谈重力式挡土墙设计

王 莉 玲

(大同煤矿集团设计研究有限责任公司，山西 大同 037003)

0 引言

挡土墙是为了防止土体坍塌的构筑物，广泛应用于房屋建筑、水利、铁路以及公路和桥梁工程。例如：支撑建筑物周围填土的挡墙，地下室侧墙，桥台及储藏材料的挡墙等，挡土墙的结构型式可分为重力式、悬臂式和扶壁式等多种型式。重力式挡墙一般采用块石和砖、素混凝土材料；悬臂式和扶壁式挡墙采用钢筋混凝土材料。由于材料本身的特性和力学性能，不同型式和不同材料设计的挡墙其适合高度也不同。重力式挡墙有仰斜式和折背式、直立式、俯斜式；仰斜式和折背式一般用于2 m～10 m高度范围；直立式挡墙用于2 m～8 m的高度范围；俯斜式一般用于2 m～8 m高度范围。挡墙的安全等级可分为三级，是由其发生事故所造成的危害决定的。

1 工程概况

挡墙作为一种安全构件，它的安全性非常重要，本文所讨论的是重力式挡墙在设计过程中所要熟知的几个基本条件。本挡墙所在场地位于吕梁地区矿井内的工业场地，工业场地三面环山，一面是场外道路，由于场地内面积较小，需要进行挖方来增加场地内的面积，开挖后产生了场地与山坡高差为6 m的土坡，为了保护场地内的道路的安全，拟建一道6 m高挡土墙，由于吕梁山区内矿石资源丰富，为了节省资金，就地取材，决定采用毛石和砂浆砌筑的重力式挡土墙。重力式挡墙有不同的型式，墙型的合理选择对挡墙设计的安全和经济性有着很大的影响，挡墙的主动土压力以仰斜为最小，直立次之，俯斜最大。此外墙背的倾斜型式还要综合考虑使用要求和地形以及施工条件。一般挖坡建墙宜用仰斜，其土的压力小，且墙背可与边坡紧密贴合；填方地区可采用直立或俯斜，便于施工时填土夯实。由于本案例所在场地属于挖方地段，综合考虑后采用仰斜式重力挡墙，设计挡土墙需要了解几个必要的受力条件：1)挡墙墙背所受的主动土压力;2)挡墙的抗倾覆验算;3)挡墙的滑动稳定性验算;4)地基承载力验算。

挡墙所属地段为挖方地段，作用在挡墙上的填土侧压力依据土力学原理，按墙背的形状，墙体位移条件，墙后填料所处的状态计算确定，由于挡墙基础埋深较浅，墙前的被动土压力可不考虑，仅考虑墙背后的主动土压力，墙背后的主动土压力可按库仑定律公式计算，为减小墙背后土的压力，该挡墙墙后采用砂类土回填，属于无粘性土。库仑土压力是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动土楔体，从楔的静力平衡条件得出的土压力计算理论，其假设条件为：1)墙后土是理想的散力体，(粘聚力C=0)；2)滑动破裂面为通过墙踵的平面。库仑土压力理论适用于墙背为砂土或碎石土的挡墙，可考虑挡墙倾斜、填土面倾斜以及墙背与填土间的摩擦等多种因素的影响，分析时，一般沿长度方向1 m考虑。挡墙拟建断面如图1所示，确定挡墙断面后进行验算如下。

2 重力式挡墙验算

依据规范中库仑主动土压力，挡墙背后土的主动土压力为:

其中，r为墙后填土的重度,取22 kN/m3;L为墙长,1 m;H为挡墙高度,已知H=6 m;Ho为挡墙后填土有荷载时，换算土层厚度;Ka为主动土压力系数;r为重度已知，H为高度已知，墙后填土无荷载，所以ho=0先需要知道Ka。

其中，φ为墙后填料的内摩擦角;δ为填料与墙背的外摩擦角;α为墙背与竖直线的夹角，(°)，俯斜时取正号、仰斜时为负号，墙背倾角为1∶0.2，可知α=11.5°；β为墙后填土面的倾角，β=0且无荷载。

挡墙背后填土采用砂类土，查表可知砂类土的内摩擦角为(35°～40°)，取40°。

规范中规定，土对挡墙背的外摩擦角根据墙背的粗糙程度，填料的性质和排水条件见表1。

表1 填料与墙背间的摩擦角δ

填料与墙背间的摩擦角δ。

填料与墙背间的摩擦角δ取0.5×40°=20°。

1)求主动土压力系数。

由上述条件可求得主动土压力系数Ka。

2)进行挡墙的抗倾覆验算。

想要求得抗倾覆验算是否满足要求必须知道如下几个条件:

Zf为挡墙墙趾点o至主动土压力水平分力的距离；Xf为挡墙墙趾点o至主动土压力垂直分力的距离；Xo为挡墙重心至挡墙墙趾点o的距离，Eaf为挡墙主动土压力水平分力；Eaz为挡墙主动土压力垂直分力；G为挡墙自重，各个参数的位置详见图1。

G=1.4×6×22=184.8 kN/m；Eaf=110.8×cos(11.5°+20°)=94.4 kN/m。

Eaz=110.8×sin(11.5°+20°)=57.9 kN/m。

抗倾覆稳定验算公式：

假若抗倾覆稳定性验算不能通过时，可以按照以下的措施进行处理：1)增加挡墙断面的尺寸，使挡墙的重量增加，但工程量也相应增加，投资也相应的增加;2)加大墙趾，但是墙趾过长，若厚度不够，则需要配置钢筋；3)进行滑动稳定性验算。

根据地勘资料可知基底承载力为fa=300 kPa，由于基础底部属于碎石类土，所以基底的摩擦系数取0.55。

假若抗滑动稳定性不能满足要求时，也可采用如下措施加以解决：

1)增加挡墙的断面，以增加挡墙的重力;

2)墙底面做分成砂或石垫层，以提高摩擦系数u;

3)墙底做成逆坡;

4)进行地基承载力验算：在基础设计中，大多基础都存在偏心荷载，所以基础底部受力必定有小有大，所以基底必须满足Pk

合力偏心距:

基底的平均压力:

基底的最大压力和最小压力:

根据验算可知基底承载力满足要求。假如基底压力不满足要求，可以增加基础基底的面积，或对基础底部进行处理，来满足设计要求。

3 结论

由上述验算可知该挡墙满足使用要求，为了确保挡墙的安全性，运用软件进行核算，计算结果人工手算进行对比，基本与手算符合，该工程于2017年投入使用，效果良好。

4 重力式挡墙的构造措施

1)泄水孔。

当挡墙填料为粘性土或水分不易渗入泄水孔向墙面外排除时，挡墙常因排水不良而大量积水，使土的抗剪指标下降，土的压力增加，导致挡墙破坏，因此，在挡土墙墙背和填料之间用渗水材料(砂砾或碎石)填筑墙顶面至最下层泄水孔间的连续排水层，顶端与底端需以粘土层作为隔水层，每隔2 m左右设置泄水孔，梅花状布置，泄水孔可砖砌也可采用硬质PVC管，坡度一般在2%～5%之间，最底层泄水孔高度应高于地面0.2 m以上。

2)沉降缝和伸缩缝。

挡墙施工时，应根据设计图的分段长度，结合实际地形、水文、地质变化的情况，设置沉降缝和伸缩缝，有时沉降和伸缩缝可设置成一道，间距为10 m～20 m，缝宽为20 mm，缝内填沥青木条或刨花板，填入深度不宜小于150 mm。当挡墙较长时，会产生纵坡，当纵坡小于5%时，挡墙基底可做成平面；当纵坡大于5%时，当墙基底需做分成台阶式，台阶的高度不宜大于0.5 m。挡墙顶部需设置60 mm～100 mm的细石混凝土压顶，来保持美观和平整。

3)墙体材料的要求。

砌筑高度为8 m以下的重力式挡墙可采用M7.5水泥砂浆，但是在严寒和寒冷地区应采用M10水泥砂浆；砌筑高度为8 m以上的重力式挡墙可采用M10水泥砂浆，但在严寒和寒冷地区应采用C15级毛石混凝土；对于毛石砌块的要求，强度等级不应低于Mu30，毛石砌块的自重需达到22 kN/22 kN/m。毛石严格采用无风化，无裂纹的要求。

5 结语

在土木工程设计中，挡墙设计虽然是个小的学习知识点，但是在实践当中确经常用到，不仅是在房屋建筑中，还有道路桥梁及工业建筑等多种行业内，并且挡墙常常用来为建筑物挡土，保障建筑物的安全，它的安全性紧紧的和建筑的安全联系在一起，所以无论是在设计还是在施工中，每个环节都应严格按照规范要求进行。