談重力式擋土墻設(shè)計

王 莉 玲

(大同煤礦集團設(shè)計研究有限責(zé)任公司，山西 大同 037003)

0 引言

擋土墻是為了防止土體坍塌的構(gòu)筑物，廣泛應(yīng)用于房屋建筑、水利、鐵路以及公路和橋梁工程。例如：支撐建筑物周圍填土的擋墻，地下室側(cè)墻，橋臺及儲藏材料的擋墻等，擋土墻的結(jié)構(gòu)型式可分為重力式、懸臂式和扶壁式等多種型式。重力式擋墻一般采用塊石和磚、素混凝土材料；懸臂式和扶壁式擋墻采用鋼筋混凝土材料。由于材料本身的特性和力學(xué)性能，不同型式和不同材料設(shè)計的擋墻其適合高度也不同。重力式擋墻有仰斜式和折背式、直立式、俯斜式；仰斜式和折背式一般用于2 m～10 m高度范圍；直立式擋墻用于2 m～8 m的高度范圍；俯斜式一般用于2 m～8 m高度范圍。擋墻的安全等級可分為三級，是由其發(fā)生事故所造成的危害決定的。

1 工程概況

擋墻作為一種安全構(gòu)件，它的安全性非常重要，本文所討論的是重力式擋墻在設(shè)計過程中所要熟知的幾個基本條件。本擋墻所在場地位于呂梁地區(qū)礦井內(nèi)的工業(yè)場地，工業(yè)場地三面環(huán)山，一面是場外道路，由于場地內(nèi)面積較小，需要進行挖方來增加場地內(nèi)的面積，開挖后產(chǎn)生了場地與山坡高差為6 m的土坡，為了保護場地內(nèi)的道路的安全，擬建一道6 m高擋土墻，由于呂梁山區(qū)內(nèi)礦石資源豐富，為了節(jié)省資金，就地取材，決定采用毛石和砂漿砌筑的重力式擋土墻。重力式擋墻有不同的型式，墻型的合理選擇對擋墻設(shè)計的安全和經(jīng)濟性有著很大的影響，擋墻的主動土壓力以仰斜為最小，直立次之，俯斜最大。此外墻背的傾斜型式還要綜合考慮使用要求和地形以及施工條件。一般挖坡建墻宜用仰斜，其土的壓力小，且墻背可與邊坡緊密貼合；填方地區(qū)可采用直立或俯斜，便于施工時填土夯實。由于本案例所在場地屬于挖方地段，綜合考慮后采用仰斜式重力擋墻，設(shè)計擋土墻需要了解幾個必要的受力條件：1)擋墻墻背所受的主動土壓力;2)擋墻的抗傾覆驗算;3)擋墻的滑動穩(wěn)定性驗算;4)地基承載力驗算。

擋墻所屬地段為挖方地段，作用在擋墻上的填土側(cè)壓力依據(jù)土力學(xué)原理，按墻背的形狀，墻體位移條件，墻后填料所處的狀態(tài)計算確定，由于擋墻基礎(chǔ)埋深較淺，墻前的被動土壓力可不考慮，僅考慮墻背后的主動土壓力，墻背后的主動土壓力可按庫侖定律公式計算，為減小墻背后土的壓力，該擋墻墻后采用砂類土回填，屬于無粘性土。庫侖土壓力是根據(jù)墻后土體處于極限平衡狀態(tài)并形成一滑動土楔體，從楔的靜力平衡條件得出的土壓力計算理論，其假設(shè)條件為：1)墻后土是理想的散力體，(粘聚力C=0)；2)滑動破裂面為通過墻踵的平面。庫侖土壓力理論適用于墻背為砂土或碎石土的擋墻，可考慮擋墻傾斜、填土面傾斜以及墻背與填土間的摩擦等多種因素的影響，分析時，一般沿長度方向1 m考慮。擋墻擬建斷面如圖1所示，確定擋墻斷面后進行驗算如下。

2 重力式擋墻驗算

依據(jù)規(guī)范中庫侖主動土壓力，擋墻背后土的主動土壓力為:

其中，r為墻后填土的重度,取22 kN/m3;L為墻長,1 m;H為擋墻高度,已知H=6 m;Ho為擋墻后填土有荷載時，換算土層厚度;Ka為主動土壓力系數(shù);r為重度已知，H為高度已知，墻后填土無荷載，所以ho=0先需要知道Ka。

其中，φ為墻后填料的內(nèi)摩擦角;δ為填料與墻背的外摩擦角;α為墻背與豎直線的夾角，(°)，俯斜時取正號、仰斜時為負號，墻背傾角為1∶0.2，可知α=11.5°；β為墻后填土面的傾角，β=0且無荷載。

擋墻背后填土采用砂類土，查表可知砂類土的內(nèi)摩擦角為(35°～40°)，取40°。

規(guī)范中規(guī)定，土對擋墻背的外摩擦角根據(jù)墻背的粗糙程度，填料的性質(zhì)和排水條件見表1。

表1 填料與墻背間的摩擦角δ

填料與墻背間的摩擦角δ。

填料與墻背間的摩擦角δ取0.5×40°=20°。

1)求主動土壓力系數(shù)。

由上述條件可求得主動土壓力系數(shù)Ka。

2)進行擋墻的抗傾覆驗算。

想要求得抗傾覆驗算是否滿足要求必須知道如下幾個條件:

Zf為擋墻墻趾點o至主動土壓力水平分力的距離；Xf為擋墻墻趾點o至主動土壓力垂直分力的距離；Xo為擋墻重心至擋墻墻趾點o的距離，Eaf為擋墻主動土壓力水平分力；Eaz為擋墻主動土壓力垂直分力；G為擋墻自重，各個參數(shù)的位置詳見圖1。

G=1.4×6×22=184.8 kN/m；Eaf=110.8×cos(11.5°+20°)=94.4 kN/m。

Eaz=110.8×sin(11.5°+20°)=57.9 kN/m。

抗傾覆穩(wěn)定驗算公式：

假若抗傾覆穩(wěn)定性驗算不能通過時，可以按照以下的措施進行處理：1)增加擋墻斷面的尺寸，使擋墻的重量增加，但工程量也相應(yīng)增加，投資也相應(yīng)的增加;2)加大墻趾，但是墻趾過長，若厚度不夠，則需要配置鋼筋；3)進行滑動穩(wěn)定性驗算。

根據(jù)地勘資料可知基底承載力為fa=300 kPa，由于基礎(chǔ)底部屬于碎石類土，所以基底的摩擦系數(shù)取0.55。

假若抗滑動穩(wěn)定性不能滿足要求時，也可采用如下措施加以解決：

1)增加擋墻的斷面，以增加擋墻的重力;

2)墻底面做分成砂或石墊層，以提高摩擦系數(shù)u;

3)墻底做成逆坡;

4)進行地基承載力驗算：在基礎(chǔ)設(shè)計中，大多基礎(chǔ)都存在偏心荷載，所以基礎(chǔ)底部受力必定有小有大，所以基底必須滿足Pk

合力偏心距:

基底的平均壓力:

基底的最大壓力和最小壓力:

根據(jù)驗算可知基底承載力滿足要求。假如基底壓力不滿足要求，可以增加基礎(chǔ)基底的面積，或?qū)A(chǔ)底部進行處理，來滿足設(shè)計要求。

3 結(jié)論

由上述驗算可知該擋墻滿足使用要求，為了確保擋墻的安全性，運用軟件進行核算，計算結(jié)果人工手算進行對比，基本與手算符合，該工程于2017年投入使用，效果良好。

4 重力式擋墻的構(gòu)造措施

1)泄水孔。

當(dāng)擋墻填料為粘性土或水分不易滲入泄水孔向墻面外排除時，擋墻常因排水不良而大量積水，使土的抗剪指標(biāo)下降，土的壓力增加，導(dǎo)致?lián)鯄ζ茐?，因此，在擋土墻墻背和填料之間用滲水材料(砂礫或碎石)填筑墻頂面至最下層泄水孔間的連續(xù)排水層，頂端與底端需以粘土層作為隔水層，每隔2 m左右設(shè)置泄水孔，梅花狀布置，泄水孔可磚砌也可采用硬質(zhì)PVC管，坡度一般在2%～5%之間，最底層泄水孔高度應(yīng)高于地面0.2 m以上。

2)沉降縫和伸縮縫。

擋墻施工時，應(yīng)根據(jù)設(shè)計圖的分段長度，結(jié)合實際地形、水文、地質(zhì)變化的情況，設(shè)置沉降縫和伸縮縫，有時沉降和伸縮縫可設(shè)置成一道，間距為10 m～20 m，縫寬為20 mm，縫內(nèi)填瀝青木條或刨花板，填入深度不宜小于150 mm。當(dāng)擋墻較長時，會產(chǎn)生縱坡，當(dāng)縱坡小于5%時，擋墻基底可做成平面；當(dāng)縱坡大于5%時，當(dāng)墻基底需做分成臺階式，臺階的高度不宜大于0.5 m。擋墻頂部需設(shè)置60 mm～100 mm的細石混凝土壓頂，來保持美觀和平整。

3)墻體材料的要求。

砌筑高度為8 m以下的重力式擋墻可采用M7.5水泥砂漿，但是在嚴寒和寒冷地區(qū)應(yīng)采用M10水泥砂漿；砌筑高度為8 m以上的重力式擋墻可采用M10水泥砂漿，但在嚴寒和寒冷地區(qū)應(yīng)采用C15級毛石混凝土；對于毛石砌塊的要求，強度等級不應(yīng)低于Mu30，毛石砌塊的自重需達到22 kN/22 kN/m。毛石嚴格采用無風(fēng)化，無裂紋的要求。

5 結(jié)語

在土木工程設(shè)計中，擋墻設(shè)計雖然是個小的學(xué)習(xí)知識點，但是在實踐當(dāng)中確經(jīng)常用到，不僅是在房屋建筑中，還有道路橋梁及工業(yè)建筑等多種行業(yè)內(nèi)，并且擋墻常常用來為建筑物擋土，保障建筑物的安全，它的安全性緊緊的和建筑的安全聯(lián)系在一起，所以無論是在設(shè)計還是在施工中，每個環(huán)節(jié)都應(yīng)嚴格按照規(guī)范要求進行。