利用Excel和AutoCAD进行挡土墙设计

任立梅 刘 良

一、引言

在水利水电、公路桥梁等土木建筑工程中经常会遇到各种形式的挡土墙，挡土墙的设计包括：土压力计算、抗滑及抗倾（岩基）稳定验算，基底应力、截面应力验算等。挡土墙的计算方法不复杂，但各项作用力及力矩的计算较繁琐，尤其是在拟定的设计方案不同的计算工况中计算结果不能满足规范要求的情况下，计算及校核的工作量更大。本人在近年来设计过程中，利用Excel和AutoCAD相结合进行挡土墙设计计算，简化了计算过程，提高了设计效率。

二、计算实例

1.设计资料

某2级水闸下游连接段为半重力式挡土墙，各部位结构尺寸见图1。墙身及墙底板均采用C15混凝土，混凝土重度采用γ1=24 kN/m3。墙前及墙后均无水。地基为密实的砂壤土，基底与地基之间的摩擦系数采用f=0.37。墙后回填砂壤土，内摩擦角Φ=30°，重度采用γ2=18kN/m3。墙顶填土面为水平，即β=0°。地基允许承载力[σ0]=180 kN/m2。

本例取单位长度的墙体作为计算单元。按朗肯公式计算土压力，作用于挡土墙水平荷载∑H=60.75 kN，作用点距基底1.5m。为简化计算，仅验算抗滑稳定和基底应力。

2.抗滑稳定验算

（1）抗滑稳定计算应满足的要求

挡土墙基础底面的抗滑稳定安全系数Kc不小于《水闸设计规范》（SL265-2001）（以下简称《规范》）7.3.13条规定的允许值。本例查表7.3.13知荷载为基本组合，水闸级别为2级抗滑稳定安全系数的允许值[Kc]=1.3。

（2）抗滑稳定安全系数计算公式

式中：Kc——基础底面的抗滑稳定安全系数；

F——基础底面与地基之间的摩擦系数，此例f=0.37；

∑H——作用在挡土墙上的全部水平向荷载（kN），此例∑H=60.75 kN；

∑G——作用在基底的全部竖向荷载（kN）。

（3）数据计算

垂直力G=γA，力矩M=Gl。其中面积A、力臂l可通过AutoCAD的查询功能直接快速查得。如混凝土墙身面积A1及墙身重心对基底中心处O点的力臂l1值的查询，首先通过“UCS”命令新建坐标原点，将坐标原点设在底板底面中心处O点，用“REGION”命令使墙体ABCDE设定为一面域，然后点击工具菜单→查询→面域/质量特性，选择对象选取上述面域，出现AutoCAD文本窗口，该断面的质量特性如图2所示。

面积：3.650 为面积 A1=3.65m2，质心：X：-0.630为力臂l1=-0.630m。按相同方法将混凝土底板、土体断面分别设置为面域，坐标原点不变，即可查得面积 A2=1.9 m2，l2=-0.0m；A3=9.15m2，l2=-0.67m。

利用Excel的计算功能和格式复制功能将各项作用力及力矩计算列出，如图3所示。垂直力的计算为B列与相应重度乘积，力矩的计算为C（D）列和E列相应单元格数据相乘。计算的公式、采用的格式相同，引用的单元格不同。抗滑稳定安全系数Kc的计算单元格H7=G7×C7/D7，计算结果1.81大于允许值1.3，即抗滑稳定满足要求。计算表中垂直力作用点偏向墙前力臂为正，力矩值以向墙前旋转为正。

3.基底应力验算

（1）基底应力计算应满足的要求

挡土墙基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于允许承载力的1.2倍；基底应力的最大值与最小值之比η不大于《规范》7.3.5条规定的允许值。此例查表7.3.5知中等坚实土质，基本组合允许值[η]=2.0。

（2）基底应力计算公式

B——挡土墙基础底面宽度（m），B=3.8m；

∑M——作用在基础底面全部竖向荷载和水平荷载对基础中心处O点的力矩（kN·m）；

∑G——作用在基底的全部竖向荷载（kN）；

基底应力最大值与最小值之比为：η=Pmax/Pmin。

（3）数据计算

∑G、∑M直接引用上述计算的单元格中数值，计算过程与计算结果见图3。计算结果与规范要求相比较，基底应力不大于地基允许承载力，最大基底应力不大于允许承载力的1.2倍（因[σ0]值已满足地基承载力要求，在此不再计算修正后的允许承载力）；基底应力的最大值与最小值之比η=1.47<允许值[η]=2.0，均满足要求。

三、结束语

在设计过程中可拟定多种形式的挡土墙，选择不同的材料，不同的断面，不同的计算工况，按上述的计算方法可轻松、快速地修改，得出计算结果。从而进行比较，选择最适合的设计方案。

用Excel和AutoCAD相结合进行挡土墙设计计算，充分利用了Excel的计算功能和格式复制功能，计算过程应仔细复核公式输入、单元格引用的正确性，从而确保计算结果的正确性。在AutoCAD中利用“查询功能”可快速确定断面面积、惯性矩、质心。避免手工计算过程的繁琐，并保证了最终计算结果的正确、快速