山區(qū)公路擋土墻設(shè)計(jì)淺析

馬文亮

（十堰市城區(qū)公路管理局，湖北 十堰 442000）

1 前言

在山區(qū)公路中，由于地形條件復(fù)雜，地勢(shì)陡峭，擋土墻的應(yīng)用更為廣泛。近幾年來，筆者參加了多次山區(qū)公路（二、三級(jí)）的設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)路基防護(hù)工程，特別是擋土墻的設(shè)計(jì)，對(duì)山區(qū)公路擋土墻的設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，在此提出，僅供同類工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。

2 擋土墻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料及設(shè)計(jì)參數(shù)

2.1 基礎(chǔ)資料

擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，須具備以下資料：路線平面圖、縱、橫斷面圖，地質(zhì)水文資料，地震勘探報(bào)告，總體設(shè)計(jì)資料及構(gòu)造物一覽表等。

2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取

2.2.1 墻背填料的物理力學(xué)性質(zhì) 對(duì)于山嶺重丘二、三級(jí)公路的擋土墻設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，填料的計(jì)算內(nèi)摩擦角及容重可參照表1及表2選用：

2.2.2 墻背摩擦角。填土與墻背間的摩擦角δ應(yīng)根據(jù)墻背的粗糙程度及排水條件確定。山區(qū)公路中，對(duì)于漿砌片石墻體、排水條件良好，均可采用 δ=ψ/2。

2.2.3 基底摩擦系數(shù)。基底摩擦系數(shù)μ應(yīng)依據(jù)基底粗糙程度、排水條件和土質(zhì)確定。

2.2.4 地基容許承載力。地基容許承載力可按照《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)·路基》及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選取。

2.2.5 建筑材料的容重。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范選取。

2.2.6 砌體和砼的容許應(yīng)力和設(shè)計(jì)強(qiáng)度。根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范選取。

3 擋土墻的選型

3.1 材料選擇

漿砌片石擋墻取材容易，施工簡便，適用范圍較廣泛。山區(qū)由于石料資源豐富，在擋墻高≤10米時(shí)，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好地滿足經(jīng)濟(jì)、安全方面的要求。

3.2 截面形式選擇

根據(jù)擋墻結(jié)構(gòu)類型及特點(diǎn)分析，當(dāng)墻高＜5時(shí)，采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡單，施工方便的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于山區(qū)公路地面橫坡比較陡峭，若采用仰斜式擋土墻，會(huì)過多增加墻高，斷面增大，造成浪費(fèi)，采用俯斜式擋土墻會(huì)比較經(jīng)濟(jì)合理。一般在路塹墻、墻趾處地面平緩的路肩墻或路堤墻等情況下，才考慮采用仰斜式擋土墻。當(dāng)墻高≥5且地基條件較好時(shí)，采用衡重式擋土墻，可以有效地減小截面，節(jié)省材料。

4 土壓力的計(jì)算

擋土墻設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理，關(guān)鍵是正確地計(jì)算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計(jì)算土壓力的理論和方法很多。由于庫倫理論概念清析，計(jì)算簡單，適用范圍較廣，可適用不同墻背坡度和粗糙度、不同墻后填土表面形狀和荷載作用情況下的主動(dòng)土壓力計(jì)算，且一般情況下計(jì)算結(jié)果均能滿足工程要求，因此庫倫理論和公式是目前應(yīng)用最廣的土壓力計(jì)算方法。

4.1 庫倫主動(dòng)土壓力計(jì)算公式及計(jì)算簡圖主動(dòng)土壓力計(jì)算公式：

Eα=1/2γH2Ka

式中：Eα-主動(dòng)土壓力(KN)，γ-土的容重（KN/m3），H-擋土墻高(m)，Ka-庫倫主動(dòng)土壓力系數(shù)。

4.2 第二破裂面土壓力的計(jì)算

在擋土墻設(shè)計(jì)中，當(dāng)墻背或假想墻背的傾角α1或α'1大于第二破裂面的傾角αi，或作用于墻背或假想墻背的土壓力對(duì)墻背法線的傾角δ'小于或等于墻背摩擦角δ時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)第二破裂面，這種情況下，應(yīng)按破裂面出現(xiàn)的位置來求算土壓力。

5 擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算及強(qiáng)度驗(yàn)算

擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動(dòng)和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強(qiáng)度、基底應(yīng)力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后，應(yīng)進(jìn)行墻的穩(wěn)定及強(qiáng)度驗(yàn)算。擋墻的驗(yàn)算方法有二種：一種是采用分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)法，另一種是總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法。目前國內(nèi)多數(shù)應(yīng)用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)擋土墻。下面是采用容許應(yīng)力法進(jìn)行擋土墻驗(yàn)算的簡介。

5.1 滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算

擋土墻沿基底的滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc應(yīng)不小于1.3。計(jì)算公式為： Kc=（W+Ey）f/Ex

式中：W-擋土墻自重，衡重式時(shí)，包括衡重臺(tái)上的土重 (KN)，Ex，Ey-主動(dòng)土壓力的水平和垂直分力（KN），f-基底摩擦系數(shù)。

5.2 傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算

擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko應(yīng)不小于1.5。計(jì)算公式為：Ko=（WZw+EyZx）/（ExZy）

式中：Zx-Ey對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂 (m)，Zy-Ex對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂 (m)，Zw-W對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂(m)。

5.3 基底應(yīng)力及偏心驗(yàn)算

基底的合力偏心距e。計(jì)算公式為：

e=B/2-Zn=B/2-（WZw+EyZx-ExZy）/（W+Ey）

在土質(zhì)地基上，e≤B/6；在軟弱巖石地基上，e≤B/5；在不易風(fēng)化的巖石地基上，e≤B/4。

當(dāng)e≤B/6時(shí)，墻趾和墻踵處的法向壓應(yīng)力為： σ1,2=（W+Ey）（1±6e/B）/B≤[σ]

式中，[σ]-地基土修正后的容許承載力（KPa）

[σ]=[σo]+K1γ1（B-2）

式中，[σo]-地基土的容許承載力（KPa），K1-地基土容許承載力隨基礎(chǔ)寬度的修正系數(shù)，γ1-地基土的天然容重（KN/m3）。

當(dāng)e>B/6時(shí)，基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，考慮到一般情況下地基與基礎(chǔ)間不能承受拉力，故不計(jì)拉力而按應(yīng)力重分布計(jì)算基底最大拉應(yīng)力：

σ1=2（W+Ey）/3Zn≤[σ]

若出現(xiàn)負(fù)偏心，則上式的Zn改為（B-Zn）。

5.4 墻身截面強(qiáng)度驗(yàn)算

墻身截面強(qiáng)度驗(yàn)算包括法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的驗(yàn)算。剪應(yīng)力包括水平剪應(yīng)力和斜剪應(yīng)力兩種，重力式擋土墻只驗(yàn)算水平剪應(yīng)力，而衡重式擋土墻還需進(jìn)行斜截面剪應(yīng)力的驗(yàn)算。

6 采取措施

6.1 基礎(chǔ)加固措施

6.1.1 為減少基底壓應(yīng)力，增加抗傾覆的穩(wěn)定性，在墻趾處伸出一臺(tái)階，以拓寬基底。墻趾臺(tái)階的寬度不小于20cm，臺(tái)階高寬比可采用3:2或2:1。

6.1.2 地基為軟弱土層時(shí)，可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質(zhì)量較好的材料換填，以擴(kuò)散基底壓應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。

6.2 排水措施

對(duì)于漿砌石擋土墻，應(yīng)在墻前地面以上設(shè)置一排泄水孔。墻較高時(shí)，可在墻上部加設(shè)泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圓孔，孔眼間距2~3米，上下排泄水孔錯(cuò)開設(shè)置。泄水孔進(jìn)水口應(yīng)設(shè)置反濾材料。

6.3 沉降縫與伸縮縫的設(shè)置

為避免地基不均勻沉降引起墻身開裂，需按墻高和地基性質(zhì)的變異，設(shè)置沉降縫，同時(shí)，為了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產(chǎn)生裂縫，需設(shè)置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設(shè)置在一起，每隔10~15m設(shè)置一道，縫寬2~3cm，自墻頂做至基底，縫內(nèi)宜用瀝青麻絮、瀝青竹絨或涂以瀝青的木板等具有彈性的材料，沿墻的內(nèi)、外、頂三側(cè)填塞，填塞深度不小于15cm。

7 結(jié)束語

公路擋土墻是路基防護(hù)工程的重要組成部分。在山區(qū)公路中，擋土墻的應(yīng)用更為廣泛。擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查、勘測(cè)，確定構(gòu)造物的形式與尺寸，運(yùn)用合適的理論計(jì)算土壓力，并進(jìn)行穩(wěn)定性和截面強(qiáng)度方面的驗(yàn)算，采取合理、可行的措施，以保證擋土墻的安全性。

[1]鄧學(xué)均.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社.