应用理正岩土5.11计算重力式挡墙相关参数讨论

雷兵荣

0 引言

北京理正软件设计研究院有限公司开发的理正岩土设计软件，有简洁的参数交互，动态的图形展示，帮助式的操作提示，详细的图文输出，易学易用的特点，版本升级日趋完善，适用条件更加广泛，越来越受到各专业技术人员的欢迎。工程无处不开挖，开挖无处不边坡，边坡无处不支挡。挡土墙是岩土工程中经常遇到的土工构筑物之一，因而作为理正岩土的第一个模块——挡土墙设计程序，是工程设计中应用频率比较高的，对工程技术人员开展工作显得非常重要。许多年轻的工程师应用此软件还不大成熟，特别是对计算中相关参数的确定，从概念的理解到取值还比较模糊。为了满足工程技术人员的需要，本文介绍了应用理正岩土5.11设计软件对重力式挡土墙进行设计计算，特别是针对重力式挡土墙计算中相关计算参数(其他类型挡土墙计算可参考)的确定，对其概念进行了解说，对参数取值进行了讨论、分析、对比和归纳。

1 功能概述

1)适用专业:参照公路、铁路、水利、工民建等行业的规范及标准(各专业分别采用不同的规范和规定)，适应各个行业的要求;可进行公路、铁路、水利、水运、矿山、工民建等行业挡土墙的设计和验算。

2)适用的地区有:一般地区、浸水地区、抗震地区、抗震浸水地区。

3)挡土墙基础的形式有:天然地基、钢筋混凝土底板、台阶式、换填土式、锚桩式。

4)土压力计算理论:依据GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范，土质边坡土压力计算方法可采用库仑、朗肯、静止土压力等。计算时土压力一般依据库仑土压力理论，采用优化的数值扫描法，对不同的边界条件，均可快速、确定地计算其土体破坏楔形体的第一、第二破裂面角度。除特别说明外，均不考虑墙前被动土压力作用。

注:本论文主要讨论重力式挡土墙计算参数的选取，对土压力计算、抗滑、抗倾覆验算等具体的计算公式，请参考《理正岩土5.11使用手册》及其他规程规范。

5)荷载:除土压力外，还可考虑地震作用、外加荷载、水等对挡土墙设计、验算的影响。

6)公路行业挡土墙计算的荷载工况分为四种:计算荷载、验算荷载、地震时计算荷载、地震时验算荷载(其他行业参阅有关规程规范)。

7)挡土墙验算采用两种方法:a.总安全系数的容许应力法;b.分项系数的极限状态法。

8)重力式挡土墙计算(验算)包括:土压力计算，滑动稳定性验算，倾覆稳定性验算，地基应力及偏心距验算，截面强度验算，对钢筋混凝土底板基础，还需要作基础强度计算。可以生成图文并茂的计算书。

2 重力式挡土墙计算快速操作指南

新建文件夹选择工作路径→选择行业及挡墙形式(以公路行业重力式挡土墙为例)→增加计算项目→编辑原始数据→当前挡墙计算→计算结果查询(图形和文字)→数据保存结束。

3 系统采用的安全系数和抗震设计时的强度提高系数

3.1 安全系数

1)滑动稳定系数:一般情况取 1.3［1］，地震力参与时取 1.1。根据水工挡土墙级别，挡土墙底面的抗滑稳定安全系数不应小于SL 379-2007水工挡土墙设计规范表3.2.7规定的允许值(见表1)。

表1 挡土墙抗滑稳定安全系数的允许值

2)倾覆稳定系数:计算荷载取1.6(理正岩土5.11使用手册取值为 1.5，目前根据新规范应为 1.6)［1］，验算荷载取 1.3;地震力参与时取1.2。根据水工挡土墙级别，土质地基上挡土墙的抗倾覆安全系数不应小于SL 379-2007水工挡土墙设计规范表3.2.12规定的允许值(见表2)。岩石地基上1级～3级水工挡土墙，在基本荷载组合条件下，抗倾覆安全系数不应小于1.50，4级水工挡土墙抗倾覆安全系数不应小于1.40;在特殊荷载组合条件下，不论挡土墙的级别，抗倾覆安全系数不应小于1.30［2］。

表2 土质地基上挡土墙抗倾覆安全系数的允许值

3)基底合力偏心距:土质地基B/6，岩质地基B/5，坚硬岩质地基B/4;抗震设计时由用户定义。

4)截面合力偏心距:计算荷载取0.25B，验算荷载取0.3B;抗震设计时取0.4B。

3.2 抗震设计时的强度提高系数

1)截面抗压强度提高系数:1.5;2)截面抗拉强度提高系数:1.5;3)截面抗剪强度提高系数:1.5;4)地基土承载力提高系数:由用户定义。

4 墙身尺寸数据输入

重力式挡土墙墙身尺寸应满足GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范第10.3条的构造规定。对于墙高小于10 m(8 m)的挡土墙，当抗震设防烈度、对路肩和路堤墙的均布荷载、填料内摩擦角、基地摩擦系数等满足04J008挡土墙时，可参考该图集截面尺寸进行试算。需要输入的墙身尺寸主要如下:

1)墙顶宽。2)扩展台阶宽高。3)钢筋混凝土底板的悬挑长度和厚度。4)台阶式基础的高度，阶数，各阶的宽高。

5 坡线土柱

1)坡面起始距离(m):坡面线与墙背顶点的距离。2)地面横坡角度(°):地面线与水平面的夹角，该值大于0°。取不产生土压力的硬土地面。当挡土墙后有岩石时，地面横坡角度通常为岩石的坡度，一般土压力只考虑岩石以上的那部分土压力，也可根据经验来给。如挡土墙后为土，地面横坡角度一般根据经验来给，如无经验，可给0°(土压力最大)。3)墙顶标高(m):决定地下水的相对距离。在选择浸水挡土墙时，出现该选项。4)挡墙背侧常年水位标高(m):相对于墙顶的距离。标高用来确定水位与挡土墙的相对位置，按实际水位交互。5)挡墙面侧常年水位标高(m):相对于墙顶的距离。标高用来确定水位与挡土墙的相对位置，按实际水位交互。6)挡墙分段长度:按挡土墙的设缝间距划分;在公路行业影响车辆荷载的计算。7)换算土柱(个数):在每一坡面上均可布置1个～10个荷载。8)换算土柱高度(m):由荷载换算的土柱高度用来计算土压力。对于公路专业、铁路专业以及墙背后填土有车辆荷载作用时，使土体中产生附加的竖向应力，从而产生附加的侧向压力。挡土墙土压力的计算应采用车辆荷载，换算土柱高度由车辆荷载等代计算得出，将车辆荷载换算成与墙后填土相同重度的一定宽度和高度的土柱(均步荷载)来计算。车辆等代均布荷载换算方法可参考04J008挡土墙附录B进行计算。车辆荷载可参考JTG B01-2003公路工程技术标准第6.0.4条，也可参考JTG D60-2004公路桥涵设计通用规范第4.3条。

注:作用于挡土墙的荷载如自重、土重、土压力、水压力、浮力、地基反力、摩擦力、地震作用等等，为输入相关参数以后，程序自动计算，在此不再赘述。另外，新版软件若选择公路行业则加入了公路—Ⅰ级、公路—Ⅱ级、城—A级和城—B级的荷载选项。

6 物理参数

1)挡土墙类型:分为一般、浸水、抗震三种类型，可互相组合。根据实际抗震设防等级及水文地质环境，按实际选择。不同类型的挡墙，规范规定的安全系数不同。

2)墙后填土类型:单层填土，多层填土。

3)墙后填土内摩擦角(°):土压力计算参数(参地勘资料)，一般取30°～45°。对于重要挡土墙填料的内摩擦角值，宜通过试验取得，不具备试验条件时，可按04J008挡土墙附录C表C.1的参考值选用(见表3)。

表3 填料内摩擦角参考值表

4)墙后填土粘聚力(kPa):粘性土土压力计算参数，当采用综合内摩擦角时，可填0°。当采用力多边形方法时，填实际测试值(地勘)。对砂性土可填0°。由于此值对土压力计算结果影响很大，所以一定要谨慎使用，必须保证任何情况下粘聚力均不降低才能使用。因此对于经验不足的用户，我们推荐使用等效内摩擦角法，而不是直接采用此参数。

注:土的物理力学特性(容重、粘聚力、内摩擦角)可参考《公路路基设计手册》(交通部第二公路勘察设计院编著)第二版P599表3-3-19选用;也可参考《支挡结构设计手册》(尉希成编著)第二版P29表2-13选用。

5)墙后填土容重:土压力计算参数，一般取17 kN/m3～19 kN/m3。可参考《支挡结构设计手册》第二版P28表2-10选用(见表4)，也可按JTG D30-2004公路路基设计规范表5.4.2-4进行选用。

表4 墙背填料物理力学指标

6)墙后填土浮容重(kN/m3):土压力计算参数，有水影响时参与。

7)墙背与墙后填土摩擦角(°):土压力计算参数，一般取1/2～2/3墙后填土内摩擦角。可按GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范表6.2.3选用(见表5);其中，φ为土的内摩擦角标准值，(°)，可参考《支挡结构设计手册》第二版P28表2-10。

表5 土对挡土墙墙背的摩擦角δ

8)地震烈度:不考虑地震，设计烈度7度，设计烈度8度，设计烈度9度。此参数设计，影响土压力计算，地震力计算及安全系数等。

9)地基土容重(kN/m3):用于基底倾斜时，地基的抗剪切验算。

10)修正后地基土容许承载力(kPa):此处输入的值为经过深度修正的设计值。程序中直接使用此值，不再做深度修正。修正后地基土容许承载力计算按GB 50007-2002建筑地基基础设计规范第5.2.4条进行计算。地基土抗震承载力的调整计算按04J008挡土墙附录F进行。

一般来说，地基承载力由大到小排序如下:岩石、碎石≥中密砂≥稍密粘性土≥粉质土≥回填土、淤泥。若无地勘资料，各类地基土及岩石的容许承载力可参考《公路路基设计手册》P595～P599选用，也可参考《支挡结构设计手册》第二版P33～P35选用。

11)地基土(抗震)容许承载力提高系数(见表6):用于承载力的提高，不提高时，可取1。在水利行业规范里，土基的承载力在地震工况下可以提高1.2倍，即最大压应力不应大于地基允许承载力的1.2倍。岩基则不允许提高。

表6 不同地基土容许承载力提高系数K取值

12)墙底摩擦系数:此参数用于滑动稳定性验算，依试验而定。无试验资料(地勘资料)时，可按GB 50330-2002建筑边坡工程技术规范表10.2.3选用(见表7)，也可按04J008挡土墙附录D表D.1选用，也可按国标图集06G112建筑结构设计常用数据表5.7选用(见表8)，也可按《公路路基设计手册》P592表3-3-2选用(见表9)，也可按JTG D30-2004公路路基设计规范表5.4.3-2选用，也可按《岩土理正5.11》软件帮助的操作提示参考建议值选用。各资料取值略有差异。

表7 岩土对挡墙基底摩擦系数μ

13)地基浮力系数:该参数的设置影响墙底浮力的大小，进而影响稳定性验算。该参数只在公路行业《公路路基设计手册》中有定义表格，其他行业可直接取1.0。公路行业可按《公路路基设计手册》P739表3-4-1进行选用(见表10)。

14)地基土类型:土质地基，岩石地基，坚硬岩石地基。

15)地震基底容许偏心距:B/3，B/4，B/5。

16)墙身地震力调整系数:影响水平地震力的大小。

17)地基土内摩擦角(°):该参数影响设有防滑凸榫的滑动稳定性验算。根据《地勘》得出，无地勘时可参考《支挡结构设计手册》第二版P28表2-11选用(见表11)。

表8 用于挡土墙稳定性验算的土对挡土墙基底的摩擦系数μ

表9 基底摩擦系数f参考值

表10 各类地基的浮力系数

表11 原状土物理力学指标

18)地基强度与偏心距验算时:斜面长度作为基底宽，水平投影长作为基底宽。

19)圬工砌体容重:一般取23 kN/m3。当墙高大于8 m时，用M10水泥砂浆砌筑，块石强度等级不得低于MU40，砌体的自重必须达到22 kN/m3［3］。圬工材料重度，可参考《支挡结构设计手册》第二版P30表2-16选用(见表12)。

表12 建筑材料重度表 kN/m3

20)墙身砌体容许压应力:一般取500kPa～4700kPa。墙身砌体容许剪应力:一般取40kPa～340kPa。墙身砌体容许拉应力:一般取60kPa～340kPa。墙身砌体容许弯曲拉应力:一般取60kPa～160kPa。

对于铁路行业，可参照TB 10025-2006铁路路基支挡结构设计规范表3.1.3进行取值。对于公路行业，可参照《公路路基设计手册》第二版表3-3-21和表3-3-22取值。也可按GB 50003-2001砌体结构设计规范第3.2节有关砌体计算指标进行选用。

21)圬工材料抗力分项系数:用于正截面强度和稳定计算。按JTG D30-2004公路路基设计规范，采用极限状态法验算挡墙构件正截面强度和稳定时用材料抗力分项系数，取值参见JTG D30-2004公路路基设计规范表5.4.4-1(见表13)。

22)圬工之间摩擦系数:该参数影响墙身截面强度验算，反应圬工间的摩阻力大小。取值与圬工种类有关，一般采用0.4(主要组合)～0.5(附加组合)，砖0.7，该值取自《公路路基设计手册》第二版P603。

表13 圬工构件或材料的抗力分项系数γf

23)地基土摩擦系数:该参数用于基底倾斜时，地基土的抗剪验算。可按《公路路基设计手册》P593表3-3-3选用(见表14)。

表14 地基土的内摩擦系数

7 地基处理及增设基础

当挡土墙天然地基不能满足要求时，应根据工程具体情况，因地制宜地作出地基处理设计。经处理后的人工地基应满足承载力、稳定和变形的要求［2］。岩石和土质地基处理要求可参考SL 379-2007水工挡土墙设计规范第8.2，8.3节。地基处理方法也可参考国标图集06G112建筑结构设计常用数据P93～P94采用。

基础类型分为:天然地基，钢筋混凝土底板，台阶式，换填土式，锚桩式。下面简单介绍一下钢筋混凝土底板和换填土式。

7.1 钢筋混凝土底板

1)悬挑长度、根部高度、端头高度、榫头宽度、榫头高度等由设计试算确定。

2)基础容重:钢筋混凝土一般取25 kN/m3。

3)钢筋容许拉应力:一般取210 MPa～360 MPa。可按GB 50010-2002混凝土结构设计规范第4.2节关于钢筋性能指标进行选用。

4)混凝土容许主拉应力:一般取0.55 MPa～2.2 MPa。可按GB 50010-2002混凝土结构设计规范第4.1节关于混凝土性能指标进行选用。

5)混凝土容许剪应力:一般取3.7 MPa～26.5 MPa。可按GB 50010-2002混凝土结构设计规范第4.1节关于混凝土性能指标进行选用。

6)钢筋合力点到基底距离:一般取30mm～50mm，影响钢筋面积计算。

7.2 换填土式

1)换填部分尺寸:根据工程实际，参考SL 379-2007水工挡土墙设计规范8.3.3条进行试算。

2)换填土内摩擦角(°):参考本文6中的4)，5)。

3)换填土平均容重(kN/m3):换填土及上回填土的平均容重。参考本文6中的4)，5)。

4)应力扩散角(°):一般可取换填土的内摩擦角。碎石土可取45°，粗中砂可取50°。应力扩散角也可按SL 379-2007水工挡土墙设计规范表8.3.3选用(见表15)。

表15 应力扩散角

5)换填土修正后承载力(kPa):参考本文6中的10)。

8 计算结果查询

重力式挡土墙设计时，除需要满足自身及其基础的抗压、抗弯、抗剪及局部抗静压力等计算，构造要求(墙身截面尺寸、基础的埋置深度、抗震构造、排水、其他构造)以外，尚应进行抗滑移稳定性验算、抗倾覆稳定性验算。地基软弱时，还应进行地基稳定性验算［1］。挡土墙的抗滑移、抗倾覆、基底合力偏心距和基底压力分别按《地基基础设计规范》中第 3.0.4，3.0.5，5.2.1 ～5.2.8和6.6.1 ～6.6.5 等条款的规定进行验算［3］。

8.1 图形结果查询

重力式挡土墙可以查询的图形输出结果如下:

1)计算简图。

2)土压力:

a.土压力(合力及两个方向分力)与破裂角关系曲线;

b.土压力Ea沿抗滑挡墙高度分布图;

c.破裂面与土压力简图;

d.力多边形简图。

8.2 文字结果(计算书)查询

1)土压力计算结果;

2)滑动稳定性验算结果;

3)倾覆稳定性验算结果;

4)地基应力及偏心距验算结果;

5)设置凸榫时，凸榫宽度验算;

6)墙身截面强度验算(不同截面)，包括偏心距、压应力、拉应力及剪应力;

7)基础强度验算包括悬挑部分主拉应力及剪应力。

9 数据保存和结果文件

数据和结果文件位于用户设定好的工作目录下。通过【辅助功能】菜单的“数据存盘到文件”可以将当前例题的数据保存在磁盘上。重力式挡土墙的数据文件格式分别为*.zl，图形文件格式* .DXF，计算书格式为* .RTF。

［1］ GB 50330-2002，建筑边坡工程技术规范［S］.

［2］ SL 379-2007，水工挡土墙设计规范［S］.

［3］ 04J008，挡土墙［S］.