衡重式與扶壁式擋土墻穩(wěn)定性對比分析

陳彥剛 CHEN Yan-gang

（昆明喆凱工程技術有限公司，昆明 650500）

0 引言

衡重式擋土墻作為我國特有的一種巖土支護結構，在西部山區(qū)道路建設中起著重要作用，但是西部山區(qū)多處于高烈度地震帶，地勢情況復雜，而衡重式擋土墻因其自重較大，地基要求較高等原因，在地勢環(huán)境變化較大的地區(qū)易出現病害，而后病害又會導致道路受損、橋梁破壞、邊坡失穩(wěn)等，嚴重影響了公路和橋梁的安全運營，危害人民群眾的生命和財產安全。目前，因規(guī)范尚不完善，設計、施工互為獨立等多方面的原因，使得擋土墻的設計依賴于設計師的經驗以及現有圖集，這會造成設計方案始終無法完美契合現場情況，易使擋土墻在安全性和耐久性上出現問題，為了修復設計、施工中的缺陷，解決出現的安全性問題，又會耗費大量的人力物力財力，造成更大的損失[1]。因地制宜的選擇合適的擋墻形式或設計優(yōu)化方法能夠在保證道路、橋梁安全運營的同時節(jié)省造價，降低經濟損耗，這對于日后的基礎設施建設有著重要的意義[2]。

本文通過對某公路一處擋土墻的改造設計，分析了該擋土墻的損害原因，并結合項目情況，制定了全新的擋墻方案，通過對比兩種方案計算結果，分析得出不同擋墻的適用情況及優(yōu)缺點，并針對此類情況指出現階段擋土墻的設計缺陷，討論一些解決辦法。為今后該類項目的設計提供部分設計參考。

1 項目概況

1.1 項目背景

本文依托某公路一處衡重式擋土墻，該擋土墻由于發(fā)生一定程度的傾覆，已屬于不穩(wěn)定狀態(tài)，有較大的安全隱患，通過對擋墻周邊路基進行采樣分析后，擬定傾覆原因為原設計對地基承載力的估算不足，以及施工過程中對地基沉降不利因素的考慮不足，使得地基不均勻沉降過大，導致擋墻地基承載力不足，最終擋土墻失穩(wěn)、傾覆。為了修復該擋土墻失穩(wěn)導致的安全隱患，設計單位通過實地考察，綜合考慮區(qū)域地形、地址、生態(tài)環(huán)境、施工條件、氣候變化等多種影響因素，并結合道路的設計方案以及前期勘探結果，最終商討決定對原設計的衡重式擋土墻進行拆除，重新選擇扶壁式擋土墻作為支護結構[3]。

1.2 理論依據

為了驗證方案的有效性，先應對擋土墻進行受力分析，然后根據擋土墻的受力情況選擇合理的理論和模型假定對方案進行計算。

擋墻的差異主要表現在對墻后荷載的抵抗能力及抵抗形式上，因此，擋墻的計算最重要的便是荷載的模擬。目前，工程界認為擋土墻上的荷載變化是由土壓力和墻后填土超載所造成的，現階段常用的計算理論主要有庫倫定理和朗肯理論，兩種理論對力學模型的假定和工程實踐中的擋土墻墻后土壓力有一定的誤差，庫侖、朗肯計算土壓力的經典理論都假定了滑裂面為同一平面，在一些工程實際情況下或者復雜的地質條件下，滑移面往往都是復雜的曲面，由此會導致計算誤差偏大或者偏小，用庫倫公式在計算主動土壓力時，對墻背的傾覆角計算值會隨傾覆角的增大而增大，而計算被動土壓力時，會因為滑裂面的假定導致誤差較大，也會隨著摩擦角的增大而增大，誤差有可能式幾倍或者是幾十倍。朗肯理論因假定墻背豎直，光滑，填土面水平，主動土壓力的計算值會偏大，被動土壓力與實際相差不大。但是由兩大理論計算出的擋土墻在工程的實際表現來看，產生的誤差在工程設計允許的誤差內，所以兩大理論一直是常規(guī)擋土墻的設計理論基礎[4]。

考慮到本項目擋土墻地基承載力不足，地基沉降較大，墻背的不均勻傾斜也較為明顯，因此本文將采用庫倫定理計算擋墻的受力，并對比分析。

2 結果對比

原設計的衡重式擋土墻設計過程中，考慮的地基承載力設計值為360kPa，由于項目位于山區(qū)路段，氣候多變，未考慮因大量雨水下滲（路面結構層施工前多日大雨，降雨量較大）造成地基持力層承載力降低，產生不均勻沉降，引起滑移、傾覆，因此對于加固擋土墻設計可以從增加地基承載力方向考慮，但因現擋墻發(fā)生較大角度的傾覆，且公路路面已基本施工完成，對現有衡重式擋土墻進行加固時，無法控制對現有路面的破壞，并且加固成本較高，加固后的耐久性也無法保證，綜合考慮后，設計單位決定放棄該種加固方法，換為拆除現有擋土墻更換為扶壁式擋土墻。原設計衡重式擋土墻高H=11m，擋墻墻背內摩擦角30°，擋墻斷面如圖1所示。

圖1 原方案擋墻斷面圖

墻身截面尺寸是擋土墻設計的重要指標，主要包括墻高、上墻高度、衡重臺寬度、面坡傾角、墻背坡坡度等參數，具體尺寸如表1所示。

表1 原方案擋墻尺寸

在擋墻設計計算中，使用理正軟件輔助進行計算，對擋土墻進行二維建模計算，確定擋土墻的墻身尺寸后，采用公路行業(yè)現行標準進行計算，加載位置在距離墻頂4.4m處，均布荷載qk=10kPa，下墻土壓力計算方法采用多邊形法，墻背和墻后填料摩擦角取值為15°。

表2為計算結果，擋墻抗滑移安全系數為1.372＞1.3，抗傾覆安全系數為2.724＞1.3，墻趾地基承載力驗算346.557kPa＜360.000kPa，墻踵處地基承載力317.695kPa＜360.000kPa，滿足邊坡規(guī)范要求。

表2 計算結果表

扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，構造簡單，施工方便，墻身斷面減小，自身質量輕，由墻面板（立壁）、墻蹱板、墻趾板和扶肋（扶壁）組成，沿懸臂式擋土墻的墻長，每隔一定的距離增設扶肋，把墻面板和墻蹱板連接起來，扶壁式擋土墻的斷面圖及尺寸如圖2所示。

圖2 扶壁式擋土墻圖

計算過程仍采用理正軟件輔助進行計算。計算結果如表3所示。

表3 計算結果表

表3計算結果，擋墻抗滑移安全系數為2.951＞1.3，抗傾覆安全系數為8.363＞1.3，墻趾地基承載力驗算196.205kPa＜300.000kPa，墻踵處地基承載力231.751kPa＜300.000kPa，滿足邊坡規(guī)范要求。

將兩種擋土墻的計算結果進行比較，如圖3所示。從圖3中可看出，雖然扶壁式擋土墻的截面面積更小，但其抗滑穩(wěn)定性和傾覆穩(wěn)定性要優(yōu)于衡重式擋土墻，且扶壁式擋土墻的墻趾壓應力和墻踵壓應力也更小，使得結構更不容易發(fā)生局部破壞，耐久性更好。

圖3 結果比較圖

綜上所述，對于本工程而言，扶壁式擋墻的整體力學性能優(yōu)于衡重式擋土墻，改用扶壁式擋土墻是較好的解決方案。

3 現階段擋土墻存在的問題

目前的擋墻設計主要是設計師依據自身的經驗來確定擋土墻種類，然后依據當地的水文狀況、墻體后面的土質狀況等因素，對斷面進行估算，并對其進行初步的規(guī)劃，然后進行滑移、傾覆、整體穩(wěn)定性的校核，若達不到要求，則需要進行反復的設計，如此反復，直至達到規(guī)范要求的結果，這種方法對設計者來說，實在是太過依靠經驗了，反復的過程損失了大量的精力。設計過程中過于依賴圖集和原先的設計成果，反復采用一系列的方案，忽略了地基承載力等關鍵因素，截面尺寸統(tǒng)一選擇同一尺寸，忽略了項目本身的特點，如墻背填土的力學性能，最后不僅在經濟上造成損失，還有可能造成安全隱患，施工階段，施工方以自身的施工經驗出發(fā)，可能忽略了設計師的主觀意圖，在施工環(huán)境惡劣的情況下，不及時通知設計單位，進行盲目處理，最終造成施工質量問題。

4 結論

本文通過對某公路一處擋土墻修復前后結構形式的計算分析，得出結論如下：

①擋土墻的設計受多種因素的影響，其類型取決于擋土墻的高度，而墻后填土的物理參數、擋土墻斷面尺寸是控制計算結果的主要參數，但結合本文計算結果，地基對擋土墻的影響同樣不同忽視。

②在合理范圍內，要盡量使地基的壓應力均勻分布，減小墻趾、墻踵壓應力比值，避免出現地基的局部破壞，設計過程中應充分考慮施工誤差，留有足夠的安全富余值。

③在實際工程中，應結合工程實際，設計合理的擋墻形式及斷面大小，充分考量危險因子，最大限度地降低和消除施工中存在的安全隱患，保證擋土墻的安全性和可靠性。

④擋土墻作為一種結構形式，在國內還沒有得到很好的發(fā)展，有關的技術規(guī)范、技術手冊、應用軟件和程序等方面的資料尚不完善，說明整個行業(yè)對它的重視程度還不高，還有待進一步的發(fā)展，相關的研究文獻較少，關于擋土墻的整體分析和抗震理論的處理也很少，可能是因為它的應用范圍和研究的深度不夠深，所以在安全和經濟方面，仍然存在著巨大的發(fā)展空間。