淺談建筑工程中反拱擋土墻的設(shè)計

黃鼎中

（深圳市綜合交通設(shè)計研究院有限公司，廣東 深圳 518000）

1 反拱擋土墻設(shè)計要點

1.1 反拱擋土墻構(gòu)造

反拱擋土墻是建筑工程中負(fù)責(zé)保證土體、邊坡等穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)，主要包括拱璧、支柱以及基礎(chǔ)3個部分。在實際進(jìn)行反拱擋土墻設(shè)計的過程中，為保證墻體具有良好的排水性能，避免出現(xiàn)積水問題影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性，需要在拱璧與直墻之間留有排水腔，同時還需要在拱璧位置設(shè)計相應(yīng)的泄水孔，避免積水留存影響結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性。通常情況下，為保證積水的順利排出，泄水孔直徑需要在50mm～100mm，每2個泄水孔之間留有2 m左右的距離。另外，為進(jìn)一步保證工程質(zhì)量，拱璧結(jié)構(gòu)多使用毛石砌體或者磚砌體。

1.2 土壓力確定

在進(jìn)行反拱擋土墻設(shè)計的過程中，為保證擋土墻結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，確保其能夠滿足建筑施工要求，需要對擋土墻的土壓力進(jìn)行計算，以此來確定反拱擋土墻的截面尺寸。在實際進(jìn)行擋土墻設(shè)計和土壓力計算的過程中，需要根據(jù)實際工程情況選擇合理的計算方式。例如，在擋土墻后方填土為水平面的情況下，需要按照朗肯土壓力理論進(jìn)行計算。在實際進(jìn)行土壓力計算的過程中，如果拱徑較小，那么就可以按照土壓力與直墻垂直的情況進(jìn)行計算。土壓力不僅受其填土方式影響，而且還會受到其他物力因素影響，例如所填土的容重、內(nèi)摩擦角以及其他相關(guān)物理性能參數(shù)都會在一定程度上影響土壓力的計算。其中土的容重與土壓力成正比關(guān)系，即土壓力會隨著容重的升高而增大，與之相反的是，填土摩擦角與土壓力成反比。因此，在實際進(jìn)行擋土墻設(shè)計的過程中，可以通過選擇適當(dāng)?shù)奶钔敛牧蟻韺崿F(xiàn)對于土壓力的調(diào)整，優(yōu)先選擇無黏性、內(nèi)摩擦角較大的材料作為填土材料，例如粗砂、碎石等。此外，由于實際工程要求，選擇黏性土作為填土材料，則可以通過在擋墻后設(shè)計部分的透水性填料，以此避免由于吸水膨脹導(dǎo)致土壓力增加等問題[1]。

在實際土壓力計算的過程中需要將汽車荷載、人群荷載換算為土層厚度。在進(jìn)行汽車荷載換算的過程中，當(dāng)擋土墻背填土存在車輛荷載作用的情況下，土體中會由此產(chǎn)生一定的附加豎向應(yīng)力，并產(chǎn)生側(cè)向壓力，為計算方便，通常會將汽車荷載換算為與墻后方填土重度和寬度相同的土柱進(jìn)行計算。第一種常用計算公式如公式（1）所示。

式中：ho車為換算的土層厚度，單位為m；q為車輛荷載附加的荷載強(qiáng)度，當(dāng)墻高在2 m以下時，按照20 kN/m2，進(jìn)行計算，當(dāng)墻高在10 m以上時，按照10 kN/m2，進(jìn)行計算，當(dāng)墻高在2 mm～10 m時，使用直線內(nèi)插法進(jìn)行計算；γ為墻背填土的重度。

另一種計算公式如公式（2）所示。

式中：ΣG表示當(dāng)面積為B×lo時車輪的總重力，kN；lo為青后填土破壞棱體的長度，m；B為擋墻的計算長度，m；Bo為前后輪距加輪胎的與地面的接觸長度；H為擋土墻的高度，m；θ為破裂角，°；a為路肩高，m；b為路肩寬，m；α表示擋土墻背與豎直面之間的夾角，°。

在進(jìn)行人群荷載換算的過程中，需要按照以下公式進(jìn)行計算，如公式（3）所示。

式中：h為換算的土層厚度，qr為作用于擋土墻的人群荷載，γ為墻背填土的重度。在進(jìn)行換算的過程中，按照相關(guān)規(guī)定，作用于擋土墻的人群荷載qr標(biāo)準(zhǔn)值為3 kN/m2，在城市人口較為密集的區(qū)域可適當(dāng)將其調(diào)整為標(biāo)準(zhǔn)值的1.15倍。

1.3 拱璧計算

在實際進(jìn)行反拱擋土墻設(shè)計的過程中，為兼顧經(jīng)濟(jì)性以及實用性特點，需要對擋土墻的拱璧進(jìn)行合理設(shè)計，通常情況下，會將拱璧設(shè)計成為等截面圓弧形狀，并對其進(jìn)行力學(xué)計算，確保拱璧設(shè)計符合建筑需求。根據(jù)力學(xué)原理，在進(jìn)行拱璧設(shè)計的過程中，拱璧內(nèi)力主要為軸壓力，盡量減少拱璧內(nèi)部的彎矩，以此保證整體結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度，確保反拱擋土墻具備一定的抗壓能力。

1.4 支柱計算

常見的反拱擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計形式有2種，一種為支撐型，另一種為框架式，不同的反拱擋土墻設(shè)計形式對于支柱的作用力不同，因此在進(jìn)行支柱計算的過程中也需要按照實際結(jié)構(gòu)狀態(tài)情況選擇合適的計算方式。對于框架式的反拱擋土墻而言，其拱璧的設(shè)計使用的多為薄型磚，因此在進(jìn)行彎矩計算的過程中，彈性模量可與帶壁柱剛性條形基礎(chǔ)同樣的方式進(jìn)行計算。

對于有支撐的反拱擋土墻而言，通常情況下，擋土墻的高度相對較小，在擋土墻材料為磚石的情況下，可以按照支柱和拱璧共同作用的形式進(jìn)行計算，即按照等面積等慣性的形式進(jìn)行截面換算，然后再進(jìn)一步進(jìn)行后續(xù)結(jié)構(gòu)方面的分析和計算。在該過程中，如果擋土墻基礎(chǔ)寬度較小，那么可認(rèn)為基礎(chǔ)無彎矩作用，以豎向簡支梁方式進(jìn)行計算[2]。如果基礎(chǔ)寬度較大，那么就會出現(xiàn)抵抗轉(zhuǎn)動剛度，此時需要按照下部嵌固、上部鉸接的豎向梁進(jìn)行計算，在下部嵌固影響之下，支柱下端附加彎矩按照公式（4）進(jìn)行計算。

式中：Mo為按照上端鉸接，下端固結(jié)的單跨豎向梁計算得到的下端固端彎矩，kN·m；E為擋土墻的彈性模量，kN/m2；C為地基的剛度系數(shù)，kN/m2；H為擋土墻的高度，m；d為擋土墻身的折算厚度，m；B指的是擋土墻的基礎(chǔ)折斷寬度，m。

2 工程概況

該文以深圳市國家基因庫項目市政基礎(chǔ)設(shè)施配套一期工程中回車場西側(cè)擋墻變更工程為例，針對其中擋土墻的設(shè)計進(jìn)行分析。由于基因庫建筑方面已提前施工部分擋墻，并改變了該地區(qū)的地形情況，導(dǎo)致原有擋土墻設(shè)計方案已不適用于當(dāng)前實際情況，且相關(guān)單位要求施做垂直擋墻，后期可能根據(jù)使用需要設(shè)置攀巖墻等設(shè)施。在經(jīng)過多次方案修改后，確定將原仰斜式擋墻變更為“雙排樁+扶壁式”擋土墻設(shè)計施工方案。

此外，由于該工程項目的特殊性，總體墻高高達(dá)13.5m，施工現(xiàn)場距離基因庫建筑較近，因此在進(jìn)行雙排灌注樁鉆孔灌注施工作業(yè)的過程中，需要合理安排工序和施工技術(shù)，同時，在實際施工前需要加強(qiáng)對于施工現(xiàn)場的勘察，確保擋土墻基礎(chǔ)下方不存在重要管線，以免影響基因庫建筑的正常使用。

3 實際工程設(shè)計

該工程變更由仰斜式擋墻結(jié)構(gòu)改為雙排樁加扶壁式擋墻結(jié)構(gòu)，為保證工程設(shè)計的科學(xué)性以及合理性，需要做好相應(yīng)工程設(shè)計工作，確保冠梁施工、管組裝施工、配筋作業(yè)、土方回填以及擋墻澆筑設(shè)計，整個反拱擋土墻設(shè)計主要包括以下3個部分。1）雙排灌注樁、冠梁、連續(xù)梁，3個結(jié)構(gòu)共同作為反拱擋土墻基礎(chǔ)，在實際進(jìn)行雙排樁以及配筋設(shè)計的過程中，需要結(jié)合施工現(xiàn)場實際情況、擋土墻高度以及現(xiàn)場地層情況進(jìn)行科學(xué)合理地設(shè)計，并按照公式（1）進(jìn)行支柱下端附加彎矩的計算，確保反拱擋土墻設(shè)計符合實際工程需求。在進(jìn)行鋼筋綁扎施工的過程中，需要嚴(yán)格按照相應(yīng)圖紙進(jìn)行施工作業(yè)，保證鋼筋捆扎牢固，同時，做好混凝土澆筑以及振搗施工等工作，在實際進(jìn)行振搗的過程中，保證振搗時間持續(xù)10 s～15 s，控制好振搗的速度，快插慢拔，確保混凝土表面無氣泡存在。此外，值得注意的是，為確保整體施工質(zhì)量，聯(lián)系梁的主筋錨入冠梁的長度需要在35d以上。根據(jù)擋土墻尺寸、現(xiàn)場實際情況以及項目施工需求進(jìn)行鉆孔灌注樁以及冠梁、連梁工程量設(shè)計。鉆孔灌注樁工程數(shù)量信息見表1。冠梁、連梁工程數(shù)量信息如表2所示，與鉆孔灌注樁相同，冠梁和連梁也使用的是C30混凝土。2）為面板設(shè)計部分，不僅要對面板的工程數(shù)量進(jìn)行合理設(shè)計，同時還需要對鉆孔灌注樁與面板之間的連接進(jìn)行設(shè)計。每10 m的面板工程數(shù)量表見表3，采用C30混凝土14 m3，結(jié)合實際工程情況，共設(shè)置8個泄水孔。鉆孔管控灌注樁與面板連接大樣圖如圖1所示，明確標(biāo)注了鉆孔灌注樁與面板連接情況以及相應(yīng)位置關(guān)系和相關(guān)配筋要求，圖中均為C30砼挖孔樁，左側(cè)需設(shè)置直徑為Φ10 mm的拉結(jié)筋，值得注意的是，在進(jìn)行植筋設(shè)置的過程中，需要確保其彎折程度在300mm以上。3）這一部分是整個反拱擋土墻設(shè)計的要點內(nèi)容，主要是作為上部擋土墻結(jié)構(gòu)。在進(jìn)行擋土墻施工過程中，為保證整體質(zhì)量需要采用鋼性連接方式，在保證高度符合要求的前提下，加強(qiáng)對于擋土墻剛度以及穩(wěn)定性的控制，確保整體結(jié)構(gòu)的可靠性。

圖1 鉆孔灌注樁與面板連接大樣圖

表1 鉆孔灌注樁工程數(shù)量表（每延米）

表2 冠梁、連梁工程數(shù)量表（每延米）

表3 面板每10m工程數(shù)量表（以高度7.0m計算）

結(jié)合工程項目實際需求，在實際進(jìn)行設(shè)計施工的過程中需要注意4個要點：1）結(jié)合實際工程需求，確定鋼筋砼擋墻強(qiáng)度等級為C30，保護(hù)層厚度設(shè)計大于50 mm。2）反拱擋土墻泄水口使用的是規(guī)格為Φ100 mm的PVC管材，按照2.5m間距采用梅花型布設(shè)方式，為保證排水順暢，需要泄水孔向外傾斜一定坡度，坡度設(shè)置為5%；另外，在埋設(shè)最低一排的泄水口時，需要保證出水口位置比地面高20 cm以上，同時在最低排泄水孔的下部夯填20 cm厚的黏土隔水層；最后為避免出現(xiàn)堵塞問題，確保所排出的水清澈，還需要在泄水口進(jìn)口位置設(shè)置反濾層。泄水口大樣圖如圖2所示，明確標(biāo)注了鋼筋砼面板設(shè)置的位置、距離、土工布包裹要求以及相關(guān)距離設(shè)置，為保證泄水孔施工質(zhì)量，不僅要使用土工布將Φ100 mm盲管包裹起來，同時還要用塑料花板蓋住管孔，此外，還需要反包2層土工布，并采用梅花型方式進(jìn)行泄水管的布置。3）為保證整體施工效果和質(zhì)量，需要在擋土墻每隔20 m的位置設(shè)置1條變形縫，另外還需要在墻身高度變化的位置設(shè)置變形縫，以此避免由于各種原因引發(fā)變形時影響到反拱擋土墻整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性；通常情況下變形縫的寬度需要控制在20 mm～30 mm，并且在變形縫內(nèi)沿墻做好相應(yīng)保護(hù)措施，需要在內(nèi)、外、頂三邊塞入瀝青麻筋或者涂瀝青木板，為保證施工效果，需要確保材料塞入深度在200 mm以上。4）為保證反拱擋土墻的排水性能，墻后填土需要選擇具有一定透水性能的砂類土，由于施工現(xiàn)場實際情況或者材料限制，選擇黏性土作為填土材料的情況下，需要在其中摻入適量的其他材料，以調(diào)和黏土的透水性，通常會向黏性土中添加30%以上的砂礫或者碎石，此外，在保證漿砌圬工強(qiáng)度在70%以上的情況下，擋土墻后方填料也可以采用分層填筑的方式，確保填料夯實穩(wěn)定、符合施工要求即可，在碾壓過程中，需要確保填料的密實程度在0.9以上，以保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性。5）為保證施工質(zhì)量，在進(jìn)行澆筑施工的過程中，需要嚴(yán)格按照國家相關(guān)規(guī)范和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求進(jìn)行施工作業(yè)。

圖2 泄水孔大樣圖（單位：mm）

4 結(jié)語

綜上所述，反拱擋土墻由于其具有結(jié)構(gòu)穩(wěn)定、承載力充足以及較好的防水防潮效果，因此在建筑工程中有著較好的應(yīng)用效果，而且相較于傳統(tǒng)擋土墻施工，極大地減少了工程量，具有較好的經(jīng)濟(jì)效益。在實際進(jìn)行反拱擋土墻設(shè)計的過程中，需要結(jié)合現(xiàn)場實際施工情況做好每個環(huán)節(jié)和數(shù)據(jù)的設(shè)計，保證整體工程質(zhì)量。對反拱擋土墻不斷進(jìn)行研究和應(yīng)用，我國建筑工程水平將會得到進(jìn)一步提升。