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淺析山區公路擋土墻設計
導語：一般地區擋土墻根據擋土墻的設置位置不同，分為路肩墻、路堤墻、路塹墻和山坡墻等。設置于路堤邊坡的擋土墻稱為路堤墻;墻頂位于路肩的擋土墻稱為路肩墻;設置于路塹邊坡的擋土墻稱為路塹墻;設置于山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆蓋層土體或破碎巖層的擋土墻稱為山坡墻。
1前言
公路擋土墻是用來支承路基填土或山坡土體，防止填土或土體變形失穩的一種構造物。在路基工程中，擋土墻可用以穩定路堤和路塹邊坡，減少土石方工程量和占地面積，防止水流沖刷路基，并經常用于整治坍方、滑坡等路基病害。
擋土墻的形式多種多樣，按其結構特點，可分為：石砌重力式、石砌衡重式、加筋土輕型式、砼半重力式、鋼筋砼懸臂式和扶壁式、柱板式、錨桿式、錨定板式及垛式等類型;按其中路基橫斷面上的位置，又可分：路肩墻、路堤墻及路塹墻;按所處的環境條件，又可分為：一般地區擋墻、浸水地區擋土墻及地震地區擋土墻。考慮擋土墻設計方案時，應與其他工程方案進行技術經濟比較，分析其技術的可行性、可靠性及經濟的合理性，然后才確定設計方案，并根據實際情況進行擋土墻的選型。
在山區公路中，由于地形條件更為復雜，地勢更為陡峭，因此，擋土墻的應用更為廣泛。近幾年來，筆者參加了二十多段、共三百多公里的山區公路(二、三級)的設計，主要負責路基防護工程，特別是擋土墻的設計，對山區公路擋土墻的設計積累了一定的經驗與體會，在此提出，僅供同類工程設計時參考。
2擋土墻設計的基礎資料及設計參數
2.1基礎資料
擋土墻設計時，必須具備以下資料：路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖，地質資料(包括工程地質勘察報告、工程物探報告)，地震勘探報告，水文資料，總體設計資料及構造物一覽表等。
2.2設計參數的選取
2.2.1墻背填料的物理力學性質對于山嶺重丘二、三級公路的擋土墻設計，當缺乏試驗數據時，填料的計算內摩擦角及容重可參照表1及表2選用：
表1填料內摩擦角ψ參考值|
土的種類 |
塊石 |
大卵石、碎石類土 |
小卵石、礫石、粗砂、石屑 |
中、細砂、砂質土 |
粉砂 |
粘土 |
|
內摩擦角（°） |
45 |
40 |
35 |
30 |
26 |
14-21 |
|
土的種類 |
礫石、碎石、礫質土 |
砂、砂質土 |
粉土、粘性土 （ωl<50%） |
石灰土 （石灰10%） |
粉煤灰 |
|
容重（KN/m3） |
20 |
19 |
18 |
18 |
15 |
對于漿砌片石墻體、排水條件良好，均可采用δ=ψ/2。
2.2.3基底摩擦系數基底摩擦系數μ應依據基底粗糙程度、排水條件和土質確定。
2.2.4地基容許承載力地基容許承載力可按照《公路設計手冊·路基》及有關設計規范規定選取。
2.2.5建筑材料的容重根據有關設計規范規定選取。
2.2.6砌體的容許應力和設計強度根據有關設計規范規定選取。
2.2.7砼的容許應力和設計強度根據有關設計規范規定選取。
3擋土墻的選型
3.1材料選擇
漿砌片石擋土墻取材容易，施工簡便，適用范圍比較廣泛。山區公路中，石料資源較為豐富，在擋土墻高≤10米時，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好地滿足經濟、安全方面的要求。
3.2截面形式選擇
根據擋土墻結構類型及其特點分析，當墻高<5時，采用重力式擋土墻，可以發揮其形式簡單，施工方便的優勢。同時，由于山區公路地面橫坡比較陡峭，若采用仰斜式擋土墻，會過多增加墻高，斷面增大，造成浪費，采用俯斜式擋土墻會比較經濟合理。一般在路塹墻、墻趾處地面平緩的路肩墻或路堤墻等情況下，才考慮采用仰斜式擋土墻。當墻高≥5且地基條件較好時，采用衡重式擋土墻，可以有效地減小截面，節省材料。
3.3位置選擇
在挖方邊坡比較陡峭時，采用路塹擋土墻，可以降低邊坡高度，減少山坡開挖，避免破壞山體平衡;在地質條件不良情況下，還可以支擋可能坍滑的山坡土體。
對于采用路肩擋土墻或路堤擋土墻，應結合具體條件考慮，必要時應作技術經濟比較。因為路堤擋土墻承受荷載較大，受力條件較為不利，截面尺寸也較大，所以錄路堤墻與路肩墻的墻高或截面污工數量較為接近，基礎情況相仿時，采用路肩墻比較有利。
4土壓力的計算
擋土墻設計的經濟合理，關鍵是正確地計算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計算是一個十分復雜的問題，它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計算土壓力的理論和方法很多。由于庫倫理論概念清析，計算簡單，適用范圍較廣，可適用不同墻背坡度和粗糙度、不同墻后填土表面形狀和荷載作用情況下的主動土壓力計算，且一般情況下計算結果均能滿足工程要求，因此庫倫理論和公式是目前應用最廣的土壓力計算方法。
4.1庫倫主動土壓力計算公式及計算簡圖
主動土壓力計算公式：
Eα=1/2γH2Ka
式中：Eα——主動土壓力(KN)，γ——土的容重(KN/m3)，H——擋土墻高(m)，Ka——庫倫主動土壓力系數。
《公路設計手冊·路基》中，以庫倫理論為基礎，按墻后填土表面的形狀和車輛荷載分布情況的不同，推導出各種情況下的主動土壓力計算公式，設計時可根據實際情況查表計算。
4.2第二破裂面土壓力的計算
在擋土墻設計中，當墻背或假想墻背的傾角α1或α’1大于第二破裂面的傾角αi，或作用于墻背或假想墻背的土壓力對墻背法線的傾角δ’小于或等于墻背摩擦角δ時，就會出現第二破裂面，這種情況下，應按破裂面出現的位置來求算土壓力。
對于一般常用的俯仰式擋土墻，不會出現第二破裂面，對于衡重臺較寬的衡重式擋土墻，則較易出現第二破裂面。各種邊界條件的第二破裂面主動土壓力計算公式詳見《公路設計手冊·路基》。
因此設計過程中，應先采用試算的方法，判別第一破裂面出現的位置，計算破裂角，并根據計算所得的第二破裂面傾角判斷是否會出現第二破裂面，然后再選用合適的公式計算主動土壓力。
5擋土墻的穩定驗算及強度驗算
擋土墻的設計應保證其在自重和外荷載作用下不發生全墻的滑動和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強度、基底應力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后，應進行墻的穩定及強度驗算。擋墻的驗算方法有二種：一種是采用分項安全系數的極限狀態法，另一種是總安全系數的容許應力法。目前國內多數應用容許應力法設計擋土墻。下面是采用容許應力法進行擋土墻驗算的簡介。
5.1滑動穩定驗算
擋土墻沿基底的滑動穩定系數Kc應不小于1.3。計算公式為：
Kc=(W+Ey)f/Ex
式中：W——擋土墻自重，衡重式時，包括衡重臺上的土重(KN)，Ex，Ey——主動土壓力的水平和垂直分力(KN)，f——基底摩擦系數。
設計中，為增加擋土墻的抗滑穩定性，常將基底做成向內傾斜，以增大滑動穩定系數�；仔逼缕露纫话悴怀^1:5。
5.2傾覆穩定驗算
擋土墻繞墻趾的傾覆穩定系數Ko應不小于1.5。計算公式為：
Ko=(WZw+EyZx)/(ExZy)
式中：Zx——Ey對墻趾O點的力臂(m)，Zy——Ex對墻趾O點的力臂(m)，Zw——W對墻趾O點的力臂(m)。
5.3基底應力及偏心驗算
基底的合力偏心距e。計算公式為：
e=B/2-Zn=B/2-(WZw+EyZx-ExZy)/(W+Ey)
在土質地基上，e≤B/6;在軟弱巖石地基上，e≤B/5;在不易風化的巖石地基上，e≤B/4。
當e≤B/6時，墻趾和墻踵處的法向壓應力為：
σ1,2=(W+Ey)(1±6e/B)/B≤[σ]
式中，[σ]——地基土修正后的容許承載力(KPa)
[σ]=[σo]+K1γ1(B-2)
式中，[σo]——地基土的容許承載力(KPa)，K1——地基土容許承載力隨基礎寬度的修正系數，γ1——地基土的天然容重(KN/m3)。
當e>B/6時，基底出現拉應力，考慮到一般情況下地基與基礎間不能承受拉力，故不計拉力而按應力重分布計算基底最大拉應力：
σ1=2(W+Ey)/3Zn≤[σ]
若出現負偏心，則上式的Zn改為(B-Zn)。
5.4墻身截面強度驗算
通常選取一、兩個截面進行驗算。驗算截面可選在基礎底面、1/2墻高處或上下墻交界處等。
墻身截面強度驗算包括法向應力和剪應力的驗算。剪應力包括水平剪應力和斜剪應力兩種，重力式擋土墻只驗算水平剪應力，而衡重式擋土墻還需進行斜截面剪應力的驗算。
6采取措施
完成了擋土墻截面設計及穩定、強度驗算之后，必須采取必要的措施，以保證擋土墻的安全性。
6.1基礎加固措施
6.1.1為減少基底壓應力，增加抗傾覆的穩定性，在墻趾處伸出一臺階，以拓寬基底。墻趾臺階的寬度不小于20cm，臺階高寬比可采用3:2或2:1。
6.1.2地基為軟弱土層時，可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質量較好的材料換填，以擴散基底壓應力，滿足設計要求。
6.2排水措施
對于漿砌石擋土墻，應在墻前地面以上設置一排泄水孔。墻較高時，可在墻上部加設泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圓孔，孔眼間距2~3米，上下排泄水孔錯開設置。泄水孔進水口應設置反濾材料。
6.3沉降縫與伸縮縫的設置
為避免地基不均勻沉降引起墻身開裂，需按墻高和地基性質的變異，設置沉降縫，同時，為了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產生裂縫，需設置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設置在一起，每隔10~15m設置一道，縫寬2~3cm，自墻頂做至基底，縫內宜用瀝青麻絮、瀝青竹絨或涂以瀝青的木板等具有彈性的材料，沿墻的內、外、頂三側填塞，填塞深度不小于15cm。
6.4墻頂與路面的銜接
當墻頂寬大于土路肩寬度時，擋土墻侵入土路肩部分應預留出相當于路面結構厚度部分以鋪筑路面。
6.5車輛安全行駛保障措施
對于路肩墻，其墻頂面以下50cm采用C20砼澆筑，并預埋鋼筋，在其上設置防撞欄或防撞墻。
7材料要求
7.1石料須經過挑選，質地均勻，無裂縫，不易風化。
7.2石料的抗壓強度應不低于30MPa。
7.3盡量采用較大的石料砌筑，塊石應大致方正，其厚度不小于15cm，寬度和長度相應為厚度的1.5~2.0倍和1.5~3.0倍。
7.4采用7.5號砂漿砌筑，10號砂漿勾縫。
8設計體會
8.1設計參數的選取
因用于計算主動土壓力的庫倫理論較適用于砂性土，而對于粘性土的壓力計算會存在一定的誤差，所以對于以粘性土做填料的擋土墻計算，設計參數如填料的內摩擦角等的取值應相對保守。由于庫倫理論是一種簡化的土壓力計算方法，所以對于以砂性土做填料的擋土墻，設計參數也應根據實際情況取相對保守值。
8.2安全系數的選取
對墻高≥6m的擋土墻，實際設計時建議將安全系數提高20%，以保證其安全性。
8.3墻面坡的選取
出于美觀和施工方便的考慮，一段擋土墻通常都采用一個墻面坡。對于山區公路擋土墻，采用較陡的墻面坡，可有效減小墻高，節省材料。一般情況下，重力式擋土墻(俯傾式)、衡重式擋土墻墻面坡取1:0.05，仰斜式擋土墻的墻面坡取1:0.25，均能滿足設計要求。
8.4墻背坡的選取
仰斜式擋土墻的墻背坡一般不超過1:0.3，具體結合開挖的臨時邊坡選取。
俯斜式擋土墻的墻背坡一般取1:0.2，隨著墻高增加，墻頂寬度相應增大。
對于衡重式路肩擋土墻，當墻高≤8m時，上墻背坡取1:0.25，墻高>8m而≤10m時，上墻背坡取1:0.3;下墻背坡取1:0.25。若為路堤墻，則上墻背坡應相應加大。
8.5設計控制重點
對于俯斜式擋土墻，由于所受土壓力較大，所以設計時應注意其穩定和抗傾覆的驗算。對于衡重式擋土墻，一般較容易滿足穩定要求，墻身斷面的強度成為擋土墻設計中主要的控制指標，所以一定要采用高強度的材料砌筑。
9結束語
公路擋土墻是路基防護工程的重要組成部分。在山區公路中，擋土墻的應用更為廣泛。擋土墻設計時，應進行詳細地調查、勘測，確定構造物的形式與尺寸，運用合適的理論計算土壓力，并進行穩定性和截面強度方面的驗算，采取合理、可行的措施，以保證擋土墻的安全性。
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