衡重式擋土墻斷面優化對地基應力的影響分析

唐高來

文章以某高樁梁板式碼頭接岸擋土墻為例，通過對衡重式擋土墻斷面參數的優化，分析衡重式擋土墻在滿足安全穩定性的同時使斷面達到經濟最優對地基應力的影響。同時，通過改變擋土墻墻背坡比、墻面坡比、基底逆坡等相關參數，結合調整衡重式擋土墻上墻寬、上墻高、衡重臺寬等參數，實現擋土墻斷面優化，減少擋土墻墻身斷面面積，提高擋土墻安全性，平均分布墻底壓應力，避免地基局部破壞。

擋土墻;斷面優化;安全穩定性;經濟性;地基應力

0?引言

在西部大開發及共建“一帶一路”倡議的大背景下，西江黃金水道的建設正如火如荼，港口航道、碼頭泊位向著大型化的方向發展，在國家政策的推動下，建設了一批又一批的港口碼頭。擋土墻在港口工程中的應用極為廣泛，無論是重力式碼頭和高樁梁板式碼頭的接岸設施，還是后方陸域邊坡支護工程，都離不開擋土墻建設。而擋土墻根據不同的斷面形式，可以分為重力式擋土墻、衡重式擋土墻、扶壁式擋土墻、板樁式擋土墻等。不同結構的擋土墻，可以使用在相同的擋土高度，也可以使用在不同的擋土高度，斷面形狀不同，斷面面積也有不相同，對基礎的作用力也不相同。在保證結構安全的前提下，斷面面積越小，經濟性越優良。然而在實際設計中，很多設計者為了節約設計時間，習慣套用以往的擋土墻通用設計圖或設計手冊，忽略了地基應力的分布及斷面的優化。本文以衡重式擋土墻斷面優化對地基應力的影響作分析，以此說明擋土墻斷面尺寸的設計和研究的必要性。

1?衡重式擋土墻介紹

衡重式擋土墻是擋土支護結構中應用較多的一種擋土墻結構，其設置衡重臺使墻身中心后移，并利用衡重臺上的填土，增加墻身穩定。但是衡重式擋土墻結構相對復雜，施工難度相對重力式擋土墻要大很多，技術含量也高，施工質量要求更高。擋土高度為4～12 m時多采用衡重式擋土墻。

2?衡重式擋土墻對地基應力的影響分析

2.1?主要控制參數

衡重式擋土墻主要參數有墻高H、上墻高h1、墻頂寬b、衡重臺寬bt、墻趾寬bj、墻面坡比m1、上墻墻背坡比m2、下墻墻背坡比m3、基底逆坡n等（見圖1）。

本文衡重式擋土墻設計參數采用理正巖土軟件計算。

安全穩定性控制條件：抗滑移穩定系數為1.3，抗傾覆穩定系數為1.5。

2.2?工程概況

某港口工程高樁梁板式碼頭的接岸擋墻設計擬采用混凝土衡重式擋土墻。設計資料如下：擋墻高度H=10 m，墻后均布荷載qk=10 kPa，結構重要性系數為1.0，設計使用年限為50 y，墻體材料為C20混凝土，重度為23 kN/m3;墻后回填砂性土，重度為18 kN/m3，內摩擦角φ=30°;地基土重度為19.0 kN/m3，擋墻基底與地基土摩擦系數f=0.4。此外，墻身分段為15 m，外摩擦角δ=φ/2。本文研究只考慮墻后填土荷載及墻后均布荷載，暫不考慮墻后其他荷載。

2.3?設計圖集04J008衡重式擋土墻參數及計算結果

根據設計資料及設計圖集04J008，擬選定10 m高衡重式擋土墻，截面參數及計算結果見表1、表2、圖2、圖3。

主要參數墻頂寬b（m）衡重臺寬bt（m）墻趾寬bj（m）墻高H（m）上墻高h1（m）下墻高h2（m）上墻背坡比m2下墻背坡比m3墻面坡比比m1基底逆坡n

選定圖集0.51.640.5104.06.00.4-0.250.050.1

主要參數墻身截面積（m2）滑動穩定性KC傾覆穩定性K0墻趾處基底壓應力（kPa）墻踵處基底壓應力（kPa）地基平均應力（kPa）最大應力與最小應力之比

初始設計25.681.302.01411852484.8

2.4?優化設計分析

查詢圖集中衡重式擋土墻設計參數可知，圖集選定的衡重式擋土墻斷面尺寸能夠滿足抗滑與抗傾覆穩定性要求，但墻趾處基底壓應力為411 kPa，墻踵處基底壓應力為85 kPa，基底應力分布不均，墻趾處應力遠遠大于墻踵處應力，地基受力不均勻，因此，基底應力分布還有很大的優化空間。

設計優化目的是在保證擋土墻滿足抗滑動與抗傾覆穩定性要求的同時，盡可能減少擋墻設計斷面，降低工程造價，減少墻趾處與墻踵處壓應力的差值，使其最大最小應力差值≤1.5，盡可能使基底應力分布均勻，避免地基局部破壞發生失穩事故。

2.5?優化方法

通過改變擋土墻上墻背坡比m2、下墻背坡比m3、墻面坡比m1、基底逆坡n等相關參數，然后改變上墻頂寬、上墻高、衡重臺寬，實現擋土墻斷面優化，盡可能使擋土墻中心后移，增大墻踵處基底壓應力，使墻底壓應力平均分配，提高擋土墻墻身安全性，同時減少擋土墻墻身斷面面積。

優化設計后的擋土墻截面參數見表3。

根據優化后擋土墻截面參數及設計資料計算結果見表4。

2.6?計算結果比較

在設計資料相同且墻高不變的情況下，改變衡重式擋土墻截面各個參數，可以得到不同的計算結果。擋土墻截面參數對比如表5所示。

計算結果對比見表6。

從表6可以看出，選用圖集時滑動穩定性Kc為1.30，已經接近控制值1.3，傾覆穩定性為2.01，滑動穩定與傾覆穩定均滿足要求;墻趾處基底壓應力為411 kPa，墻踵處基底壓應力為85 kPa，地基平均應力為248 kPa。擋土墻滿足安全穩定性要求，但墻趾處基底壓應力與墻踵處基底壓應力相差甚遠，應力比達到了4.8，應力分布很不均勻，大多數應力集中在墻趾處。

優化設計滑動穩定性Kc為1.818，土層水平滑移穩定性為1.542，傾覆穩定性為2.039，滑動穩定與傾覆穩定有了較大的提升;墻趾處基底壓應力為312 kPa，墻踵處基底壓應力為212.97 kPa，地基平均應力為262.48 kPa，最大應力與最小應力之比為1.47。墻趾處基底壓應力與墻踵處基底壓應力相差不大，應力分布基本均勻，對地基承載力要求相對較低。優化設計后擋土墻墻身面積相比選用圖集時少了3.55 m2，每延米衡重式擋土墻可減少數百元工程投資，優化意義重大。

2.7?在實際應用中的意義

衡重式擋土墻在水運工程、公路工程、水利工程中均有廣泛的應用，在設計中通過加大墻面坡比與下墻背坡比，可使擋土墻重心向后，對均勻分布基底壓應力，減少擋土墻工程斷面面積效果顯著。截面積越小，工程材料就可以相應減少，可節約投資，為業主節省費用。同時，基底壓應力分布均勻可避免地基局部失穩，提高擋土墻的穩定性。

3?問題與建議

目前在很多工程建設中，設計人員或施工人員經常套用設計圖集，而不根據實際情況加以分析優化，導致結構斷面富余太大，對擋土墻基底壓應力分布情況不夠重視，雖然抗滑移與抗傾覆穩定性滿足要求，但墻趾與墻踵處應力比太大，甚至有些衡重式擋土墻設計成墻踵處沒有壓應力，這就失去了設計衡重式擋土墻的意義，未能發揮衡重式擋土墻的優勢。個人建議盡量少用設計圖集，應根據不同項目不同地質區別對待，盡可能優化斷面設計，使基底應力分布均勻，以減少地基局部破壞，確保設計安全可靠、節省投資。

4?結語

（1）衡重式擋土墻設計受到諸多因素的影響，其中擋土墻高度、墻后回填土的內摩擦角、填土容重、墻底摩擦系數等對擋土墻的截面尺寸設計起著決定性的作用，屬于外部因素。在外部設計條件相同的情況下，通過改變衡重式擋土墻的斷面設計參數，可以得到不同的設計計算結果。

（2）在擋土墻建設中，很多設計者未充分研究墻趾與墻踵處壓應力分布情況，套用設計圖集雖然能滿足穩定要求，但基底壓應力可能出現分布不均。在擋土墻設計中應充分驗算基底應力，盡可能保證基底應力平均分布，避免地基局部破壞。

（3）通過改變擋土墻墻背坡、墻面坡、墻底斜坡率等相關參數，結合調整衡重式擋土墻上墻寬、上墻高、衡重臺寬等參數，可實現擋土墻斷面優化，減少擋土墻墻身斷面面積，提高擋土墻墻身安全性，平均分布墻底壓應力。

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