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重力式挡土墙设计及检算摘要：重力式挡土墙是一种抵抗土压力的构件或墙体，可以采用支护形式，也可以直接利用挡土墙重力来抵抗土体滑动。根据实际工程的不同，可以采取相应的挡土墙。本设计着重讨论一种超重力式挡土墙的计算以及挡土墙在其他方面实际遇到的问题。通过分析探讨，重力式挡土墙可以做成超高形式；同时，只要满足理论分析，设计可以不拘泥于规范或规程进行。本论文分两部分分析：第一部分为对重力式挡土墙进行分析，提出一种挡土墙设计新方法；第二部分为对实际设计过程中遇到的问题加以讨论。关键词：重力式挡土墙 设计新方法 超限第一部分：重力式挡土墙分析挡土墙广泛应用在工业与民用建筑、道路及水利建设中。由于高层、超高层和城市地下空间的利用，促进了基坑工程设计与施工技术的进步与发展，使建筑基坑支护工程成为挡土工程的重要分支。挡土墙及基坑支护工程类型繁多，工程最常见的重力式挡土墙、钢筋混凝土挡土墙以及深基坑支护中常用的悬臂式围护结构、内撑式围护结构、拉锚式围护结构、水泥土重力式挡土墙、土钉墙及地下连续墙。5基坑支护结构设计应根据下表选用相应的侧壁安全等级及重要性系数0。5基坑侧壁安全等级及重要性系数 附表1安全等级破坏后果0一 级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响很严重110二 级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响一般10三 级支护结构破坏、土体失稳或过大变形对基坑周围环境及地下结构施工影响不严重09挡土墙及基坑支护应根据墙趾周边环境、挡土高度、地质水文资料、建筑材料供应条件、墙体用途、施工方法、施工季节及技术经济条件按附表2选用。5挡土墙和支护结构选型表 附表2序号挡土墙支护结构型式适用于条件1重力式挡土墙（1） 墙高不宜大于6m，在较弱的土层中墙高不宜大于5 m（2） 适用于地形变化复杂的场地（3） 墙身材料可选用毛石砌体、毛石混凝土和素混凝土2钢筋混凝土挡土墙（1） 钢筋混凝土悬臂式挡土墙墙高不应超过8 m时，宜采用扶壁式钢筋混凝土挡土墙（2） 悬臂式挡土墙适合于地基承载力较低的地段，扶壁式挡土墙适用于地基承载力较高的地段（3） 常用于石料缺乏序号挡土墙支护结构型式适用条件3悬臂式排桩支护结构（1） 基坑侧壁安全等级宜为二、三级（2） 在软土场地中基坑深度不宜小于5米（3） 基坑底面以下的地质较好的；具有嵌固桩体的能力（4） 对桩顶变位要求较高的场地不宜采用（5） 当地下水位高于基坑低面时，宜采用降水或截水帷幕4拉锚式围护结构（1） 适用于基坑侧壁安全等级一、二、三级（2） 适用于无流砂、含水量不高，不是淤泥等流塑土层的基坑支护，开挖深度不宜大于18米（3） 当地下水位高于基坑面时，应采取降水或截水措施5内撑式围护结构（1） 适用于基坑侧臂安全等级一、二、三级（2） 在软土中场地，优选用（3） 内支撑的构件，常用钢筋混凝土构件或组合型钢，对于平面较大、形状比较复杂的基坑，宜采用现浇钢筋混凝土结构（4） 当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施6水泥重力式挡土墙（1） 基坑侧壁安全等级宜为二三级（2） 水泥土桩施工范围内的地基土承载力不宜大于150kPa（3） 基坑深度不宜大于6米（4） 当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施（5）7土钉墙（1） 基坑侧壁安全等级一、二、三级（2） 适用于非软土场地，基坑深度不宜大于12米（3） 当地下水位高于基坑底面时，应采取防降水或截水措施8地下连续墙（1） 适用于基坑侧壁安全等级一、二、三（2） 可用于各种场地土，特别适用于软土地基密集的建筑群中高层建筑的深基坑开挖（3） 适用于临时挡土支护、止水及防渗，同时可作为永久性的承重结构（4） 是多层深地下室逆作方法必选的地下围护结构（5） 当地下水位高于基底面时，应采取降水措施基坑挡土墙结构的选型，尚应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材料受力性状的型式。重力式挡土墙属刚性结构，广泛用于支挡路堤或路堑边坡、隧道洞口、桥梁两端及河流岸壁等1。它靠墙的自重保持稳定，一般在低挡土墙（墙高H5米）时采用具有结构简单、施工方便、能就地取材等优点2。近年来，随着经济的发展，我国特殊场地工程施工增多，许多超规范的设计大量的也现，在支挡结构中更为突出。传统的重力式挡土墙很少用于坡高或坑深大于8米的支挡工程中。而实际工程中，往往基坑比较深，又不受场地的限制，为了本着既经济又安全的原则，采用一种分级式挡土墙，是完全可以的。超重力式挡土墙就是采用分级组合的重力式挡土墙。经过充分计算、验算，只要挡土墙的抗滑、抗倾覆安全系数以及偏心距、基底应力均满足计算要求，这种新的设计方法应该是可行的。本文通过结合某工程场地，并采用本设计新方法予以计算说明之。1 工程概况拟建场地地貌单元属于山前冲洪积扇后缘，土层为卵石漂石，地下水埋深2.52.8米，对钢筋砼结构中钢筋无腐蚀性。场地高程介于429.5445.89米拟回填砂坑深810米，挡土墙设于深10米地带。场地总平面及挡土墙位置见图1。2 设计原理2.1 土压力计算 考虑到挡土墙的超高因素,墙后土压力(P)取静止土压力(P0)与主动土压力(Pa)平均值,计算公式如式(1) (1)式中: K0静止土压力系数： Ka无粘性主动土压力系数。 r z r指土的重度，r z指Z深度土的重度。2.2 滑动稳定验算挡土墙滑动稳定性验算采用文献4中推荐的公式(2),受力情况图2(a). (2) 也可采用公式(3)计算，此时挡土墙倾斜角，受情况2(b)。 或：(3)2.3 倾覆稳定验算 挡土墙倾覆稳定性验算采用文献4中推荐的公式见式(4)受力分析见图2(c)。 (4)式中：ZxEx对墙趾O点的力臂： ZyEy对墙趾O点的力臂： ZwEw对墙趾O点的力臂：2.4 基底应力及偏心验算 (1)偏心距：偏心距验算采用文献4中推荐的公式见式(5)式中：ZxEx对墙趾O点的力臂： ZyEy对墙趾O点的力臂： ZwEw对墙趾O点的力臂： ZnZw e之值。 (5) (2)基底应力：基底应力分两种情况来讨论，具体情况如下：时，墙趾或墙踵处的应力公式按式(6)计算： (6)式中：修正后的地基容许承载力， K1地基容许承载力随基础宽度的修正系数： r 1 地基土的天然容重。 时，墙趾或墙踵处的应力公式按式(7)计算： (7) 图2挡土墙受力情况简图3 计算步骤3.1参数选择墙背填土参数依据参考文献3选择,见表1。表1 填土参数表：天然容重1内摩擦角粘聚力c20.535o0稳定性验算系数等依据文献4选择，见表2。表2 稳定性验算系数表：滑动稳定系数Kc倾覆稳定系数K0偏心距e基底应力地基容许承载力(kpa)1.31.5B/63005003.2 计算结果土压力计算结果:一级挡墙: P = 343.17 KPa，二级挡墙： P = 343.17 KPa。滑动稳定系数验算结果：一级挡墙: Kc = 1.6，二级挡墙： Kc =1.3。倾覆稳定系数验算结果：一级挡墙: K0 = 1.75，二级挡墙： K0=2.7。偏心距及基底应力验算结果:一级挡墙: e = 1.58，=274.50 KPa二级挡墙： e = 0.39，=125.36 KPa4 挡土墙结构设计 根据一系列的验算得出结论为:一级挡土墙高6米,墙顶宽2.5米；二级挡土墙高4米，墙底宽2.5米，墙顶宽1米，基础宽8米，高3米；满足规范要求。挡土墙设计结构如图3所示。图3 挡土墙结构示意图由于施工场地距离河流较近，充分考虑地下水及地表水的渗流作用，一级挡土墙墙身全部及二级墙身下部纵横间距2m2m设排水孔，一级挡土墙顶面设截流槽，墙面设溢流槽，墙脚设排水槽。二级挡墙顶部设50cm墙帽，防止松散填料滚落墙下。5 结 论采用分级组合式的重力式挡土墙设计方法是目前较理想的设计新方法之一，其工程建设投资相比扶壁式挡土墙等较低，稳定性也可以达到有关规要求。只是在施工过程中一定要严格按相关规定操作，避免出现因施工引起的质量事故。本新设计方法值得广泛推广。第二部分对实际设计过程中遇到的问题加以讨论检算为了对重力式挡土墙理解更透彻，下面着重探讨一下挡土墙其他方面的问题：挡土墙可不必拘泥于规范对挡土墙高度的限定，可根据实际情况因地制宜地选择挡土墙类型及确定挡土墙高度，只要在偏心距与基底应力检算中，墙趾、墙踵应力满足要求即可，下面我们具体的分析一下这个问题：6 对挡土墙设计中几个问题进行探讨支挡结构是路基设计中的一个重要组成部分，其中挡土墙应用最为广泛，在挡土墙设计计算中，一般首先确定挡土墙的高度，根据实际情况选用合适的挡土墙类型，然后拟定挡土墙挡土墙断面尺寸，根据库仑或朗金理论计算墙背岩土，主动土压力，进行挡土墙检算。检算主要有如下5项：抗滑动稳定系数KC1.3；抗倾覆稳定系数K01.5；基底合力偏心距e的检算；土质地基B/6，岩土地基B/4；基底压应力基底容许承载力，同时还规定当合力偏心距为负值时，墙踵压应力可超过地基容许承载力，一般地区30%，浸水地区50%，但基底平均压应力地基容许承载力；墙身截面强度检算。检算满足要求后，墙身设计中的挡土墙高度、合力偏心距、基底压应力进行探讨。6.1 挡土墙高度6.1.1 有关规定挡土墙高度直接影响挡土墙断面尺寸的拟定、墙身的圬工数量以及基础是否需要加固等问题。在铁路路基支挡结构设计规范中对各种挡土墙的高度都有具体规定；重力式挡土墙12米，短卸荷板式挡土墙612米，悬臂式挡土墙6米，锚杆挡土墙18米，锚定板挡土墙10米，加筋挡土墙10米，土钉墙20米，桩板式挡土墙15米（自由臂）。不同的形式挡土墙因结构不同，当超过一定高度后，挡土墙受到的土压力增长较快，而其承受能力却有限，故对挡土墙高度做了一定的限制。理论上，重力式挡土墙的主要荷载墙背岩土主动土压力可以通过库仑或朗金理论计算求得，挡土墙的结构受力分析也是完善的，那么无论挡土墙多高，土压力多大，通过计算都可以拟定合适的挡土墙尺寸，满足工程需要。当然挡土墙较高时，地基一般都需要加固处理。但是在实际工程中，挡土墙在满足工程需要的同时必须经济、安全、合理，因而对各种挡土墙的高度都有明确的规定。如日本国铁规范规定；墙高6米采用扶臂式挡土墙。规范对挡土墙高度做的限定，可以使我们在设计时少走弯路，尽快找到合适的支挡结构。但是,工程设计者不能固步自封,在挡土墙选型时局限于以上规定。6.1.2 例举一个已施工的重力式挡土墙设计加以说明某电厂专用线位于某铁路线K481+300K482+900南侧,与该铁路正线等高并行,专用线南侧的电厂卸煤区比路肩低8米左右，卸煤采用人工方式。原设计采用重力式路肩挡土墙，参照定型设计（见图四）挡土墙长740米，墙顶1.9米，墙顶外线距线中心2.9米。出现以下问题：由于墙顶较宽，使得轨枕头有0.25米压在重力式路肩挡土墙上,造成轨枕支撑“一头软、一头硬”危及安全；挡土墙外缘距线路中心较宽，人工卸车时原煤极易堆积在路肩上，给行车带来隐患。图四 挡土墙断面图(单位米)针对以上弊病，经过分析，决定采用悬臂式挡土墙（见上图）。墙顶宽0.3米，墙顶外缘距线路中心线1.95米，胸坡为1：0.05。这样就彻底解决了采用重力式挡土墙带来的问题。经检算各项指标均满足规范要求。该悬臂式挡土墙于1998年12月竣工，2001年12月验收，2002年1月开通运营。运营6年多来，挡土墙情况良好，未发生任何问题。以上实例说明，挡土墙设计不能过分拘泥于高度的限制，应该结合具体条件认真分析，采用合理的挡土墙形式解决工程实际问题。当然，当挡土墙过高时，对挡土墙检算的几个指标抗滑动稳定系数KC、抗倾覆稳定系数K0等应该适当增大。6 .2 基底合力偏心距基底俣力偏心距e为挡土墙基底受到的合力作用点距基底中心的距离，其计算公式为： （8）e 基底合力偏心距（(mm)，当为倾斜基底时为倾斜基底合力的偏心距；B 基底宽度（m），对倾斜基底为其斜宽；C 基底垂直分力对墙趾的力臂（m） 作用于基底的总垂真力（KN） 稳定力系对墙趾的总力矩（KN m） 倾覆力系对墙趾的总力矩（KN m）规范规定基底合力偏心距e对土质路基B/6对岩石地基B/4，当合力作用点在墙趾与基底中心之间时为正，在基底中心与墙踵之间时为负。 以上规定是鉴于当偏心距大于B/6时，基底应力或会出现负值即拉应力，对于一般地地基与基底羊是不能承受的，这时应按无拉应力的平衡条件重新分配压应力（见图五）。图五 基底应力状态 规范规定土质路基eB/6、岩石地基eB/4，只是表明当超过以上限度后，基底应力分配不均衡。基底墙趾、墙踵压应力、为：当e B/6时，；当e200KpaeB/5基本承载力B/6时, （10）当e0时基底应力呈梯形或三角形分布，；当e0时，基底应力呈应力呈梯形或三角形分布，地基容许承载力，墙踵应力及平均压应力均能满足要求。如重力式挡土墙按有荷计算，当e，所以只要墙趾压应力，平均压应力就不超过地基容许承载力。当偏心距为负值时，因为，根据规范、满足检算要求，而这时平均压应力就可能超过地基容许承载力。显然当偏心距为负值时，上述规定是相互予盾的。在挡土墙定型图中，当墙趾应力、墙踵应力满足要求时，基底平均压应力大于地基承载力的例子较多。而实际工程采用定型图后，挡土墙也没有发生破坏。表4为定型图中的几个例子，计算数据为：重力式路堤挡土墙，单线铁路，换算土柱高3.4米，宽3.6米，线路中心距路肩边3.45米，挡土墙墙顶到路肩高h=8.0 m , =35度 ，r=17KN/ m3 , f =0.3, =200kpa 重力式路堤挡土墙定型图检算 表4 墙高/m断面尺寸计算结果bBBh2e/ m应力/kpa92.122.772.690.530.20.50.21.312.21-0.040189225102.323.123.030.590.30.750.21.312.25-0.072193257由以上分析可看出，在重力式挡土墙基底压应力检算中，只需要算墙趾压应力、墙路压力即可。7 总结分级组合式的重力式挡土墙设计方法是目前较理想的设计新方法之一，其工程建设投资相比扶壁式挡土墙等较低，稳定性也可以达到有关规要求。只是在施工过程中一定要严格按相关规定操作，避免出现因施工引起的质量事故。本新设计方法值得广泛推广。为了对重力式挡土墙理解分析更透彻，着重探讨了挡土墙存在一些问题：挡土墙可不必拘泥于规范对挡土墙高度的限定，可根据实际情况因地制宜地选择挡土墙类型及确定挡土墙高度，只要在偏心距与基底应力检算中，墙趾、墙踵应力满足要求即可。以上说明设计重力式挡土墙从设计至检算可不拘泥于设计规范，根据实地情况，进行有利计算分析，从而设计出经济，合理，稳定的挡土墙。2223