黃色，可塑～硬塑狀，黏性較好，含少量砂礫，地基承載力特征值約150 kPa，抗震設(shè)防烈度為Ⅶ度。粉質(zhì)黏土摩擦系數(shù)取0.5，與擋土墻基底的摩擦系數(shù)取0.4。同時(shí)，地下水埋藏較深，毛細(xì)水上升對(duì)擋土墻基本無(wú)影響，可不考慮地下水位線。

3.2 擋土墻設(shè)計(jì)方案

擋土墻布置采用緯地?fù)鯄浖?，基礎(chǔ)最小埋置深度控制在1.5 m，沉降縫和伸縮縫合并設(shè)置，設(shè)置間距取10 m，用瀝青麻絲在縫兩側(cè)填塞15 cm。同時(shí)，擋土墻墻身排水孔采用耐久性好、價(jià)格便宜的φ7.5PVC管，孔徑取5 cm，共設(shè)置2排，梅花形布置，排水孔豎向間距取3.0 m，最低一排的排水孔距地面1.0 m。由于擋墻高度較高，地基承載力不足，擬將擋土墻基底以下2 m的粉質(zhì)黏土開(kāi)挖，回填碎石壓實(shí)，提高地基承載力，具體處理方案如圖2所示：

3.3 擋土墻驗(yàn)算結(jié)果

利用理正巖土軟件計(jì)算擋墻在不同作用組合下的穩(wěn)定性，計(jì)算步驟如下：選擇工作路徑—選擇行業(yè)和擋土墻形式—增加計(jì)算項(xiàng)目—輸入擋墻尺寸、地基土物理力學(xué)參數(shù)、荷載等參數(shù)—開(kāi)始計(jì)算。以高度8.0 m的衡重式擋土墻為例（頂寬2.75 m、底寬3.0 m、墻趾高1.0 m、墻趾寬0.3 m），其穩(wěn)定性計(jì)算結(jié)果如圖3所示：

經(jīng)計(jì)算，該擋土墻在作用組合Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ下的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)和抗滑移穩(wěn)定系數(shù)均滿(mǎn)足《規(guī)范》要求，說(shuō)明擋土墻的設(shè)計(jì)方案可行。

4 結(jié)論

該文主要分析了擋土墻的設(shè)計(jì)方法、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)要點(diǎn)、穩(wěn)定性驗(yàn)算方法等，并以陜西省某市政道路的衡重式擋土墻為例開(kāi)展分析，得到了以下幾個(gè)結(jié)論：

（1）擋土墻設(shè)計(jì)是基于極限狀態(tài)下的分項(xiàng)系數(shù)法，并結(jié)合實(shí)際情況考慮永久作用、可變作用、偶然作用等。

（2）擋土墻埋深不宜過(guò)小，且基底最大壓應(yīng)力應(yīng)大于地基土承載力。如不滿(mǎn)足要求，需采用換填法或復(fù)合地基處理。

（3）為了防止擋土墻變形異常，可間隔20 m合并設(shè)置沉降縫和伸縮縫。當(dāng)墻后有水時(shí)，可布置PVC管（梅花形布置）進(jìn)行排水。

（4）擋土墻布置完成后，需計(jì)算抗滑動(dòng)穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性。如計(jì)算結(jié)果不滿(mǎn)足《規(guī)范》要求，可調(diào)整擋墻斷面或埋置條件。

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