土力学教学中挡土墙课程设计设置的重要性研究

张远芳?张凌凯

摘要：挡土墙是阻止土体向下滑移并保持土体稳定性的结构物。挡土墙设计是土建本科专业土力学地基基础课程中的一个重要环节，挡土墙的设计和计算涉及内容广泛，影响因素众多，几乎含盖了土力学所学的内容。如果能熟练掌握挡土墙设计的一般步骤，可使学生从大学一、二年级的定式模式中解脱出来，逐步接受不定式教育模式，适应工程设计中的设计是逐步完善、逐步逼近的过程，以此来满足工程所需的安全、稳定、经济适用性的要求。挡土墙设计对水利水电工程专业学生学好土力学课程有很大的帮助和促进。

关键词：土力学；挡土墙；课程设计；重要性

作者简介：张远芳（1963-），女，江苏无锡人，新疆农业大学水利与土木工程学院，副教授。（新疆 乌鲁木齐 830052）

基金项目：本文系新疆水利水电工程重点学科基金（项目编号：xjzdsk-2002-10-05）的研究成果。

中图分类号：G642 文献标识码：A 文章编号：1007-0079（2014）09-0117-02

土力学是土木工程及水利水电工程等建筑工程类学科的专业基础课，其理论性很强，实践性更强。只经过狭窄的数理化教育和经典力学训练的大学本科一、二年级学生，面对这样一门生疏课程，常常会不知所措。因而，在土力学的教学中，需强调与灌输该学科的特殊性，培养学生学习土力学概念的正确思维方法。调动他们的生活经验，重视实际，联系实际，以适应土力学课程的学习。[1，2]挡土墙是阻止土体向下滑移并保持土体稳定性的结构物。挡土墙设计是土建本科专业土力学地基基础课程中的一个重要环节，在进行挡土墻设计时，分为选型、计算作用在挡土墙上的土压力和挡土墙的计算三部分。挡土墙的设计和计算内容涉及广泛，影响因素众多，几乎含盖了土力学所学的内容。如果能熟练掌握挡土墙设计的步骤，则对学生学好土力学课程有很大的帮助和促进。然而在水利水电工程本科专业的土力学课程却缺乏该内容的设置，只涉及了土压力基本理论，未涉及应用问题，学生总是感到土力学课程学习内容繁杂，碰到实际情况难以下手。因此有必要对挡土墙设计在水利水电工程本科专业土力学课程中是否应该设置进行充分的探讨。

一、挡土墙设计的一般步骤

1.挡土墙类型的选择

当地质情况及挡土墙的结构型式不同时挡土墙可分为重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、加筋式及板墙式等6种。[3]根据用途及受力方式的不同可选择不同类型的挡土墙。当场地较大，混凝土骨料较充足时可选择重力式挡土墙；当支护土体高度较小或基坑开挖深度较浅时，可采用悬臂式挡土墙；当土层较软且缺乏混凝土骨料时，可采用加筋式挡土墙；当支护土体较高或基坑开挖深度较深时，可采用锚杆式或板桩墙式挡土墙等（图1）。[4]

2.挡土墙尺寸的选择

挡土墙设计首先要选定初步尺寸，然后按稳定性和结构要求进行分析计算，并根据稳定条件修改尺寸，这是一个试算的过程，可得到多种设计方案，直到满足设计条件为止。[4-6]初设尺寸以重力式为例（图2）。

3.挡土墙破坏类型

挡土墙建成后，主要受到墙体自重作用，墙后填土推力及地基反力的作用（图3）。挡土墙失稳主要是墙后主动土压力作用的结果，其失稳的型式主要包括：挡土墙滑动失稳；挡土墙倾覆失稳；挡土墙地基失稳（图4）；挡土墙自身强度的破坏等。防止挡土墙失稳的主要因素是其自重和地基反力，因此，挡土墙稳定性受主动土压力、墙自重和地基承载力控制。

4.挡土墙验算

挡土墙验算通常应包括抗滑稳定、抗倾覆稳定、地基承载力、墙自身强度验算。[7-10]

（1）抗滑稳定验算。如图5所示，将作用在挡土墙上的土压力Ea分解成水平分力Eax和垂直压力Eay，使挡土墙产生滑动的力为Eax，抵抗滑动的力为Eay和W在基底产生的摩擦力。抗滑力和滑动力的比值称为抗滑稳定安全系数，记为ks，当ks≥1.3时满足稳定要求，即抗滑稳定验算应满足下式：

（1）

式中：ks抗滑稳定安全系数；Eax主动土压力的水平分力（kN/m）；Eay主动土压力的垂直分力（kN/m）；μ基底摩擦系数，查相应规范。

若验算结果不满足式（1）时，则应采取以下措施来解决：修改挡土墙的断面尺寸，加大自重W，以增大抗滑力；在挡土墙基底铺砂、石垫层，提高摩擦系数μ值，增大抗滑力；在挡土墙底做逆坡，利用滑动面上的部分反力抗滑；在软土地基上，其他方法均为无效或不经济时，可在墙踵后加拖板，利用拖板上的土重来增加抗滑力。

（2）抗倾覆稳定验算。在进行抗滑稳定验算的同时，还需进行抗倾覆稳定性验算。抗倾覆稳定性评价时，一般将挡土墙墙趾O作为倾覆失稳的力矩中心，则挡土墙抗倾覆安全系数kf的计算公式：

（2）

式中：kf为挡土墙抗倾覆安全系数；a，xf，h分别为W，Eay，Eax对墙趾O的力臂（m）。

当抗倾覆力矩大于倾覆力矩时，挡土墙才能保持稳定，且要求有一定的安全储备，其稳定的安全系数kf≥1.6。

当验算结果不满足式（2）时，可采取以下措施增加抗倾覆力：第一，改变挡土墙的段面尺寸，增加墙体自重；这种方法要增加较大的工程量，因此不经济。第二，伸长墙趾，增加力臂a，此时需增加钢筋的用量。第三，将墙背做成仰斜式，减小土压力，这种方法给施工造成了一定的难度。第四，在挡土墙的垂直墙背上做形状如牛腿的卸荷台，则平台以上的土压力不能传到平台以下去，因而减少了作用在挡土墙上的总土压力，减少了倾覆力，增加稳定性。

以上挡土墙的抗倾覆稳定验算是当地基承载力较高时，如岩石地基上的挡土墙，其发生的倾覆破坏力矩中心往往处在墙趾的位置。而当地基土压缩性高，承载力较低时，如粘性土地基上的挡土墙，其倾覆失稳的力矩中心位于墙底内（图6）。因而地基承载力不同，挡土墙发生倾覆失稳的受力型式也不同。[11]

（3）地基承载力验算。挡土墙地基承载力的验算与一般偏心受压基础验算方法相同，应同时满足（3）、（4）式，即：

（3）

（4）

式中：——最大基底压力kPa；——最小基底压力 kPa；f——地基承载力设计值kPa。当上式不能满足要求时，需修改挡土墙尺寸，或进行地基处理，提高地基承载能力。

（4）地基变形验算。当地基土压缩性大时，还需进行挡土墙地基变形验算。[12]

计算地基变形时，地基内的应力分布，可采用各向同性均质线性变形体理论。最终变形量可按下式进行计算：

（5）

式中：s——地基最终变形量（mm）；s——按分层总和法计算出的地基变形量（mm）；Ψs——沉降计算经验系数，根据地区沉降观测资料及经验确定，无地区经验时可根据变形计算深度范围内压缩模量的当量值（）、基底附加压力按规范表格取值；n——地基变形计算深度范围内所划分的土层数；p0——相应于作用的准永久组合时基础底面处的附加压力（kPa）；Esi——基础底面下第i层土的压缩模量（MPa），应取土的自重压力至土的自重压力与附加压力之和的压力段计算；zi，zi-1——基础底面至第i层土、第i-1层土底面的距离（m）；，——基础底面计算点至第i层土、第i-1层土底面范围内平均附加应力系数，可按规范附录采用。[12]

二、挡土墙设计的重要地位

从挡土墙设计的一般步骤看，挡土墙设计内容涉及广泛，包括了土的抗剪强度理论、地基变形计算、土压力理论、地基承载力确定、稳定性验算等知识的应用，通过挡土墙设计可使学生对于土力学所涉及的基本知识有系统的认识。

挡土墙设计可使学生对土力学理论中的不确定因素有充分的了解。可使学生从大学一、二年级的定式模式中解脱出来，逐步接受不定式教育模式，适应工程设计中逐步完善、逐步逼近真值的设计过程，以此来满足工程所需的安全、稳定、经济适用性的要求。

挡土墙设计可使学生在学习土力学的过程中将理论与实践充分联系起来，与工程实际相结合，体现土力学理论性强，实践性也很强的特点。

挡土墙设计可使学生提高学习土力学的兴趣，让学生学以致用，不仅是为了学土力学而学土力学，而是让他们了解和体会土力学在工程中可以解决的问题，以及出现问题该如何解决，真正达到学习土力学的目的。因此挡土墙设计在土力学课程中的设置非常重要。

挡土墙是水利、电力、港口、航道以及房屋建筑等工程中经常出现的支挡结构物，水工专业存在闸坝、溢洪道、厂房等挡土墙的设计问题。因此挡土墙的设计在水利水电工程专业土力学教学中的设置很有必要。

参考文献：

[1]李广信，杜修力.土力学教学与实践[M].北京：人民交通出版社，

2006：27-32.

[2]李广信，杜修力.土力学教学与实践[M].北京：人民交通出版社，

2006：118-123.

[3]J.E.波勒斯.基础工程分析与设计[M].北京：中国建筑出版社，

1987：315-346.

[4]赵明华.土力学及基础工程[M].第三版.武汉：武汉理工大学出版社，2009：134-138.

[5]华南工学院.地基与基础[M].北京：中国建筑工业出版社，1987.

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[7]刘东，张远芳，于林平，等.土力学及地基基础[M].北京：中国水利水电出版社，2011：205-210.

[8]顾晓鲁，钱鸿缙，刘惠珊，等.地基基础[M].北京：中国建筑工业出版社，2003：277-287.

[9]陈希哲.土力学及基础工程[M].北京：清华大学出版社，

2004：167-195.

[10]顾慰慈.挡土墙土压力计算[M].北京：中国建材工业出版社，

2001.

[11]胡玉銀.挡土墙抗倾覆稳定性分析[J].上海：同济大学学报，

1995，（3）：321-324.

[12]中华人民共和国国家标准.GB50007-2011建筑地基基础设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2012.

（责任编辑：王意琴）