淺談重力式擋墻的穩(wěn)定性及其影響因素

林觀茂

（景森設(shè)計股份有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524002）

0 引言

擋墻是指為防止土體坍塌，用來支擋墻后土體并承受來自墻后土壓力的構(gòu)筑物。根據(jù)結(jié)構(gòu)形式的不同，擋墻可分為重力式擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、樁板式擋墻等。其中，重力式擋墻依靠自身重力就能使邊坡保持穩(wěn)定，具有結(jié)構(gòu)簡單、施工方便、可就地取材等優(yōu)點(diǎn)，因此在工程上被廣泛應(yīng)用。為了確保重力式擋墻應(yīng)用的穩(wěn)定性，確保工程的建設(shè)和使用效果，本文從土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料等方面分析重力式擋墻穩(wěn)定性的影響因素。

1 重力式擋墻的穩(wěn)定性

重力式擋墻的設(shè)計一般采用試算法，即先根據(jù)擋墻所處的條件和要求（包括工程性質(zhì)、墻后土體性質(zhì)、荷載情況、建筑材料、施工條件等），憑經(jīng)驗(yàn)初步擬定擋墻形狀和截面尺寸，然后進(jìn)行擋墻的驗(yàn)算（包括擋墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算、地基的承載力驗(yàn)算、抗震工況驗(yàn)算等），如不滿足要求，則改變擋墻形狀、截面尺寸或采取其他措施。擋墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算包括抗滑移穩(wěn)定性及抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，是重力式擋墻設(shè)計中非常重要的一環(huán)。

（1）重力式擋墻的抗滑移穩(wěn)定。擋墻滑移是指擋墻在墻背土壓力作用下可能沿著墻底發(fā)生滑動破壞，要保證擋墻的抗滑移穩(wěn)定性，必須要求抗滑力和滑動力之比不小于1.3。地震工況時，重力式擋土墻的抗滑移穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.1。

（2）重力式擋墻的抗傾覆穩(wěn)定。擋墻傾覆是指擋墻在墻背土壓力作用下可能繞墻趾向前發(fā)生轉(zhuǎn)動而傾覆，要保證擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性，必須要求抗傾覆力矩和傾覆力矩之比不小于1.6。地震工況時，重力式擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)不應(yīng)小于1.3。

2 重力式擋墻穩(wěn)定性的影響因素

影響重力式擋墻穩(wěn)定性的因素十分復(fù)雜。對此，國內(nèi)外學(xué)者已進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究以及模擬計算[1-3]。在此，筆者分析總結(jié)得出以下幾個重要的影響因素。

2.1 土壓力的計算

擋墻所受到的土壓力類型，根據(jù)墻體是否發(fā)生位移以及位移方向，可分為主動土壓力、靜止土壓力以及被動土壓力。

當(dāng)擋墻靜止不動，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)時，作用在墻背上的土壓力稱為靜止土壓力。地下室外墻所承受的土壓力就屬于靜止土壓力。

當(dāng)擋墻在土壓力作用下離開土體向前位移，墻后土體達(dá)到主動極限平衡狀態(tài)時，作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力。支擋土體的擋墻所承受周圍填土的側(cè)壓力一般屬于主動土壓力。

當(dāng)擋墻在外力作用下推擠土體向后位移，墻后土體達(dá)到被動極限平衡狀態(tài)時，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力。如橋臺受到橋上荷載推向土體時，土對橋臺產(chǎn)生的側(cè)向土壓力屬于被動土壓力。

重力式擋墻的失穩(wěn)破壞很多情況是因?yàn)橥翂毫τ嬎悴粶?zhǔn)。一般采用朗肯土壓力理論或者庫侖土壓力理論來計算擋墻土壓力，但兩者分別有不同的假設(shè)條件。

朗肯土壓力理論的基本假定有：（1）墻本身是剛性，不考慮墻身的變形；（2）墻后填土表面水平；（3）擋土墻墻背豎直、光滑。由此計算出的土壓力為水平方向的力，如圖1所示。

圖1 朗肯土壓力作用方向示意圖

但是實(shí)際的墻背并不光滑，即墻背與填土之間的摩擦角并不為0，所以實(shí)際土壓力不水平。由墻后填土的運(yùn)動情況可判斷出主動土壓力方向?yàn)樾毕拢粍油翂毫Ψ较驗(yàn)樾鄙希鐖D2和圖3所示。

圖2 實(shí)際情況下的朗肯主動土壓力作用方向示意圖

圖3 實(shí)際情況下的朗肯被動土壓力作用方向示意圖

庫侖土壓力理論的基本假定有：（1）墻后填土為無黏性土，擋土墻為剛性的；（2）滑動破壞面為通過墻踵的平面；（3）滑動土楔體視為剛體；（4）滑動土楔體整體處于極限平衡狀態(tài)，剪應(yīng)力均已達(dá)到抗剪強(qiáng)度。庫侖土壓力理論的滑動土楔體如圖4所示。

圖4 庫侖土壓力理論的滑動土楔體示意圖

但是實(shí)際滑裂面不一定是平面，用平面來代替曲面，所計算得到的滑動土楔體面積必然與實(shí)際情況有所不同，從而導(dǎo)致計算得到的土壓力與實(shí)際情況有偏差。

故前述兩種土壓力理論的土壓力計算結(jié)果并不完全正確。《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）[4]條文說明第6章指出，庫侖土壓力理論計算主動土壓力比較接近實(shí)際，但計算被動土壓力誤差較大；朗肯土壓力理論計算主動土壓力偏于保守，但計算被動土壓力反而偏小。在實(shí)際應(yīng)用中，建議用庫侖土壓力理論計算主動土壓力，用朗肯土壓力理論計算被動土壓力。

根據(jù)庫侖土壓力理論的平面滑裂面假定，主動土壓力可按下列公式計算：

式中：

γ——墻后填土的重度；

H——擋墻高度；

Ka——庫侖主動土壓力系數(shù)。

由上述公式可知，主動土壓力與墻后填土的重度成正比，與擋墻高度的平方成正比，故應(yīng)控制墻后填土的重度以及擋墻高度，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）[4]指出，采用重力式擋墻時，土質(zhì)邊坡高度不宜大于10m，巖質(zhì)邊坡高度不宜大于12m。

但是上述理論所計算的土壓力是基于極限平衡理論，要求支護(hù)結(jié)構(gòu)發(fā)生一定的側(cè)向變形。對于高大的重力式擋墻，通常不允許出現(xiàn)達(dá)到極限平衡狀態(tài)的位移值，因此土壓力計算時應(yīng)考慮增大系數(shù)，擋墻高度5～8m時增大系數(shù)宜取1.1，擋墻高度大于8m時增大系數(shù)宜取1.2。

2.2 墻背傾斜情況

根據(jù)墻背傾斜情況，重力式擋墻可分為仰斜式擋墻、直立式擋墻、俯斜式擋墻和衡重式擋墻等類型，如圖5所示。

圖5 重力式擋墻的墻背傾斜類型

在同等條件下，擋墻的主動土壓力以仰斜式最小，直立式居中，俯斜式最大，故仰斜式擋墻的穩(wěn)定性較高。當(dāng)邊坡為挖方邊坡，仰斜式擋墻的墻背可與邊坡坡面緊密結(jié)合，因此挖方邊坡的重力式擋墻設(shè)計成仰斜式較為合理。當(dāng)邊坡為填方邊坡，采用直立式或俯斜式擋土墻則有利于墻后填土夯實(shí)。衡重式擋墻能利用衡重臺上部填土的重力而使墻體重心后移，以此抵抗土體側(cè)壓力，增強(qiáng)擋墻的穩(wěn)定性，在高度較大的邊坡工程中常被采用。

2.3 墻后填土積水問題

如果擋墻排水不良，雨水會滲入墻后，使得墻后填土的抗剪強(qiáng)度降低，對擋墻穩(wěn)定性產(chǎn)生不利影響。墻后填土積水時，還會對擋墻產(chǎn)生靜水壓力，使得作用于擋墻的側(cè)向壓力增加，對擋墻穩(wěn)定性更加不利，如圖6所示。因此，擋土墻必須采用良好的排水措施，如在墻后設(shè)置截水溝以及在墻身設(shè)置泄水孔等。

圖6 擋墻的側(cè)向壓力示意圖

2.4 擋墻基底逆坡

擋墻在墻后土壓力作用下向前位移時，墻腳會受到墻前土的被動土壓力作用，被動土壓力有利于增加擋墻的抗滑移穩(wěn)定性和抗傾覆穩(wěn)定性。當(dāng)擋墻基礎(chǔ)的底面做成逆坡時，被動土壓力會增大，從而使擋墻的穩(wěn)定性增加，如圖7所示。

圖7 擋墻基底逆坡示意圖

但擋墻基底逆坡的坡度過大會導(dǎo)致墻踵陷入地基中，也會使保持擋土墻墻身的整體性變得困難。為了避免這一情況，《建筑邊坡工程技術(shù)規(guī)范》（GB 50330-2013）[4]規(guī)定，重力式擋土墻在土質(zhì)地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶10，在巖質(zhì)地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶5。

2.5 墻后填料問題

擋墻后面的填土應(yīng)優(yōu)先選擇抗剪強(qiáng)度高和透水性較強(qiáng)的填料，以降低墻后土壓力的作用，從而使擋墻的穩(wěn)定性增加。當(dāng)采用黏性土作墻后填料時，宜摻入適量的砂礫或碎石。不應(yīng)采用淤泥質(zhì)土、耕填土、膨脹性黏土等軟弱有害的巖土作墻后填料。

3 結(jié)束語

通過對重力式擋墻的穩(wěn)定性及其影響因素進(jìn)行分析，可以充分地認(rèn)識到，土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料對重力式擋墻的穩(wěn)定性都有影響，其影響機(jī)理也非常復(fù)雜。總之，重視重力式擋墻的穩(wěn)定性，就是重視相關(guān)土木工程的質(zhì)量，就是重視工程的建設(shè)和使用效果。