重力式挡土墙结构断面的优化设计

刘家文

重力式挡土墙结构断面的优化设计

刘家文

(昆明有色冶金设计研究院股份公司，云南昆明650051)

通过重力式挡土墙的大量设计实践，阐述了重力式挡土墙的类型、各自的适用条件及存在的不足，在确保重力式挡土墙稳定、结构断面合理的情况下，对传统重力式挡土墙结构断面提出了优化设计。

重力式挡土墙;结构断面;优化设计

0 引言

能够保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构称为支挡结构。支挡路堤填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的构筑物称为挡土墙。挡土墙在各种土建工程中应用比较广泛，如铁路、公路工程中可用于支撑路堤或路堑边坡、隧道洞口、支撑桥台台后填土，以减少土石方工程量和占地面积，防止水土冲刷路基，并经常用于整治塌方、滑坡等路基病害;水利、港湾工程中支挡河岸及水闸的岸墙;民用与工业建筑中支挡四周场地、衔接场地竖向平台及形成地下连续墙等。挡土墙的结构形式很多，有重力式、悬臂式、扶壁式、锚定板式、土钉式、卸荷板式、加筋土式和复合式，以及近年来随着社会经济发展和人民生活水平的不断提高、对环境保护意识的日益加强而发展起来的生态性挡土墙、景观性挡土墙和文化艺术性挡土墙，其中重力式挡土墙是最古老的一种结构形式，因其料源丰富、形式简单、取材方便、施工简便，所以重力式挡土墙仍是我国目前应用最广泛的结构型式。

1 重力式挡土墙的类型

重力式挡土墙是指依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙，一般采用块石、片石、混凝土预制块进行砌筑，或采用毛石混凝土、片石混凝土、素混凝土进行整体浇筑，其断面基本上都做成简单的梯形。重力式挡土墙一般不配钢筋或只在局部范围内配以少量的钢筋，具有就地取材、施工方便、经济效果好等优点，由于重力式挡土墙靠自重维持平衡稳定，因此，体积、重量都大，在软弱地基修建时往往受到地基承载力的限制。

重力式挡土墙根据其墙背的坡度分为仰斜、折背、俯斜、直立四种类型。如图1所示。重力式挡土墙基本术语见图2。

图1 重力式挡土墙类型Fig.1 Type of Gravity Retaining Wall

图2 重力式挡土墙术语Fig.2 Term of Gravity Retaining Wall

各类型挡土墙具有各自特点及使用条件，以仰斜、俯斜、直立式3种不同的墙背所受的土压力分析，在墙高和墙后填料等条件相同时，仰斜墙背的主动土压力最小，而俯斜墙背的主动土压力最大，垂直墙背位于两者之间。如果挡土墙修建时需要开挖，因仰斜墙背可与开挖的临时边坡相结合，而俯斜墙背后需要回填土，因此，对于支挡挖方工程的边坡，宜采用仰斜墙背为好。反之，如果是填方工程，则宜用俯斜墙背或垂直墙，以便填土易夯实。当墙前原有地形比较平坦，用仰斜墙比较合理;若原有地形较陡，用仰斜墙会使墙身增高很多，此时宜采用垂直墙或俯斜墙。

根据重力式挡土墙的不同设置位置，又可分为路肩墙、路堤墙及路堑墙等3种类型:①路肩墙设置在路肩部位或场地平台衔接处，墙顶是路肩或场地的组成部分，可以防止路基沿基底滑动，还可以保护临近路线的既有的重要建筑物，沿河路基在傍水的一侧设置路肩挡土墙，可以防止水流对路基的冲刷和侵蚀，以减少压缩河床;②路堤墙设置在高填土路堤或陡坡路堤的下方，可以防止路堤边坡或路基沿基底滑动，也可以收缩路堤坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积;③路堑墙设置在路堑边坡底部，主要用于支撑开挖后不能自行稳定的山坡，也可以减少挖方数量，降低挖方边坡的高度。

衡重式挡土墙是在重力式挡土墙的基础上发展形成的，因此，衡重式是重力式挡土墙的另一种型式。衡重式挡土墙最大的优点是可利用衡重平台上的填土重，迫使墙身整体重心后移，使基底应力趋于均衡，增加了墙身的稳定性，提高了挡土的高度。

2 传统重力式挡土墙结构断面存在的不足之处

重力式挡土墙设计一般应进行以下验算:

(1)抗滑移稳定性验算;

(2)抗倾覆稳定性验算;

(3)墙身的强度验算;

(4)地基的应力验算;

(5)地基的整体稳定性验算。

目前重力式挡土墙设计方法一般是先根据墙后填土的性质、工程地质情况和砌筑材料等条件，凭经验初步拟定挡土墙截面尺寸，首先应作抗滑移稳定验算，如不能满足要求，则改变截面尺寸或采取其它措施，待满足抗滑移要求后，再作其它各种验算，直至验算满足。要想获得最佳设计尺寸，必须进行大量的试算工作，比较繁琐。

重力式挡土墙设计的另一种方法是选用国家建筑标准设计图集，其设计步骤为:

(1)搜集包括地形图、工程地质、地震烈度和地方建筑材料等基础资料，确定挡土墙的安全等级。

(2)参照各类型挡土墙的特点，结合地形、工程地质条件及修建要求，选择最合适的挡土墙类型。

(3)根据填料性质、墙趾处的工程地质状况，确定填料内摩擦角、基底摩擦系数和地基承载力等重要参数。

(4)根据墙顶标高、地面标高、基础埋深，初步确定挡土墙的高度。

(5)核查地基承载力能否满足要求。核查时，按挡土墙的基底宽度和基础埋深，将地基承载力特征值fak修正为地基承载力特征值fa。

(6)图集中挡土墙的墙高是按1 m整数计，如墙高为非整数且＜0.50 m时，其截面尺寸采用插入法计算;非整数且≥0.50 m时应往上取用墙高为整数的断面，只修改墙高和墙顶宽度。

例如某工业场地，根据工艺设计要求，需要布置为台阶状，上台阶标高为720 m，布置有道路，道路起点标高为718.90 m，道路终点标高为719.80 m，道路总长300 m，纵坡为3.0‰，道路为双车道，路面宽为7.0 m，路肩宽2.00 m，路基宽10.0 m，车辆荷载按qk=30 kPa考虑。下台阶标高为712.00 m，布置有厂房。上、下平台之间采用挡土墙衔接，挡土墙出土高度6.9～7.8 m。地基承载力特征值fak=200 kPa，要求按7度(0.15 g)抗震设防，地基土为砂性土，基底摩擦系数μ=0.40，填料为粘性土，填料内摩擦角ψ=30°。

根据以上基础资料，采用直立路肩式挡土墙修建。试算法设计的断面尺寸见表1，查图集选定的断面尺寸见表2。

表1 试算法直立路肩式挡土墙尺寸表Tab.1 Size of Upright Shoulder Retaining W all by Using Trial Method

表2 图集选定的直立式路肩挡土墙尺寸表Tab.2 Size of Upright Shoulder Retaining W all Selected by the Allas

从表1、表2可看出，设置的直立式路肩挡土墙均能满足要求，墙顶宽度b与基底宽度B随墙高增加而逐渐变大，结构断面变化不大，但采用该设计断面支护场地及道路路基支挡时存在以下缺点:

(1)墙顶宽度b较宽，将侵占路基用地及厂区用地;

(2)当用地较为紧张时，将影响场地和道路排水边沟的布置;

(3)为确保墙面面坡在同一平面上时，砌筑的挡土墙墙顶将宽窄不一;而为了确保挡土墙墙顶在同一线上时，墙面面坡将侵占下台阶用地，影响下场地总平面布置。

3 重力式挡土墙结构断面优化设计

针对重力式路肩挡土墙存在的局限性，在确保挡土墙结构断面合理、稳定的情况下，对路肩挡土墙结构断面进行优化设计，具体为将路肩式挡土墙顶宽按统一宽度控制，向下0.8～1.0 m的高度做成平台，平台宽度同该处设计挡土墙断面，见图3。

图3 路肩挡土墙结构优化设计Fig.3 Optimal Design of Shoulder Retaining W all

按照上述场地条件及基础资料，对优化调整后的断面结构进行了计算，计算时挡土墙墙顶宽度均按800 mm设置，经计算均满足要求，断面优化设计结果见表3。

从表3与表1、2的比较可以看出，路肩挡土墙优化设计后具有以下优点:

(1)墙顶宽度一致，施工的墙面均在同一平面上，墙面及墙顶规整统一;

(2)有利于节约用地;

(3)方便管网、排水沟及绿化布置;

(4)减少了圬工量，降低了工程投资。

表3 直立式路肩挡土墙尺寸优化表Tab.3 Size Optimization List of Upright Shoulder Retaining Wall

4 衡重式挡土墙结构断面优化设计

衡重式挡土墙由于设置了衡重平台，使墙身整体重心下移后，增加了墙身的稳定性，因此，衡重式挡土墙的高度一般很高。根据衡重式挡土墙的断面型式，衡重式挡土墙多用于半挖半填地段，下墙身段位于挖方场地，可与开挖临时边坡紧密结合，上墙身位于填方地段，有利于回填压实，以确保场地稳定。但衡重式挡土墙用于全填方场地时，由于下墙身墙背为仰斜墙背，将不利于场地压实，若场地回填时压实达不到设计要求将影响挡土墙稳定，甚至垮塌。

结合衡重式挡土墙结构型式，当衡重式挡土墙用于全填方场地时，将衡重式挡土墙承重台以下的墙背背坡由仰斜式改为直立式，见图4。

图4 衡重式挡土墙结构优化设计Fig.4 Optimal Design of Balance Weight Retaining Wall

在同一设计条件下，对优化调整的断面结构进行了计算。经计算，挡土墙的稳定性均满足要求。衡重式挡土墙结构优化调整具有以下优点:

(1)有利于场地回填压实、确保挡土墙及场地稳定;

(2)同一结构断面形式的衡重式挡土墙结构改进后还可以减少墙趾处压应力、墙踵处压应力及地基平均压应力，可以弥补地层承载力的不足。

5 结语

重力式路肩挡土墙优化设计型式不但可以用于直立式，还可以用于仰斜式、俯斜式，但仅能作为路肩式挡土墙使用，不应用于路堤式、路堑式挡土墙。

改进后的重力式路肩挡土墙、衡重式挡土墙已在大红山铜、铁两矿等项目中使用，从施工完成至今已有多年，效果良好。

该两项项目已在中国知识产权局申请实用新型专利并得到授权，受《中华人民共和国专利法》保护。

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Optimal Design of Gravity Retaining Wall Structure Section

LIU Jia－wen
(Kunming Engineering＆Research Institute of Nonferrous Metallurgy Co.Ltd，Kunming 650051，China)

On the basis of massive design practices of gravity retaining wall，the types，each suitable condition of retaining wall and existing insufficient were set forth.Under making certain the stability and rational structure section，optimal design to structure section of traditional gravity retaining wall was put forward.

gravity retaining wall;structural section;optimal design

TU432

A

1004－2660(2012)03－0037－05

2012－02－10.

刘家文(1976－)，男，云南人，工程师.主要研究方向:工业企业总图设计.