景觀石擋土墻的生態(tài)結(jié)構(gòu)與受力分析

陳久武，劉名堅(jiān)

（浙江綠藝建設(shè)有限公司，浙江 溫州 325000）

擋土墻指支承在地基填土或山坡土體上，防止填土或土體變形失穩(wěn)的構(gòu)造物。擋土墻根據(jù)受力情況可分為多種，其中重力式擋土墻是最常見、應(yīng)用最廣泛的一種，它是以擋土墻自身重力來維持擋土墻在土壓力作用下的穩(wěn)定，在鐵路、公路、水利、港灣、礦山、市政等工程中得到廣泛的應(yīng)用。這些傳統(tǒng)的擋土墻僅僅只起到保護(hù)水土流失和穩(wěn)定工程結(jié)構(gòu)的作用，缺少生態(tài)保護(hù)和美化環(huán)境的作用。

生態(tài)擋土墻是一種既能起到滿足工程結(jié)構(gòu)需要，又兼具生態(tài)環(huán)保、景觀功能的擋土墻。現(xiàn)有許多種類的所謂生態(tài)擋土墻也僅在漿砌塊石和混凝土預(yù)制塊等結(jié)構(gòu)的空隙里種植一些花木，花木生存空間小、養(yǎng)護(hù)工作量大、生態(tài)功能有限，如增加花木的種植空間，則可能帶來工程結(jié)構(gòu)的安全隱患，故生態(tài)與安全雙方難以全面統(tǒng)籌兼顧，這對(duì)于以工程結(jié)構(gòu)為主的擋土墻顯然難以充分具備生態(tài)功能[1]。

浙江綠藝建設(shè)有限公司在溫州市某社會(huì)福利中心工程景觀附屬工程等園林化小區(qū)景觀石擋土墻施工中，采用景觀石和拱形結(jié)構(gòu)，大面積種植花木，將工程結(jié)構(gòu)受力和景觀美化高度融合，最大限度地發(fā)揮了擋土墻的生態(tài)功能，取得了良好效果，如圖1所示。

圖1 溫州市某社會(huì)福利中心生態(tài)擋土墻完工圖

1 設(shè)計(jì)計(jì)算

景觀石生態(tài)擋土墻結(jié)構(gòu)示意圖和受力計(jì)算如圖2所示，景觀石擋土墻設(shè)置在作為工程結(jié)構(gòu)的普通擋土墻外。本文用Midas有限元軟件進(jìn)行計(jì)算，拱形計(jì)算模型分梯形和矩形2種情況。

圖2 景觀石生態(tài)擋土墻結(jié)構(gòu)示意圖和受力計(jì)算圖式

1.1 梯形計(jì)算模型

梯形計(jì)算模型如圖3所示，Midas Civil實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為14 091，單元數(shù)為12 000。

圖3 梯形計(jì)算模型

景觀石生態(tài)擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸及材料特性如下：拱形截面為梯形，砌筑磚為尺寸為240 mm×115 mm×53 mm的實(shí)心黏土標(biāo)準(zhǔn)磚，上底寬0.3 m，下底寬0.5 m，高1.0 m，凈跨徑2.0 m，矢高0.3 m，拱形為懸鏈線。拱形后填黏性土，土壓力沿拱形結(jié)構(gòu)高度線性分布[2]，拱形截面底部最大土壓力為3.0 kN/m2。

主要材料特性如表1所示。

表1 主要材料特性表

1.2 計(jì)算結(jié)果

位移和應(yīng)力如圖4所示。豎向地基最大位移為55 mm，拱形徑向最大位移為55 mm，徑向位移與跨徑比55/2 000=11/400=0.0275。拱形結(jié)構(gòu)跨中最大壓應(yīng)力為11.43MPa，與景觀石相接處最大拉應(yīng)力為34.791kPa。

景觀石相接處最大反力：Fx=197 kN，F(xiàn)y=0.0396 kN，如圖5所示。計(jì)算結(jié)果符合設(shè)計(jì)要求。

圖4 位移和應(yīng)力

圖5 景觀石拱腳處最大反力

1.3 矩形計(jì)算模型

矩形計(jì)算模型如圖6所示，用Midas GTSNX有限元軟件計(jì)算，實(shí)體單元節(jié)點(diǎn)數(shù)為1 188，單元數(shù)為4 726。

拱形截面為矩形水泥穩(wěn)定土（5%），上底寬0.2 m，下底寬0.2 m，高0.5 m，凈跨徑0.8 m，矢高0.2 m，拱形為懸鏈線。主要材料特性同表1。

圖6 矩形計(jì)算模型

豎向地基最大位移為53 mm，拱形徑向最大位移為27 mm，徑向位移與跨徑比27/800=27/800=0.034，如圖7所示。

圖7 豎向位移和徑向位移

土拱跨中最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和景觀石處最大壓應(yīng)力如圖8所示。土拱跨中最大壓應(yīng)力為984 kPa，最大拉應(yīng)力為75 kPa，與景觀石相接處最大拉壓應(yīng)力為25 kPa。

圖8 土拱跨中最大壓應(yīng)力、拉應(yīng)力和景觀石處最大壓應(yīng)力

景觀石相接處最大反力：Fx=1.97 kN/m2，F(xiàn)y=2 kN/m2，如圖9所示。

圖9 景觀石拱腳處最大反力

由以上計(jì)算可知，水泥穩(wěn)定土（5%）拱形結(jié)構(gòu)符合設(shè)計(jì)要求。

經(jīng)計(jì)算，一般的黏性土或沙土，當(dāng)2個(gè)景觀石間距小于60 cm、高度小于50 cm時(shí)，不需要設(shè)置專門的拱形結(jié)構(gòu)，回填土土體形成的自然土拱即可符合要求。這是現(xiàn)有景觀石間距較小時(shí)，不需要設(shè)置專門的拱形結(jié)構(gòu)的原因。

2 經(jīng)濟(jì)效益

景觀石生態(tài)擋土墻相隔一定距離設(shè)置景觀石，景觀石之間的拱形結(jié)構(gòu)拱軸線擬合填土形成土拱的形狀，利用土拱效應(yīng)提供免費(fèi)的預(yù)應(yīng)力，將橫向土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向推力，從而節(jié)約工程材料，提高了安全性能。景觀石生態(tài)擋土墻的拱形結(jié)構(gòu)為受壓結(jié)構(gòu)，可利用城市房屋拆遷的建筑磚塊，這些廢棄的建筑磚塊經(jīng)試驗(yàn)合格并清理后可以再次使用，每平方米生態(tài)擋土墻減少費(fèi)用30元以上。當(dāng)2個(gè)景觀石間距小于60 cm、高度小于50 cm時(shí)，填筑一般的黏性土或沙土，生態(tài)擋土墻不需要設(shè)置專門的拱形結(jié)構(gòu)，回填土土體形成的自然土拱即可符合要求，生態(tài)環(huán)保節(jié)約工程造價(jià)[3]。景觀石態(tài)擋土墻種植適合花木生長的種植土覆蓋于整個(gè)拱形結(jié)構(gòu)，其上種植花木，將工程結(jié)構(gòu)受力和景觀美化高度融合而發(fā)揮生態(tài)功能以及與景觀美化融合在一起，發(fā)揮巨大的環(huán)保效益。同時(shí)利用了廢棄的建筑磚塊，環(huán)保節(jié)能，效益顯著。

3 結(jié)語

景觀石生態(tài)擋土墻相隔一定距離的設(shè)置若干塊景觀石，景觀石與拱形結(jié)構(gòu)結(jié)合處切割、開鑿成土拱拱腳的角度，具有結(jié)構(gòu)受力和景觀的雙重功能。

景觀石生態(tài)擋土墻每相鄰2塊景觀石之間的拱形結(jié)構(gòu)，拱軸線擬合其后填土形成土拱的形狀，利用土拱效應(yīng)提供免費(fèi)的預(yù)應(yīng)力，將橫向土壓力轉(zhuǎn)變?yōu)榭v向推力，從而節(jié)約工程材料，提高了安全性能。

景觀石生態(tài)擋土墻化重為輕、以虛代實(shí)，種植土覆蓋于整個(gè)拱形結(jié)構(gòu)內(nèi)外和上部，大面積種植適宜花木，將工程結(jié)構(gòu)受力、景觀美化和生態(tài)環(huán)保有機(jī)融合在一起。