挡土墙的方案比选与截面快速设计——建筑论文

    挡土墙作为防止土体坍塌或截断土体延伸的构筑物，在园林景观工程中得到了较为广泛的应用。如景观河道的驳岸、堆高地形的景墙、坡地路堤的护墙、下沉庭院的侧墙等都要用到挡土墙。挡土墙按承重方式可以分为重力式挡土墙和轻型结构挡土墙。按墙身建筑材料不同可以分为砖砌挡土墙、浆砌块石挡土墙、混凝土砌块挡土墙、混凝土挡土墙和钢筋混凝土挡土墙等。不同的挡土墙有不同的结构型式和适用范围，下面以我公司在苏州某工程的挡土墙设计为例，重点阐述在设计过程中为了避免现场地形与图纸设计存在较大差异，需要结合实际工程的特性和经验进行恰当的参数取值和假设，选择合理的计算模型才能因地制宜地比选出更为合适的挡土墙类型，设计出更为理想的截面。

一、工程概况

    该工程位于苏州相城区，是某高档酒店配套景观工程。红线范围内地面景观面积约为8200平方米，沿酒店周边呈环状分布。因地块东侧、南侧市政道路相对较高，而地块以西、以北的场地以外相对较低，故在进行景观设计时需沿西侧和北侧边界处设计挡土墙来解决高差问题。结合已有资料并经实地考查与分析，因挡土墙前后堆土高差不一致，需分设几道总高不同的挡土墙，其中挡土墙一区域场地标高为1.35米，墙后地形标高为4.95米，墙前墙后的覆土高差为3.6米，墙二左右两侧覆土高差为2.5米。从场地已有的地质勘察报告可知：该区域表层土质为杂填土，厚度约为0.60～3.50米，土质不均，结构性差，强度变化大，据调查其堆积时间超过5年，需经地基处理才能为天然地基使用。下方为0.4~4.5米厚的褐黄色粉质粘土，可塑状态，工程性质较好，地基土承载能力特征值为150Kpa。根据《建筑地基基础设计规范》（GB50007-2011）[1] (以下简称规范) 5.1.2条规定，除岩石地基外，基础埋深不宜小于0.5m。又有相关专业资料[2]显示：挡土墙基础埋深应符合地基强度和稳定要求，且最小埋深≮0.8m，故假定埋深按0.8米最小埋深来考虑，即墙一高H1=0.8+3.6=4.4米，墙二高H2=0.8+2.5=3.3米。

二、挡土墙方案的比选

    重力式挡土墙是靠自重维持平衡稳定的，具有较大的承载能力，因此，体积、重量都大，在软弱地基上修建往往受到承载力的限制，当挡土墙较低时，采用砖砌挡土墙较为方便。如果墙高太高，耗材多，也不经济。当地基条件较好的岩石地基和坚硬的土类地基，挡土墙高度不大时，本地又有石料时，可以首选浆砌块石挡土墙。

    当地基承载力低，但墙后土压力较大时，应采用轻型结构挡土墙。悬臂式挡土墙作为轻型钢筋混凝土挡土墙的主要形式，一般由立板和底板组成，底板又可分为趾板和锺板。因立板下有较长的底板，故可认为立板是下端固结、上端自由的悬臂板。它具有截面面积小、占地面积小、承载能力高的优点，适用于对绿化面积要求较高和地基承载力较低的堆高地形景墙、填方路堤、岸坡防护之处，造价相对较高，高度一般在6m以下[2]。6m以上的挡土墙往往在悬臂式的基础上加腋，做成扶壁式挡土墙，才更为经济合理。

    在对挡土墙方案进行比选时，首先应考虑挡土墙工程与周边环境的结合，尽可能做到布置紧凑、少占绿化用地。因需设计挡土墙的区域宽窄不一，最小的距离仅有1米，若考虑采用重力式挡土墙，则其墙顶宽度至少为400mm，底板通常为(0.6~0.7)H，即当H=4.4米时，底板长度约2.64~3.08米。挡土墙的截面形式见图1，可见，重力式挡土墙体积过大，占地面积过大，不适用于狭长地带。规范规定，钢筋混凝土悬臂式挡土墙墙顶的最小厚度一般不宜小于200mm，基底合力的偏心矩不应大于0.25倍基础的宽度。墙背取竖直面，墙趾板和墙踵板端部厚度不小于200~300mm，其计算简图见图2，可见，悬臂式挡土墙立柱宽度较小，适用于狭长地带，此处设计悬臂式轻型挡土墙更为合适。

    其次，在选择方案时，我们考虑到在挡土墙外露部分墙面必须美化处理，若用浆砌块石挡土墙，其表面比较粗糙，不容易干挂或湿贴花岗岩贴面，与高档酒店的风格不匹配；而钢筋混凝土悬臂式挡土墙可以很好地解决这一问题，混凝土墙面上可以很容易地进行预埋预设，干挂或湿贴花岗岩贴面。

    综合上述两方面的原因，我们选用了悬臂式轻型挡土墙。

三、悬臂式钢筋混凝土挡土墙的截面设计

    在对悬臂式钢筋混凝土挡土墙进行截面设计时，往往需要根据规范的抗倾覆和抗滑移稳定性公式多次试算，反复调整截面尺寸，最终由抗滑移系数决定合理的截面尺寸，再验算其地耐力是否满足要求，若不满足要求，还必须重新选择截面尺寸进行稳定性和地耐力验算，直到二者都满足为止，过程非常繁琐。为了使悬臂式挡土墙的截面设计过程得到简化，在此，我们结合现场情况和相关工程的经验值进行恰当的参数取值，充分考虑各种不同荷载的作用，选择合理的计算模型，再借鉴袁健等人的经验[3]，根据稳定性公式推导相应的参数公式，从而快速地确定挡土墙趾板和踵板尺寸，最后再带入地耐力计算公司验算设计截面的合理性。

（1）计算模型的假定

    在设计挡土墙截面尺寸时，我们通常根据挡土墙前后两侧填土的高差并结合地基承载力来假定立墙和底板厚度，挡土墙越高，其立墙和底板厚度也越厚。为方便计算，立墙通常设计成与底板等厚，假定为0.3m。因悬臂式挡土墙墙趾板外伸长度比较小，且趾板上部覆土较浅，土重较轻，不能在短时期内形成被动土压力，故在对挡土墙截面进行设计时，忽略部分该部分的土重和其产生的被动土压力，这样对设计更有利。借鉴取1m长度的悬壁式挡土墙为研究对象（见图2），假设墙背竖直光滑，墙后主动土压力为Ea；挡土墙每延米所受重力分别为G1和G2；截面上部宽度为t（假定=0.3m），长度为m（未知），踵板长度为n（未知），底板宽度b=m+n+t；其重心至墙趾0点的距离为X1=m+t/2，X2=b/2=(n+t+m)/2，基底摩擦系数为。

    由土压力计算公式可知，墙后填土性质决定了挡土墙的受力情况：填土重度越大、墙后地下水位越高，产生的土压力越大；而填土内摩擦角越大，产生的土压力也越小。因黏土的透水性和压实性比较差，且具有吸水膨胀和冻胀性，可能产生侧向膨胀压力以及水平冻胀力，其内摩擦角比松散性土小，故黏性土会产生较大的主动土压力。砂性土颗粒较粗，透水性强，内摩擦角大，产生的主动土压力较小。所以，墙后填料无论是在设计还是在施工中均应选用砂性土，如中砂、砾石、卵石、粗砂等；当缺少砂性土而必须回填黏性土地或者细砂时，也应在黏性土或细砂中掺和一定量的石渣、砾料、矿渣等粗颗粒土。在此处，我们选择挡土墙后用中砂回填，从表1可查得砂性土的内摩擦角为30~40°。挡土墙沿挡土墙沿墙高和墙长应设置直径50~100的泄水孔，并按上下左右每隔2～3m交错布置，泄水孔的进水侧设置300X300的碎石滤层，用土工布包裹。在挡土墙底板以下设置100厚素砼垫层和150厚碎石垫层，这样，便能保证挡土墙一和挡土墙二的地基土位于第二层褐黄色粉质粘土层上。地基承载力fak=150kN/m2，摩擦系数u取0.4。墙背地面考虑均布活荷载=10kN/m2。

表1 常见土质的计算内摩擦角和u值表[2]

（2）土压力计算

    朗肯土压力理论由于不考虑土与墙背的摩擦力，以致主动土压力偏大，而被动土压力则偏小，用朗肯土压力理论计算主动土压力作挡土墙的计算是比较保守且偏安全的。主动土压力的计算如下：

，，c=0， ，均布活荷载等效为土厚 =10/18=0.556m，=13.32kN(矩形合力)，，=47.952kN（三角形合力），

。

表2 挡土墙土压力计算表

（3）截面快速设计

    根据规范6.6.5验算挡土墙的稳定性：

    其中抗滑移稳定性：  ≥1.3，因 =0，= ，则≥1.3，将各值代入公式展开得，（式1）

    抗倾覆稳定性：  ≥1.6，因，，则≥1.6，将各值代入公式展开得，（式2）。

    将挡土墙一、二的已知项代入式1和式2分别得： 

墙一计算结果如下：（式3）；

和(式4)。

若取m=0.3m，代入式4，则有n≥1.938m，取n=1.94m，代入式3，有58.171>47.776。

若取m=0.5m，代入式4，则有n≥1.920m，取n=1.93m，代入式3，有65.308>47.776。

墙二的计算结果如下： （式3）；和（式4）。

若取m=0.3m，代入式4，则有n≥1.2998m，取n=1.30m，代入式3，有30.672>21.649。若取m=0.5m，代入式4，则有n≥1.2789m，取n=1.28m，代入式3，有35.698>21.649。

    由上可得，若仅从稳定性来考虑挡土墙底板尺寸，抗滑移稳定性是控制因素。即挡墙趾板和踵板的尺寸取值只要满足抗滑移稳定性，则必定满足抗倾覆稳定性。在满足抗滑移稳定性的前提下，挡墙底板尺寸不变，增大踵板的长度比增大趾板的长度对提高抗倾覆稳定性效果更加显著。

（4）地基承载力验算

    要确定挡土墙底板的合理尺寸，不但要满足抗倾覆和抗滑移稳定性，还要满足地基承载力的要求。因此设计人员通过上述参数公式选定m、n的结合值得出b后，可直接代入地基承载力计算公式进行验算。

当时，>0， ；

当时，。

墙一：取m=0.3m，n=2m，挡土墙底板宽度b为0.3+0.3+2=2.6m分别代入上式得，=180，。

取m=0.5m，n=2m，挡土墙底板宽度b为0.5+0.3+2=2.80m，分别代入上式得，=180，。

故挡土墙一最终选定的截面尺寸是m=0.5m，n=2m，挡土墙底板宽度b为2.80m。

墙二：取m=0.3m，n=1.3m，挡土墙底板宽度b为0.3+0.3+1.3=1.9m，分别代入上式得，，。

取m=0.5m，n=1.3m，挡土墙底板宽度b为0.5+0.3+1.3=2.10m，分别代入上式得，=180，。

故挡土墙二最终选定的截面尺寸是m=0.3m，n=1.3m，挡土墙底板宽度b为1.90m。

可见，对于高度较小的挡土墙，一般满足t +mm i n +nm i n 的尺寸组合即满足稳定性要求时，地耐力也能满足。对于高度较大的挡土墙，可以通过增大趾板的长度来调整最大地基承载力，使其达到设计要求。

四、结语

    在进行挡土墙的设计时，我们必须根据工程实际情况，因地制宜地选择挡土墙的类型。上述计算悬臂式挡土墙的方法还适用于不同的土质、墙高、墙后的活荷载为其它值的情况下，只要根据实际情况充分考虑不同的土压力，选择合理的计算模型，再代入对应的参数计算公式，便能较为快速地计算出挡土墙趾板和踵板的最小尺寸，再验算选定的尺寸能否满足地基承载力的要求，只有选择了合理的墙体尺寸，才能同时满足稳定性和地耐力要求的截面。当挡土墙很高时，我们还可以增大墙身和底板厚度、适当加长墙趾板或墙踵板尺寸等，以使其截面满足抗倾覆稳定性、底板内力及地耐力要求。

参考文献：

1 GB50007-2011 建筑地基基础设计规范. 北京：中国建筑工业出版社.2002.40~46

2 吴为廉 景观与景园建筑工程规划设计（下册）北京：中国建筑工业出版社.2005.66,67~91,63~64

3 袁健 刘其梅 参数法在悬臂式挡土墙底板尺寸设计中的应用 岩土工程技术，2005 Vol.19 No.1 17~19