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浅谈挡土墙式驳岸设计

摘要：本文根据挡土墙式河道驳岸的工程项目设计实例，结合本工程设计的基础资料、设计参数、挡土墙选型以及稳定、强度验算和构造措施等，对挡土墙的设计内容进行了一个系统的分析总结，希望业内同行在今后的设计中能起到一定作用。
关键字：挡土墙 土压力 库伦理论 稳定性 措施
1. 前言
　 　挡土墙是保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。随着在我国基本建设步伐的加快，挡土墙得到了越来越广泛的应用。
挡土墙的基本组成主要有以下几方面。挡土墙回填土一侧称为墙背，另一侧为墙面，墙背与墙底的相交处称为墙踵，墙面与基底相交处称为墙趾，墙面、墙背的倾斜度是指两者与垂直面的夹角，墙背一侧较高的土体或其他物料均称为回填土。
挡土墙的形式多种多样。按其结构形式可分为：重力式、悬臂式和扶壁式等；考虑挡土墙设计方案时，应与其他工程方案进行技术经济比较，分析其技术的可行性、可靠性及经济的合理性，然后才确定设计方案，并根据实际情况进行挡土墙的选型。
2. 项目概况
本工程位于宁波市象山县中心城区天安路，全长约1.70km，拟建场是滨海大道南侧与大目洋北侧海堤之间的南大河的驳岸，地貌上属滨海淤积平原，河宽约30米。地层情况：上部2.0m左右为软塑粉质粘土，下部均为流塑的淤泥质土，沿线的两侧地形地貌较单一，主要为农田。本工程勘察范围地下水类型主要为赋存于上部粘性土中的孔隙潜水。上部的孔隙潜水水位变化主要受大气降水和周围河流补给的影响，由于涨大潮时海水流入，又与海水具有一定水力联系。由于其含水层为粘性土，渗透性差，故其水量小。勘察期间测得潜水稳定水位埋深为0.70～1.60米，相当于标高介于0.48～2.77米之间，随季节略有升降变化，年变化幅度约1.0m。
3. 挡土墙设计的基础资料及设计参数
　　3.1 基础资料
挡土墙设计时，必须具备以下资料：地质资料、水文资料、现场施工条件、当地施工材料等总体设计资料。拟采用当地毛石作为该工程结构主材。
　　3.2 设计参数的选取
　　3.2.1 墙背填料的物理力学性质
填料为粉质粘土，含水率ω0=29.8%，重度γ=19.31KN/m3。
3.2.2 墙背摩擦角δ
填土与墙背间的摩擦角δ应根据墙背的粗糙程度及排水条件确定。对于浆砌片石墙体、排水条件良好，均可采用δ=φ/2，φ为墙背填土的内摩擦角。
3.2.3 基底摩擦系数µ
基底摩擦系数μ应依据基底粗糙程度、排水条件和土质确定，本工程取µ=0.35。
3.2.4 地基容许承载力
地基容许承载力可按照地质勘查资料及有关设计规范规定，本工程取100Kpa。
3.2.5 建筑材料的容重
根据有关设计规范规定选取σ=24KN/m3。
3.2.6 砌体的容许应力和设计强度
根据有关设计规范规定选取，石材强度采用不低于M30。
4 挡土墙的选型
　　4.1 材料选择
　　浆砌片石挡土墙取材容易，施工简便，适用范围比较广泛。本工程采用浆砌片石砌筑，可以较好地满足经济、安全方面的要求，结构形式为重力式挡土墙。
　　4.2 截面形式选择
根据重力式挡土墙结构类型及其特点分析，顶宽取1/12H,底宽取(1/2～1/3)H，H为挡土墙的设计高度。本工程顶宽0.4m，底宽1.5m.。
5 土压力的计算
　 挡土墙设计经济合理与否，关键是正确地计算土压力，确定土压力的大小、方向与分布。计算土压力的理论和方法很多。由于库伦理论概念清析，计算简单，适用范围较广，一般情况下计算结果均能满足工程要求，本工程挡土墙产生的土压力为主动，采用朗肯土压力理论公式作为计算方法。
　　5.1 朗肯主动土压力计算公式
　　主动土压力计算公式：
　　Eα=1/2γH2Ka Ka=tg2（45-φ/2）
式中：Eα——主动土压力(KN)
γ——土的容重（KN/m3）
H——挡土墙高(m)
Ka——库伦主动土压力系数
　　5.2 挡土墙的稳定及强度验算
挡土墙的设计应保证其在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。因此在拟定墙身断面形式及尺寸之后，应进行墙的稳定及强度验算。
　　5.3 滑动稳定验算
　　挡土墙沿基底的滑动稳定系数Ks应不小于1.3。计算公式为：
Kc= （Gn+Ean）µ / (Eat-Gt)
Gn=Gcosa0 Gt= Gsina0
Eat= Easin(a-a0-δ) Ean= Eacos(a-a0-δ)
式中：G——挡土墙每延米自重(KN/m)
Ea——每延米主动土压力合力(KN/m)
a0——挡土墙基底倾角(0)
a——挡土墙墙背倾角(0)
δ——挡土墙墙背摩擦角(0)
µ——基底摩擦系数。
　　5.4 倾覆稳定验算
　　挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数Kt应不小于1.6。计算公式为：
Ko=（G x0+Eazxf）/（EaxZf）
Eax= Easin(a-δ) Eaz= Eacos(a-δ)
xf=b-zctga zf=b-ztga
式中：Z——土压力作用点至墙踵的高度 (m)
x0——挡土墙重心至墙趾的水平距离 (m)
b——基底的水平投影宽度 (m)
5.5 基底应力及偏心验算
p=ΣGn/B<f pmax<1.2f
基底的合力偏心距e
e=B/2-c=B/2-（G1a1+G2a2-Eaxxf）/(G+Eaz)
在土质地基上，e≤B/6
　当e≤B/6时，墙趾和墙踵处的法向压应力为：
　　pmax/min =（G+Eaz）（1±6e/B）/B≤f
式中，f——地基土修正后的容许承载力（KPa）
5.6 计算结果
Eα=75KN/m Ks=1.5>1.3 Kt=1.65>1.6 p=82<100 Kpa pmax =98.4<100 Kpa
符合设计安全要求！
6 采取措施
　　6.1 基础加固措施
　　6.1.1 为减少基底压应力，增加抗倾覆的稳定性，在墙趾处伸出一台阶，以拓宽基底。本工程采用墙趾台阶的宽度不小于20cm，台阶高度采用40cm，台阶高宽比一般采用3:2或2:1。
　　6.1.2 地基为软弱土层时，可用砂砾、碎石、矿渣或灰土等质量较好的材料换填，以增加地基承载力，更好的满足设计要求。本工程在设计中采用当地被称作塘渣的一种类似石硝的材料当作垫层，提高了地基承载力的同时也增加了挡土墙底的摩擦力系数，对墙体抗滑移起到了一定的作用，增强了墙体的稳定性。
　　6.2 排水措施
　　可在墙上部加设泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圆孔，孔眼间距2~3米，上下排泄水孔错开设置。泄水孔进水口应设置反滤材料。
　　6.3 沉降缝与伸缩缝的设置
　　为避免地基不均匀沉降引起墙身开裂，需按墙高和地基性质的变异，设置沉降缝，同时，为了减少砌体因收缩硬化和温度化作用而产生裂缝，需设置伸缩缝。挡土墙的沉降缝和伸缩缝设置在一起，每隔10~15m设置一道，缝宽2~3cm，自墙顶做至基底，缝内宜用沥青麻絮、沥青竹绒或涂以沥青的木板等具有弹性的材料，沿墙的内、外、顶三侧填塞，填塞深度不小于15cm。
7． 施工要求
　　7.1 石料须经过挑选，质地均匀，无裂缝，不易风化。
　　7.2 石料的抗压强度应不低于30MPa。
　　7.3 尽量采用较大的石料砌筑，块石应大致方正，其厚度不小于15cm，宽度和长度相应为厚度的1.5~2.0倍和1.5~3.0倍。
7.4 采用7.5号砂浆砌筑，10号砂浆勾缝。
8． 结束语
挡土墙式驳岸是河道工程的重要组成部分，在现在城市河道景观建设过程中得到了充分的应用，使得好多驳岸设计更加结合景观需要，符合美观要求，但其基本结构形式是基本不变的。当然，挡土墙在设计过程中最重要的就是因地制宜，结合当地土质情况，进行详细地调查、勘测，确定实际的地基承载力，运用合适的理论计算土压力，进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理、可行的措施，以达到挡土墙设计的经济、适用、安全、耐久、美观性要求。

参考文献：
　　[1]杨位洸，张克恭.地基及基础.中国建筑工业出版社，1997.
　　[2]《建筑地基基础设计规范》GB50007-2002
《建筑边坡工程技术规范》GB50330-2002