衡重式挡土墙断面优化对地基应力的影响分析

唐高来

文章以某高桩梁板式码头接岸挡土墙为例，通过对衡重式挡土墙断面参数的优化，分析衡重式挡土墙在满足安全稳定性的同时使断面达到经济最优对地基应力的影响。同时，通过改变挡土墙墙背坡比、墙面坡比、基底逆坡等相关参数，结合调整衡重式挡土墙上墙宽、上墙高、衡重台宽等参数，实现挡土墙断面优化，减少挡土墙墙身断面面积，提高挡土墙安全性，平均分布墙底压应力，避免地基局部破坏。

挡土墙;断面优化;安全稳定性;经济性;地基应力

0 引言

在西部大开发及共建“一带一路”倡议的大背景下，西江黄金水道的建设正如火如荼，港口航道、码头泊位向着大型化的方向发展，在国家政策的推动下，建设了一批又一批的港口码头。挡土墙在港口工程中的应用极为广泛，无论是重力式码头和高桩梁板式码头的接岸设施，还是后方陆域边坡支护工程，都离不开挡土墙建设。而挡土墙根据不同的断面形式，可以分为重力式挡土墙、衡重式挡土墙、扶壁式挡土墙、板桩式挡土墙等。不同结构的挡土墙，可以使用在相同的挡土高度，也可以使用在不同的挡土高度，断面形状不同，断面面积也有不相同，对基础的作用力也不相同。在保证结构安全的前提下，断面面积越小，经济性越优良。然而在实际设计中，很多设计者为了节约设计时间，习惯套用以往的挡土墙通用设计图或设计手册，忽略了地基应力的分布及断面的优化。本文以衡重式挡土墙断面优化对地基应力的影响作分析，以此说明挡土墙断面尺寸的设计和研究的必要性。

1 衡重式挡土墙介绍

衡重式挡土墙是挡土支护结构中应用较多的一种挡土墙结构，其设置衡重台使墙身中心后移，并利用衡重台上的填土，增加墙身稳定。但是衡重式挡土墙结构相对复杂，施工难度相对重力式挡土墙要大很多，技术含量也高，施工质量要求更高。挡土高度为4～12 m时多采用衡重式挡土墙。

2 衡重式挡土墙对地基应力的影响分析

2.1 主要控制参数

衡重式挡土墙主要参数有墙高H、上墙高h1、墙顶宽b、衡重台宽bt、墙趾宽bj、墙面坡比m1、上墙墙背坡比m2、下墙墙背坡比m3、基底逆坡n等（见图1）。

本文衡重式挡土墙设计参数采用理正岩土软件计算。

安全稳定性控制条件：抗滑移稳定系数为1.3，抗倾覆稳定系数为1.5。

2.2 工程概况

某港口工程高桩梁板式码头的接岸挡墙设计拟采用混凝土衡重式挡土墙。设计资料如下：挡墙高度H=10 m，墙后均布荷载qk=10 kPa，结构重要性系数为1.0，设计使用年限为50 y，墙体材料为C20混凝土，重度为23 kN/m3;墙后回填砂性土，重度为18 kN/m3，内摩擦角φ=30°;地基土重度为19.0 kN/m3，挡墙基底与地基土摩擦系数f=0.4。此外，墙身分段为15 m，外摩擦角δ=φ/2。本文研究只考虑墙后填土荷载及墙后均布荷载，暂不考虑墙后其他荷载。

2.3 设计图集04J008衡重式挡土墙参数及计算结果

根据设计资料及设计图集04J008，拟选定10 m高衡重式挡土墙，截面参数及计算结果见表1、表2、图2、图3。

主要参数墙顶宽b（m）衡重台宽bt（m）墙趾宽bj（m）墙高H（m）上墙高h1（m）下墙高h2（m）上墙背坡比m2下墙背坡比m3墙面坡比比m1基底逆坡n

选定图集0.51.640.5104.06.00.4-0.250.050.1

主要参数墙身截面积（m2）滑动稳定性KC倾覆稳定性K0墙趾处基底压应力（kPa）墙踵处基底压应力（kPa）地基平均应力（kPa）最大应力与最小应力之比

初始设计25.681.302.01411852484.8

2.4 优化设计分析

查询图集中衡重式挡土墙设计参数可知，图集选定的衡重式挡土墙断面尺寸能够满足抗滑与抗倾覆稳定性要求，但墙趾处基底压应力为411 kPa，墙踵处基底压应力为85 kPa，基底应力分布不均，墙趾处应力远远大于墙踵处应力，地基受力不均匀，因此，基底应力分布还有很大的优化空间。

设计优化目的是在保证挡土墙满足抗滑动与抗倾覆稳定性要求的同时，尽可能减少挡墙设计断面，降低工程造价，减少墙趾处与墙踵处压应力的差值，使其最大最小应力差值≤1.5，尽可能使基底应力分布均匀，避免地基局部破坏发生失稳事故。

2.5 优化方法

通过改变挡土墙上墙背坡比m2、下墙背坡比m3、墙面坡比m1、基底逆坡n等相关参数，然后改变上墙顶宽、上墙高、衡重台宽，实现挡土墙断面优化，尽可能使挡土墙中心后移，增大墙踵处基底压应力，使墙底压应力平均分配，提高挡土墙墙身安全性，同时减少挡土墙墙身断面面积。

优化设计后的挡土墙截面参数见表3。

根据优化后挡土墙截面参数及设计资料计算结果见表4。

2.6 计算结果比较

在设计资料相同且墙高不变的情况下，改变衡重式挡土墙截面各个参数，可以得到不同的计算结果。挡土墙截面参数对比如表5所示。

计算结果对比见表6。

从表6可以看出，选用图集时滑动稳定性Kc为1.30，已经接近控制值1.3，倾覆稳定性为2.01，滑动稳定与倾覆稳定均满足要求;墙趾处基底压应力为411 kPa，墙踵处基底压应力为85 kPa，地基平均应力为248 kPa。挡土墙满足安全稳定性要求，但墙趾处基底压应力与墙踵处基底压应力相差甚远，应力比达到了4.8，应力分布很不均匀，大多数应力集中在墙趾处。

优化设计滑动稳定性Kc为1.818，土层水平滑移稳定性为1.542，倾覆稳定性为2.039，滑动稳定与倾覆稳定有了较大的提升;墙趾处基底压应力为312 kPa，墙踵处基底压应力为212.97 kPa，地基平均应力为262.48 kPa，最大应力与最小应力之比为1.47。墙趾处基底压应力与墙踵处基底压应力相差不大，应力分布基本均匀，对地基承载力要求相对较低。优化设计后挡土墙墙身面积相比选用图集时少了3.55 m2，每延米衡重式挡土墙可减少数百元工程投资，优化意义重大。

2.7 在实际应用中的意義

衡重式挡土墙在水运工程、公路工程、水利工程中均有广泛的应用，在设计中通过加大墙面坡比与下墙背坡比，可使挡土墙重心向后，对均匀分布基底压应力，减少挡土墙工程断面面积效果显著。截面积越小，工程材料就可以相应减少，可节约投资，为业主节省费用。同时，基底压应力分布均匀可避免地基局部失稳，提高挡土墙的稳定性。

3 问题与建议

目前在很多工程建设中，设计人员或施工人员经常套用设计图集，而不根据实际情况加以分析优化，导致结构断面富余太大，对挡土墙基底压应力分布情况不够重视，虽然抗滑移与抗倾覆稳定性满足要求，但墙趾与墙踵处应力比太大，甚至有些衡重式挡土墙设计成墙踵处没有压应力，这就失去了设计衡重式挡土墙的意义，未能发挥衡重式挡土墙的优势。个人建议尽量少用设计图集，应根据不同项目不同地质区别对待，尽可能优化断面设计，使基底应力分布均匀，以减少地基局部破坏，确保设计安全可靠、节省投资。

4 结语

（1）衡重式挡土墙设计受到诸多因素的影响，其中挡土墙高度、墙后回填土的内摩擦角、填土容重、墙底摩擦系数等对挡土墙的截面尺寸设计起着决定性的作用，属于外部因素。在外部设计条件相同的情况下，通过改变衡重式挡土墙的断面设计参数，可以得到不同的设计计算结果。

（2）在挡土墙建设中，很多设计者未充分研究墙趾与墙踵处压应力分布情况，套用设计图集虽然能满足稳定要求，但基底压应力可能出现分布不均。在挡土墙设计中应充分验算基底应力，尽可能保证基底应力平均分布，避免地基局部破坏。

（3）通过改变挡土墙墙背坡、墙面坡、墙底斜坡率等相关参数，结合调整衡重式挡土墙上墙宽、上墙高、衡重台宽等参数，可实现挡土墙断面优化，减少挡土墙墙身断面面积，提高挡土墙墙身安全性，平均分布墙底压应力。

[1]黄晓明，郑健龙，冯德成，等.路基路面工程（第四版）[M].北京：人民交通出版社，2014.

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[3]04J008，国家建筑标准设计图集[S].