某公路改建工程钢筋混凝土悬臂式挡土墙设计

商兆娟

1 概述

上海六奉公路(沪南公路—汇技路)改建工程全长402.712 m，为城市次干路Ⅰ级，计算行车速度为50 km/h，由于本次改建工程沿线多为工业区和居民区，从美观的角度考虑选择了钢筋混凝土悬臂式挡墙。

根据本工程的勘察资料，地基土承载力见表1。

表1 地基土承载力一览表

根据地质情况和验算资料本工程设计墙底铺设0.2 m厚的C15混凝土垫层，当墙高大于3.5 m小于5 m时采用8.0 m的预制方桩处理地基，当墙高大于5 m小于6 m用12.0 m的预制方桩处理。

悬臂式挡土墙是由立壁(墙板)和墙底板(包括墙趾板和墙踵板)组成，呈倒“T”字形，具有三个悬臂，即立壁、墙趾板和墙踵板。

钢筋混凝土悬臂式挡土墙设计，包括墙身构造设计、墙身截面尺寸的拟定、结构稳定性和基底应力验算以及墙身配筋计算、裂缝配筋计算、裂缝开展宽度验算等。

2 尺寸拟定及构造设计

2.1 尺寸拟定

钢筋混凝土悬臂式挡土墙的设计，一般应采用先确定组成墙体各构件的概略几何尺寸，再进行钢筋混凝土结构设计的计算过程，确定构件概略几何尺寸通常按地基承载力、基底合力偏心要求及挡土墙抗滑稳定性，抗倾覆稳定性等外部稳定条件，通过试算法求出。需要时应对墙体可能发生的深层滑动稳定性进行验算。

钢筋混凝土结构设计是在已确定的构件概略几何尺寸下进行内力计算、配置钢筋及构件变形与裂缝宽度验算，在此过程中往往需要调整初拟的构件截面几何尺寸，但一般对挡土墙的外部稳定性影响不大。

2.2 构造设计

1)钢筋混凝土挡土墙分段长度不应大于15 m，段间设置沉降缝和伸缩缝。

2)为了便于施工，立壁内侧宜做成竖直面，外侧坡度一般为1∶0.02～1∶0.05，具体坡度值应根据立壁的强度和刚度要求确定，当挡土墙高度不大时，立壁做成等厚度。

3)墙底板一般水平设置，底面水平。墙趾板的顶面一般从与立壁连接处向趾端倾斜。墙踵板顶面水平，但也可做成向踵端倾斜。墙底板厚度不应小于0.3 m。此项目构造断面及钢筋断面尺寸见图1。

3 计算结果

根据理正计算软件计算:

1)墙身尺寸及物理参数见表2。

2)土压力计算。

计算高度为4.500 m处的库仑主动土压力:无荷载时的破裂角=30.270°。按假想墙背计算得到:第1破裂角:27.600°。Ea=118.472，Ex=49.142，Ey=107.799 kN。作用点高度:Zy=1.500 m。因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，计算后发现第二破裂面存在:第2破裂角 =27.493°，第 1破裂角 =27.500°。Ea=106.933，Ex=49.388，Ey=94.844 kN。作用点高度:Zy=1.500 m。墙身截面积=3.446 m2，重量=86.156 kN。整个墙踵上的土重=96.564 kN;重心坐标(1.183，－2.506)(相对于墙面坡上角点)。墙踵悬挑板上的土重 =79.127 kN;重心坐标(1.334，－2.631)(相对于墙面坡上角点)。墙趾板上的土重=3.060 kN;相对于趾点力臂=0.425 m。

3)滑动稳定性验算。

基底摩擦系数 =0.250。滑移力 =49.388 kN，抗滑力 =70.156 kN。滑移验算满足:Kc=1.421＞1.300。滑动稳定方程验算:滑动稳定方程满足:方程值=25.413 kN＞0.0。

表2 墙身尺寸及物理参数

4)倾覆稳定性验算。

验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性。倾覆力矩=74.082 kN·m，抗倾覆力矩 =623.502 kN·m。倾覆验算满足:K0=8.416＞1.500。倾覆稳定方程验算:倾覆稳定方程满足:方程值 =483.322 kN·m ＞0.0。

5)地基应力及偏心距验算。

基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力，作用于基础底的总竖向力 =280.625 kN，作用于墙趾下点的总弯矩 =549.420 kN·m。基础底面宽度:B=3.870 m，偏心距:e=－0.023 m。

基础底面合力作用点距离基础趾点的距离:Zn=1.958 m。基底压应力:趾部=69.944，踵部=75.081 kPa。最大应力与最小应力之比=75.081/69.944=1.073。作用于基底的合力偏心距验算满足:e= －0.023 ＜0.167 ×3.870=0.645 m。地基承载力验算满足:最大压应力 =75.081 ＜80.000 kPa。

6)墙趾板强度计算。

标准值:作用于基础底的总竖向力=280.625 kN，作用于墙趾下点的总弯矩=549.420 kN·m。基础底面宽度:B=3.870 m，偏心距:e= －0.023 m。

基础底面合力作用点距离趾点的距离:Zn=1.958 m。基础底压应力:趾点 =69.944;踵点 =75.081 kPa。

设计值:作用于基础底的总竖向力=280.625 kN;作用于墙趾下点的总弯矩=549.420 kN·m。基础底面宽度:B=3.870 m;偏心距 e= －0.023 m。

基础底面合力作用点距离趾点的距离:Zn=1.958 m。基础底压应力:趾点=69.944;踵点=75.081 kPa。趾板根部:截面高度:H'=0.500 m。截面剪力:Q=46.247 kN。截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋。截面弯矩:M=19.587 kN·m。抗弯拉筋构造配筋:配筋率Us=0.03% ＜Usmin=0.21%。抗弯受拉筋:As=1 072 mm2。截面弯矩:M标准值=19.587 kN·m。最大裂缝宽度:0.023 mm。

7)墙踵板强度计算。

标准值:作用于基础底的总竖向力=280.625 kN;作用于墙趾下点的总弯矩=549.420 kN·m。基础底面宽度:B=3.870 m;偏心距:e= －0.023 m。

基础底面合力作用点距离趾点的距离:Zn=1.958 m。基础底压应力:趾点 =69.944;踵点 =75.081 kPa。

设计值:作用于基础底的总竖向力=280.625 kN;作用于墙趾下点的总弯矩=549.420 kN·m。基础底面宽度:B=3.870 m;偏心距:e= －0.023 m。

基础底面合力作用点距离趾点的距离:Zn=1.958 m。基础底压应力:趾点 =69.944;踵点 =75.081 kPa。

a.踵板根部:截面高度:H'=0.500 m。截面剪力:Q=26.754 kN。截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋。截面弯矩:M=23.220 kN·m。抗弯拉筋构造配筋:配筋率Us=0.03% ＜Usmin=0.21%。抗弯受拉筋:As=1 072 mm2。截面弯矩:M标准值=23.220 kN·m。最大裂缝宽度:0.027 mm。

b.加腋根部:截面高度:H'=0.500 m。截面剪力:Q=30.229 kN。截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋。截面弯矩:M=30.400 kN·m。抗弯拉筋构造配筋:配筋率Us=0.05% ＜Usmin=0.21%。抗弯受拉筋:As=1 072 mm2。截面弯矩:M标准值=30.400 kN·m。最大裂缝宽度:0.036 mm。

8)立墙截面强度验算(距离墙顶4.000 m处)。

截面宽度:B'=0.370 m。截面剪力:Q=39.023 kN。截面弯矩:M=52.030 kN·m。截面弯矩:M标准值=52.030 kN·m。截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋。抗弯拉筋构造配筋:配筋率Us=0.15% ＜Usmin=0.21%。抗弯受拉筋:As=794 mm2。最大裂缝宽度:0.318 mm。

4 结语

钢筋混凝土悬臂式挡土墙是路基防护工程的重要组成部分。占地少，美观，工期快，在市政道路中，悬臂式挡土墙的应用将更为广泛。

［1］ 陈忠达.公路挡土墙设计［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［2］ 邓学钧.路基路面工程［M］.北京:人民交通出版社，2009.

［3］ 王景环，傅绍娟.二级新型悬臂式挡土墙有限元分析［J］.山西建筑，2010，36(13):79-80.