重力式挡土墙设计的要点分析

重力式挡土墙设计的要点分析

摘要：当前重力式挡土墙是公路设计中最常用的一种挡墙形式，它的设计必须同时考虑平、纵、横三个方面的布置。本文结合实际的设计经验，浅析重力式挡土墙设计的几个要点。

关键词：重力式挡土墙；设计；要点

挡土墙是公路工程中广泛采用的一种构造物。随着我国高等级公路建设的飞速发展，特别是高等级公路建设向中西部地区的推进，路基挡土墙愈来愈显得重要，应用愈来愈多，而且其结构形式日新月异，设计理论也在不断发展。重力式挡土墙是以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，是我国目前最常用的一种挡土墙形式。

挡土墙的选型及布置

1、挡土墙截面形式的选择

重力式挡土墙分为垂直式、俯斜式、仰斜式、衡重式。在拟定挡土墙墙身断面尺寸根据挡土墙的用途，墙高和墙趾处的地形地质、水文等条件，在满足稳定性和强度要求的前提下，按结构合理， 断面经济和施工方便的原则比较确定， 在有石料地区，重力式挡土墙应尽可能采用浆砌片石。缺乏石料地区可用混凝土预测块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑。

2、挡土墙的布置

①平面位置主要考虑：路堑墙，大多设在边沟旁。山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处，墙在的高度应保证在设置墙后墙顶以上边坡的稳定。

②纵向布置

在墙趾纵断面图上进行，并绘成挡土墙的正面图，布置的内容为：a．确定挡土墙的起讫点或墙长，选择挡土墙与路基或其他构造物连接方式。b．按地基及地形情况进行分段，确定沉降缝及伸缩缝的位置。e．布置各段挡土墙的基础。d．确定泄水孔的位置，包括数量、间距和尺寸等。

③横向布置

宜选择在墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处以及其他必需桩号处的横断面图上进行，确定墙身断面，基础形式和埋置深度，布置排水设施等，并绘制挡土墙横断面图。

二、粘性土的土压力计算

朗肯、库仑土压力理论

目前，土压力的计算还沿用古典的朗肯( Randine ) 理论和库仑(Coulomb) 理论。

朗肯土压力理论是根据半空间的应力状态和土的极限平衡条件推导出的土压力计算方法，对粘性土和无粘性土都适用。但该理论为了使墙后的应力状态符合半空间的应力状态，必须假设墙背是直立的、光滑的，墙后土坡是水平的，因而使应用范围受到，又由于该理论忽略了墙背与土之间的摩擦影响，使计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小。

库仑土压力理论是根据墙背滑动土楔的静力平衡条件而推导出的土压力计算方法，考虑了墙背倾斜的情况，但由于该理论假设土是无粘性土，因此该理论的公式不能直接用于计算粘性土的土压力。库仑土压力理论的计算偏差主要是由于其假设滑裂曲面为一平面而引起的。计算主动土压力时偏差为2％-10％，可以满足实际工程所要求的精度。

2、等效内摩擦角的计算

工程中常遇到粘性土，大多墙背不垂直，土坡顶面也不是水平的；计算挡土墙的土压力时，既要考虑粘聚力的作用，又要考虑墙背摩擦力的客观存在，而实际情况往往不能完全符合朗肯理论和库仑理论的适用条件，可采用将两种理论相互融合的方法来处理。目前的工程实践中主要采用以下两种方法：

①根据抗剪强度相等的原则，即：

②根据土压力相等的原则，利用有粘聚力的土压力计算式为：

按等效内摩擦角土压力计算式为：

三、被动土压力的考虑

1、存在的问题

一般重力式挡土墙设计计算所需的挡墙厚度约为墙体高度的( 1 / 2—1 /

3 )，如果挡墙的高度较高，墙体的厚度就较厚，但在许多工程中见到的重力式挡土墙的厚度远小于上述厚度，这些挡土墙经过多年的使用仍然完好无损。虽然一些挡土墙出现了事故，但大多数是由于施工质量问题而引起，如墙后填土不符合规范要求，排水不当等等。

造成挡土墙设计截面尺寸过大的原因之一是在设计中没有考虑被动土压力， 使设计过于保守，从而造成资源和经济的浪费。

目前重力式挡墙设计中应用最广的软件是《理正挡墙设计软件》。利用该软件进行重力式挡墙设计计算时，不管挡墙的埋深大小，被动土压力通常被忽略不考虑，而主动土压力的挡墙计算高度取墙顶至墙踵的垂直距离，即取挡土高度加挡土墙的埋深。这样就经常会出现挡墙的抗滑、抗倾覆以及地基承载力验算均满足设计要求，而挡墙整体稳定性验算不能满足要求的现象，这显然是极其不合理的。

2、被动土压力的计算

由于库仑理论计算被动土压力与实际相差较大，内摩擦角越大偏差越大， 有时相差数倍至数十倍，所以一般不用该理论计算被动土压力。常用朗肯理论计算，该理论计算的被动土压力值偏小。由于达到被动极限平衡状态所需的界限位移量较大，而这样大的位移在工程上是不容许发生的，因此设计时往往只按被动土压力值的( 1/ 3-1/2 ) 来考虑。 由于本身由朗肯理论计算的被动土压力就偏小，所以建议按 1/2来考虑。

对于挡墙埋深的问题，《公路路基设计规范》中规定：挡土墙基础置于土质地基时，基础埋深不得小于 lm，当冻结深度超过lm时，基底最小埋深不得小于 1.25 m。所以在设计计算时挡墙的最小埋深应不小于lm。以下我们将通过一个算例来分析被动土压力的计算问题：

挡土高度 5-7 m，填土重度 =19 kN·m-3 ，填土内摩擦角= 35°，墙背与墙后填土摩擦角δ=17．5°，墙背倾角ρ=-11．3°，墙背填土倾角β= 33．7°，挡墙埋深取 1．0-2．0 m，计算挡墙的土压力。计算结果见下表：

从计算结果可以看出：

①随着埋深的增加，主动土压力和被动土压力都随着增加；

②当有效被动土压力按1 /2来考虑时，当埋深与挡土高度的比为 1 / 4时， 主动土压力与被动土压力的差值达到最大，在比值小于 1/4时，随着比值的增大， 差值逐渐增大，在比值大于 1/4时，随着比值的增大，差值逐渐减小；

③在d/h为一定值时，E b/ En的比值并不随着 d和 h的变化而变化，而

是一个定值，随着d/ h的增大，E b / En的比值也随着增加，并不受 d和h变化的 影响 ；

④被动土压力实际是存在的，而且数值并不小，所以在设计计算中是不能随便忽略不计的。

利用 Excel强大的图表和回归功能，将 d/ h和ED / En 的数值作散点图，并添加趋势线和回归方程。关系见下图。

由图可以看出，d/h和 En/ En 具有很好的线性相关性，相关系R = 0．997 ,回归方程为：

这样在重力式挡墙设计中知道 d和h值时就可以方便地计算出E b / E 。 值，从而就可以知道被动土压力在该设计中所占的比重，权衡是否可以在计算中将被动土压力忽略不计。知道主动土压力后，就可以方便快捷的通过该方程计算出被动土压力。

四、挡土墙的稳定验算及强度验算

滑动稳定验算

挡土墙沿基底的滑动稳定系数 Kc应不小于 1．3 。计算公式为：

式中： W——挡土墙自重，衡重式时，包括衡重台上的土重，kN；Ex、Ey——主动土压力的水平和垂直分力，KN；f——基底摩擦系数。

设计中，为增加挡土墙的抗滑稳定性，常将基底做成向内倾斜，以增大滑动稳定系数。基底斜坡坡度一般不超过1：5。

2、墙身截面强度验算

通常选取一到两个截面进行验算。验算截面可选在基础底面、1/2墙高处或上下墙交界处等。墙身截面强度验算包括法向应力和剪应力的验算。剪应力包括水平剪应力和斜剪应力两种，重力式挡土墙只验算水平剪应力，而衡重式挡土墙还需进行斜截面剪应力的验算。

五、结束语

总之，公路挡土墙是路基防护工程的重要组成部分。挡土墙设计时，应进行详细地调查、勘测，确定构造物的形式与尺寸， 运用合适的理论计算土压力， 并进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理、可行的措施，以保证挡土墙的安全性。

参考文献：

[1]陈忠达．公路挡土墙设计[M]．北京：人民交通出版社，1999.

[2]巢文华．对重力式挡土墙程设计中的一些问题的探讨[J]．江苏建筑，2002.