衡重式与扶壁式挡土墙稳定性对比分析

陈彦刚 CHEN Yan-gang

（昆明喆凯工程技术有限公司，昆明 650500）

0 引言

衡重式挡土墙作为我国特有的一种岩土支护结构，在西部山区道路建设中起着重要作用，但是西部山区多处于高烈度地震带，地势情况复杂，而衡重式挡土墙因其自重较大，地基要求较高等原因，在地势环境变化较大的地区易出现病害，而后病害又会导致道路受损、桥梁破坏、边坡失稳等，严重影响了公路和桥梁的安全运营，危害人民群众的生命和财产安全。目前，因规范尚不完善，设计、施工互为独立等多方面的原因，使得挡土墙的设计依赖于设计师的经验以及现有图集，这会造成设计方案始终无法完美契合现场情况，易使挡土墙在安全性和耐久性上出现问题，为了修复设计、施工中的缺陷，解决出现的安全性问题，又会耗费大量的人力物力财力，造成更大的损失[1]。因地制宜的选择合适的挡墙形式或设计优化方法能够在保证道路、桥梁安全运营的同时节省造价，降低经济损耗，这对于日后的基础设施建设有着重要的意义[2]。

本文通过对某公路一处挡土墙的改造设计，分析了该挡土墙的损害原因，并结合项目情况，制定了全新的挡墙方案，通过对比两种方案计算结果，分析得出不同挡墙的适用情况及优缺点，并针对此类情况指出现阶段挡土墙的设计缺陷，讨论一些解决办法。为今后该类项目的设计提供部分设计参考。

1 项目概况

1.1 项目背景

本文依托某公路一处衡重式挡土墙，该挡土墙由于发生一定程度的倾覆，已属于不稳定状态，有较大的安全隐患，通过对挡墙周边路基进行采样分析后，拟定倾覆原因为原设计对地基承载力的估算不足，以及施工过程中对地基沉降不利因素的考虑不足，使得地基不均匀沉降过大，导致挡墙地基承载力不足，最终挡土墙失稳、倾覆。为了修复该挡土墙失稳导致的安全隐患，设计单位通过实地考察，综合考虑区域地形、地址、生态环境、施工条件、气候变化等多种影响因素，并结合道路的设计方案以及前期勘探结果，最终商讨决定对原设计的衡重式挡土墙进行拆除，重新选择扶壁式挡土墙作为支护结构[3]。

1.2 理论依据

为了验证方案的有效性，先应对挡土墙进行受力分析，然后根据挡土墙的受力情况选择合理的理论和模型假定对方案进行计算。

挡墙的差异主要表现在对墙后荷载的抵抗能力及抵抗形式上，因此，挡墙的计算最重要的便是荷载的模拟。目前，工程界认为挡土墙上的荷载变化是由土压力和墙后填土超载所造成的，现阶段常用的计算理论主要有库伦定理和朗肯理论，两种理论对力学模型的假定和工程实践中的挡土墙墙后土压力有一定的误差，库仑、朗肯计算土压力的经典理论都假定了滑裂面为同一平面，在一些工程实际情况下或者复杂的地质条件下，滑移面往往都是复杂的曲面，由此会导致计算误差偏大或者偏小，用库伦公式在计算主动土压力时，对墙背的倾覆角计算值会随倾覆角的增大而增大，而计算被动土压力时，会因为滑裂面的假定导致误差较大，也会随着摩擦角的增大而增大，误差有可能式几倍或者是几十倍。朗肯理论因假定墙背竖直，光滑，填土面水平，主动土压力的计算值会偏大，被动土压力与实际相差不大。但是由两大理论计算出的挡土墙在工程的实际表现来看，产生的误差在工程设计允许的误差内，所以两大理论一直是常规挡土墙的设计理论基础[4]。

考虑到本项目挡土墙地基承载力不足，地基沉降较大，墙背的不均匀倾斜也较为明显，因此本文将采用库伦定理计算挡墙的受力，并对比分析。

2 结果对比

原设计的衡重式挡土墙设计过程中，考虑的地基承载力设计值为360kPa，由于项目位于山区路段，气候多变，未考虑因大量雨水下渗（路面结构层施工前多日大雨，降雨量较大）造成地基持力层承载力降低，产生不均匀沉降，引起滑移、倾覆，因此对于加固挡土墙设计可以从增加地基承载力方向考虑，但因现挡墙发生较大角度的倾覆，且公路路面已基本施工完成，对现有衡重式挡土墙进行加固时，无法控制对现有路面的破坏，并且加固成本较高，加固后的耐久性也无法保证，综合考虑后，设计单位决定放弃该种加固方法，换为拆除现有挡土墙更换为扶壁式挡土墙。原设计衡重式挡土墙高H=11m，挡墙墙背内摩擦角30°，挡墙断面如图1所示。

图1 原方案挡墙断面图

墙身截面尺寸是挡土墙设计的重要指标，主要包括墙高、上墙高度、衡重台宽度、面坡倾角、墙背坡坡度等参数，具体尺寸如表1所示。

表1 原方案挡墙尺寸

在挡墙设计计算中，使用理正软件辅助进行计算，对挡土墙进行二维建模计算，确定挡土墙的墙身尺寸后，采用公路行业现行标准进行计算，加载位置在距离墙顶4.4m处，均布荷载qk=10kPa，下墙土压力计算方法采用多边形法，墙背和墙后填料摩擦角取值为15°。

表2为计算结果，挡墙抗滑移安全系数为1.372＞1.3，抗倾覆安全系数为2.724＞1.3，墙趾地基承载力验算346.557kPa＜360.000kPa，墙踵处地基承载力317.695kPa＜360.000kPa，满足边坡规范要求。

表2 计算结果表

扶壁式挡土墙是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，构造简单，施工方便，墙身断面减小，自身质量轻，由墙面板（立壁）、墙蹱板、墙趾板和扶肋（扶壁）组成，沿悬臂式挡土墙的墙长，每隔一定的距离增设扶肋，把墙面板和墙蹱板连接起来，扶壁式挡土墙的断面图及尺寸如图2所示。

图2 扶壁式挡土墙图

计算过程仍采用理正软件辅助进行计算。计算结果如表3所示。

表3 计算结果表

表3计算结果，挡墙抗滑移安全系数为2.951＞1.3，抗倾覆安全系数为8.363＞1.3，墙趾地基承载力验算196.205kPa＜300.000kPa，墙踵处地基承载力231.751kPa＜300.000kPa，满足边坡规范要求。

将两种挡土墙的计算结果进行比较，如图3所示。从图3中可看出，虽然扶壁式挡土墙的截面面积更小，但其抗滑稳定性和倾覆稳定性要优于衡重式挡土墙，且扶壁式挡土墙的墙趾压应力和墙踵压应力也更小，使得结构更不容易发生局部破坏，耐久性更好。

图3 结果比较图

综上所述，对于本工程而言，扶壁式挡墙的整体力学性能优于衡重式挡土墙，改用扶壁式挡土墙是较好的解决方案。

3 现阶段挡土墙存在的问题

目前的挡墙设计主要是设计师依据自身的经验来确定挡土墙种类，然后依据当地的水文状况、墙体后面的土质状况等因素，对断面进行估算，并对其进行初步的规划，然后进行滑移、倾覆、整体稳定性的校核，若达不到要求，则需要进行反复的设计，如此反复，直至达到规范要求的结果，这种方法对设计者来说，实在是太过依靠经验了，反复的过程损失了大量的精力。设计过程中过于依赖图集和原先的设计成果，反复采用一系列的方案，忽略了地基承载力等关键因素，截面尺寸统一选择同一尺寸，忽略了项目本身的特点，如墙背填土的力学性能，最后不仅在经济上造成损失，还有可能造成安全隐患，施工阶段，施工方以自身的施工经验出发，可能忽略了设计师的主观意图，在施工环境恶劣的情况下，不及时通知设计单位，进行盲目处理，最终造成施工质量问题。

4 结论

本文通过对某公路一处挡土墙修复前后结构形式的计算分析，得出结论如下：

①挡土墙的设计受多种因素的影响，其类型取决于挡土墙的高度，而墙后填土的物理参数、挡土墙断面尺寸是控制计算结果的主要参数，但结合本文计算结果，地基对挡土墙的影响同样不同忽视。

②在合理范围内，要尽量使地基的压应力均匀分布，减小墙趾、墙踵压应力比值，避免出现地基的局部破坏，设计过程中应充分考虑施工误差，留有足够的安全富余值。

③在实际工程中，应结合工程实际，设计合理的挡墙形式及断面大小，充分考量危险因子，最大限度地降低和消除施工中存在的安全隐患，保证挡土墙的安全性和可靠性。

④挡土墙作为一种结构形式，在国内还没有得到很好的发展，有关的技术规范、技术手册、应用软件和程序等方面的资料尚不完善，说明整个行业对它的重视程度还不高，还有待进一步的发展，相关的研究文献较少，关于挡土墙的整体分析和抗震理论的处理也很少，可能是因为它的应用范围和研究的深度不够深，所以在安全和经济方面，仍然存在着巨大的发展空间。