城市挡土墙设计及景观研究

黎凤林, 郑 硕, 杨超炜

(1.湖南科技职业学院, 湖南 长沙 410004； 2.长沙环境保护职业技术学院, 湖南 长沙 410004; 3.湖南大学 土木工程学院， 湖南 长沙 410082 )

0 引言

随着城市化进程的不断加快，越来越多的人在城市生活，城市的生态环境成为城市化进程中面临的一大问题，打造“生态城市”势在必行。城市建设中的公园、人行道路及绿化景观等的修建，都会经常遇到复杂的地形、地貌导致的地形高差问题。地形高差的变化会严重影响到城市空间的使用，而挡土墙作为一种常用的支挡结构，可有效地解决该问题。传统的挡土墙虽然可满足结构支挡的稳定性，但其美观性不足，未能体现生态文明建设的理念。因此修筑景观挡土墙成为生态城市建设的重要部分[1]。

“景观”是一个具有多重内涵的概念，它既包括运用材料、色彩、质感、建筑、植被、山水等形成的艺术形象，又包括传统文化民俗、社会风貌的时代精神，即自然景观与人文景观的整合[2]。将景观设计引入传统城市挡土墙的设计之中，构成独具特色的景观挡土墙(如图1所示)，在城市建设中越来越常见。景观挡土墙其独特的性质和功能，使其成为了反映城市风貌的重要组成角色[3]。

图1 形式多样的城市景观挡土墙Figure 1 Various forms of retaining walls in urban landscapes

而目前景观挡土墙的建设还存在一些问题，比如：景观缺乏层次感、绿化植被单一、景观设置突兀等[4-6]。这些问题在一定程度上影响了景观挡土墙的生态美化效果。据此，本文针对景观挡土墙稳定性设计问题的几个方面，以及景观设计需要考虑的主要设计因素作相应的介绍。

1 城市景观挡土墙特性及功能

景观挡土墙同时具备防护功能和景观效应，与周围场地的布置、交通规划及景观绿化等密切相关，其主要特性及功能概括为以下3个方面[3-5]：

a.规划城市场地，组织交通线路[7]。景观挡土墙的建设会受到城市建设场地地貌、高差及大小等限制，这同时也就决定了在城市挡土墙建设的过程中，需要不断地改变其尺寸和形态来适应场地的变化。挡土墙不同的高差和形态特性，可对城市竖向和水平向空间起到分隔作用，使得空间的分布更加合理，利用效率更高。同时挡土墙的分隔作用，在无形中会影响人流和车辆的行驶路线，从而起到组织和规划交通路线的作用。

b.改善城市居住环境的生态效应。景观挡土墙在一定程度上起到调节城市气候的作用。首先，挡土墙上的植被可净化空气、调节空气湿度等。挡土墙本身也可阻挡城市噪音，且其空间隔离作用可改变空气流向，调节光照区域等。

c.增强人文气息的有效手段。景观挡土墙同时也是一座城市景观文化艺术形式的表达。挡土墙的墙面、形态及装饰性植被，都会根据当地的文化特色、历史背景等采用相应的艺术手法加以表达。例如在墙面上采用浮雕来刻画历史故事，采用水景式、花坛式及假山式等艺术形式来赋予挡土墙生机和活力。

2 挡土墙稳定性设计

保证挡土墙在使用过程中，在土压力和外部荷载的作用下具有足够的稳定性至关重要。在城市挡土墙的设计中，其稳定性设计应当放在首位，下面将从几个方面对其作相应介绍[8-9]。

2.1 抗倾覆稳定性设计

挡土墙在使用过程中，墙体产生倾覆是造成事故的主要原因。如图2所示，为挡土墙的受力分析图。

图2 挡土墙受力分析Figure 2 Stress analysis of retaining wall

根据图2挡土墙的静力平衡分析，对O点进行弯矩平衡，同时为了保证一定的安全储备，在对挡土墙进行设计时，保证挡土墙在荷载作用下不发生倾覆破坏需满足下式[10]：

(1)

式中:G为墙体自重；x0为G的作用点到O点距离；Eax=Eacos(α+δ)；Eaz=Easin(α+δ)；xf和zf分别为土压力Ea作用点距离O点水平和垂直距离；δ为挡土墙与墙后填土的摩擦角，其具体取值参见文献[10]。

当抗倾覆计算不满足要求时，可通过增大挡土墙截面尺寸，延长墙趾，改变墙背形状，增大挡土墙墙身重量等措施，使满足抗倾覆稳定性条件。

2.2 抗滑移稳定性设计

当作用于挡土墙体的土压力在水平方向的分量超过墙体底部的抗滑力时，墙体可能会发生水平方向的移动。同理，对图2挡土墙进行受力分析，同时为了保证一定的安全储备，在对挡土墙进行设计时，保证挡土墙不发生滑动应满足下式：

(2)

式中:Gn=Gcosα0;Gt=Gsinα0;Ean=Easin(α+α0+δ);Eat=Eacos(α+α0+δ);μ为摩擦系数，其值与土的类别等相关，具体取值参见文献[10]。

2.3 挡土墙自身强度设计

对于重要性等级较高的挡土墙或墙身高度较大时，需对应力较大的界面进行强度验算。如图3所示，选取挡土墙身与基础相交处的n-n截面进行应力验算。

图3 挡土墙截面应力计算Figure 3 Calculation of retaining wall section stress

对于n-n截面，当轴心受压时，截面上法向应力为：

(3)

当偏心受压时，截面上法向应力为：

(4)

截面上剪应力为：

(5)

式中: [σ]、[τ]分别为墙体许用压应力和剪应力，μ0为摩擦系数，[σ]、[τ]及μ0具体取值参见文献[11]和文献[12]；b′、e′为n-n截面计算宽度和计算偏心距；ΣV′、ΣH′分别为n-n截面以上竖向力与水平力之和。

2.4 地基承载力设计

在荷载作用下，除了要满足挡土墙自身的强度和稳定性外，还需要保证基底承载力满足要求。

在荷载作用下挡土墙基底为偏心受力状态，具体受力分析如图2所示，可得其基底两侧应力值的大小应满足以下条件：

(6)

(7)

需要指出的是由式(6)和式(7)所计算出的基底应力应满足：

(8)

当e>b/6时，基底一部分区域将存在拉应力，此时基底应力应按照三角形分布来求解[9]。

2.5 圆弧滑动稳定性设计

当填土和基底土质量较差时，在外部荷载作用下，挡土墙可能会发生如图4所示的整体失稳，即产生贯入软弱土层深处的圆弧滑动面，从而丧失稳定性。可采用条分法进行验算[8]。

图4 挡土墙圆弧滑动稳定性验算Figure 4 Check calculation of circular sliding stability of retaining wall

条分法是一种试算方法，即滑面任意假定，通过选用不同的圆心位置和不同的半径进行试算，实际所求的是与最危险滑面相对应的最小安全系数。

由于计算复杂且需要大量试算，因此圆弧滑动稳定性通常采用软件进行分析。

综上所述，现将普通挡土墙的设计流程图总结，如图5所示[8-10]：

图5 挡土墙设计流程Figure 5 Design process of retaining wall

3 城市挡土墙景观设计

景观挡土墙作为城市中兼具支护结构及美学特色的构筑物，除了保证其结构稳定性[13]，其景观美学设计同样重要，下面将对景观设计方面的设计理论、设计类型、设计形式及构成要素4个方面进行介绍。

3.1 设计基本理论

景观挡土墙作为城市中兼具支护结构和美学特色的构筑物，在对其进行规划设计时，需结合以下3点理论。 ①为确保挡土墙的建设更富有人性化，需结合人的行为学、心理学等方面的理论[6]。根据人的行为特点及需求、心理感受等因素，来进行挡土墙的规划和设计。②由于挡土墙的存在主要是为了解决地形高差等问题，所以需结合外部空间规划和搭配理论[4]，从而对挡土墙尺度、挡土墙的垂直及水平距离进行合理的把握。③从自然美学角度出发[4，14]，需结合园林美学理论中的形式多样化与整体统一、色彩的搭配与对比等艺术手法，将其与城市中的自然和人文景观融为一体。

3.2 设计类型

目前常见的景观挡土墙分为以下几种： ①传统挡土墙装饰型。即采用传统的瓷砖或其他单板材料进行外墙贴面装饰处理。②特殊材料砌筑型。其分为规则材料与不规则材料两种：采用苏波洛克砖、防腐木料等规则材料砌筑时，多用于广场或需要与周围风格融为一体的建筑群中；采用形状大小各异的石材等不规则材料砌筑时，多用于为形成自然风光的景区中。③生态环保型。其也属于特殊材料砌筑型，但相比于景观作用，更强调生态环保的作用，它常常是岩土工程、生态工程与环境工程的整合。此类挡土墙多采用环境友好型材料，在有效护坡的同时，又不破坏原有生态结构，且在一定程度上起到促进生态循环的作用。④垂直绿化型。即利用爬藤类植物来对挡土墙进行绿化，使其起到装点挡土墙、美化环境的效果[15]。

3.3 设计形式

根据挡土墙的受力特性、地基土质、景观效果、人的精神感受及场地空间等因素，设计出的相适应的挡土墙形式是景观挡土墙设计的一个重要方面[3-6]。

当城市挡土墙的设计高度较大时(≥2 m)，会使人精神及心理上产生不适的感受。如图6所示，此时可以将挡土墙沿高度上分成几段[16]，并在水平方向错落修筑，在每段挡土墙之间可种植植被，这样不仅消除了人心理上不良的感受，还增加了观赏性。另外，挡土墙应尽量修筑成仰斜式，这样可以使人的视野更加开阔，同时减少心理上压抑感。

图6 分段式挡土墙Figure 6 Sectional retaining wall

当挡土墙的基底土质承载力较差时，可将挡土墙分成两段台阶式修筑。如图7所示，将原有挡土墙分为两部分，在挡土墙主体前修筑一段台阶，这样不仅使挡土墙更加稳固，而且加大了基底面积，更有利于基底土体的承载。同时，在伸出的台阶上也可种植植被，增加绿化效果。

图7 台阶式挡土墙Figure 7 Stepped retaining wall

挡土墙本身具有分隔和围合城市空间的作用，有时为了给人以空间的缓和感和流动感，可将直线型的挡土墙修筑成曲线形式，同时曲线形式的围合也可以更加突出所围建筑物的特点和主题。有时为了衬托主体雕塑等建筑物，可将挡土墙修筑成折线形式，同时也可增加建筑物的韵律感。

3.4 构成要素设计

城市景观挡土墙的基本设计要素主要有：尺寸、高度、材料、色彩、质感、造型等。由于城市挡土墙的景观性要求，所以在设计时除了要满足力学与耐久性的使用要求外，还应注意挡土墙自身的美学表达和与周围环境的和谐统一[2-6]。

挡土墙不同的尺寸与高度将空间划分为不同的格局，不同的布局则会起到不同的视觉效果，或限制视野，或增加了空间的延展性。同时应坚持因地制宜的原则，尽量在原本地形的基础上进行合适的变化，以免引起视觉疲劳，减少美感。

目前挡土墙常用材料主要有石材、木材、砖瓦、水泥、钢板等，根据使用场景、干湿条件的不同常混合搭配使用。不同质感的材料将给人以不同的感官效果。青石、片石等大块石材简单粗犷，适宜大型景观；卵石等小型石材更适宜雕刻细节。木材垒砌的景观挡土墙更富有山林气息，但木材与土体的长期直接接触，自然界的生物风化作用会造成挡土墙承载力降低，从而丧失稳定性甚至坍塌。砖瓦近些年在景观挡土墙中开始流行使用，种类多样的砖瓦以及多种搭接的方式，越来越受到现代景观风格的设计师青睐。水泥挡土墙由于材料本身的单调厚重感，欣赏价值较低，因此很少直接作为景观挡土墙的裸露面，但因其可塑性强，且强度较高、稳定性好，目前水泥仿木、仿石雕像愈发常见，加之彩色水泥的出现，使得水泥在景观挡土墙中的使用更加广泛。钢板是近些年开始使用的挡土墙材料，具有较强的现代感，但应根据使用要求与环境，合理控制锈蚀，同时设计时也应考虑光污染。随着材料科学的发展，越来越多性态良好、生态环保的人工合成材料相继出现，原始的天然材料将会慢慢被取代[3]。

不同的质感与色彩也会带给人不同的视觉享受，粗糙的表面给人以粗犷、自然、质朴的感受；光滑的表面给人以细腻、柔和、高雅的情调，石材让人感觉到厚重、踏实；木材让人感觉到温暖、质朴。暗色使人宁静，亮色使人愉悦。在实际工程中，应根据使用目的和情境合理选用。

根据自然环境与使用要求的限制，挡土墙常见的平面造型有直线型、曲线型、折线形，常见的立面造型有阶梯型、几何形状拼凑型等。不同的形式进行合理搭配，会让人感觉到耳目一新，形成一道亮丽的风景线。

4 结论

本文通过对城市挡土墙稳定性设计原理的介绍，以及景观设计问题的分析，得出以下几点结论：

a.挡土墙结构的稳定性，不仅要考虑墙体自身的稳定性与强度问题，还要考虑荷载作用下，墙身与土体的整体稳定性。只有各个方面的稳定性都满足条件，才能保证挡土墙的安全性。

b.景观挡土墙的设计需汇集行为心理学、空间规划、自然美学等理论，只有这样才能使挡土墙与自然风光、人文景观融为一体，使之更具人性化和美学特色。

c.城市景观挡土墙有多种设计形式与造型，因此要求设计人员从多方面考虑，且遵循因地制宜、随环境灵活变化的原则。只有所建设的挡土墙满足了使用要求、适应了城市环境需要、展示了城市特色，才能称之为合格的景观挡土墙。