1、重力式擋土墻設計及檢算摘要：重力式擋土墻是一種抵抗土壓力的構件或墻體，可以采用支護形式，也可以直接利用擋土墻重力來抵抗土體滑動。根據實際工程的不同，可以采取相應的擋土墻。本設計著重討論一種超重力式擋土墻的計算以及擋土墻在其他方面實際遇到的問題。通過分析探討，重力式擋土墻可以做成超高形式；同時，只要滿足理論分析，設計可以不拘泥于規范或規程進行。本論文分兩部分分析：第一部分為對重力式擋土墻進行分析，提出一種擋土墻設計新方法；第二部分為對實際設計過程中遇到的問題加以討論。關鍵詞：重力式擋土墻 設計新方法 超限第一部分：重力式擋土墻分析擋土墻廣泛應用在工業與民用建筑、道路及水利建設中。由于高層、超高層

2、和城市地下空間的利用，促進了基坑工程設計與施工技術的進步與發展，使建筑基坑支護工程成為擋土工程的重要分支。擋土墻及基坑支護工程類型繁多，工程最常見的重力式擋土墻、鋼筋混凝土擋土墻以及深基坑支護中常用的懸臂式圍護結構、內撐式圍護結構、拉錨式圍護結構、水泥土重力式擋土墻、土釘墻及地下連續墻。5基坑支護結構設計應根據下表選用相應的側壁安全等級及重要性系數0。5基坑側壁安全等級及重要性系數 附表1安全等級破壞后果0一 級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周圍環境及地下結構施工影響很嚴重110二 級支護結構破壞、土體失穩或過大變形對基坑周圍環境及地下結構施工影響一般10三 級支護結構破壞、土體失穩或

3、過大變形對基坑周圍環境及地下結構施工影響不嚴重09擋土墻及基坑支護應根據墻趾周邊環境、擋土高度、地質水文資料、建筑材料供應條件、墻體用途、施工方法、施工季節及技術經濟條件按附表2選用。5擋土墻和支護結構選型表 附表2序號擋土墻支護結構型式適用于條件1重力式擋土墻（1） 墻高不宜大于6m，在較弱的土層中墻高不宜大于5 m（2） 適用于地形變化復雜的場地（3） 墻身材料可選用毛石砌體、毛石混凝土和素混凝土2鋼筋混凝土擋土墻（1） 鋼筋混凝土懸臂式擋土墻墻高不應超過8 m時，宜采用扶壁式鋼筋混凝土擋土墻（2） 懸臂式擋土墻適合于地基承載力較低的地段，扶壁式擋土墻適用于地基承載力較高的地段（3） 常用

4、于石料缺乏序號擋土墻支護結構型式適用條件3懸臂式排樁支護結構（1） 基坑側壁安全等級宜為二、三級（2） 在軟土場地中基坑深度不宜小于5米（3） 基坑底面以下的地質較好的；具有嵌固樁體的能力（4） 對樁頂變位要求較高的場地不宜采用（5） 當地下水位高于基坑低面時，宜采用降水或截水帷幕4拉錨式圍護結構（1） 適用于基坑側壁安全等級一、二、三級（2） 適用于無流砂、含水量不高，不是淤泥等流塑土層的基坑支護，開挖深度不宜大于18米（3） 當地下水位高于基坑面時，應采取降水或截水措施5內撐式圍護結構（1） 適用于基坑側臂安全等級一、二、三級（2） 在軟土中場地，優選用（3） 內支撐的構件，常用鋼筋混凝土

5、構件或組合型鋼，對于平面較大、形狀比較復雜的基坑，宜采用現澆鋼筋混凝土結構（4） 當地下水位高于基坑底面時，應采取降水或截水措施6水泥重力式擋土墻（1） 基坑側壁安全等級宜為二三級（2） 水泥土樁施工范圍內的地基土承載力不宜大于150kPa（3） 基坑深度不宜大于6米（4） 當地下水位高于基坑底面時，應采取降水或截水措施（5）7土釘墻（1） 基坑側壁安全等級一、二、三級（2） 適用于非軟土場地，基坑深度不宜大于12米（3） 當地下水位高于基坑底面時，應采取防降水或截水措施8地下連續墻（1） 適用于基坑側壁安全等級一、二、三（2） 可用于各種場地土，特別適用于軟土地基密集的建筑群中高層建筑的深基

6、坑開挖（3） 適用于臨時擋土支護、止水及防滲，同時可作為永久性的承重結構（4） 是多層深地下室逆作方法必選的地下圍護結構（5） 當地下水位高于基底面時，應采取降水措施基坑擋土墻結構的選型，尚應考慮結構的空間效應和受力特點，采用有利支護結構材料受力性狀的型式。重力式擋土墻屬剛性結構，廣泛用于支擋路堤或路塹邊坡、隧道洞口、橋梁兩端及河流岸壁等1。它靠墻的自重保持穩定，一般在低擋土墻（墻高H<5米）時采用具有結構簡單、施工方便、能就地取材等優點2。近年來，隨著經濟的發展，我國特殊場地工程施工增多，許多超規范的設計大量的也現，在支擋結構中更為突出。傳統的重力式擋土墻很少用于坡高或坑深大于8米的支

7、擋工程中。而實際工程中，往往基坑比較深，又不受場地的限制，為了本著既經濟又安全的原則，采用一種分級式擋土墻，是完全可以的。超重力式擋土墻就是采用分級組合的重力式擋土墻。經過充分計算、驗算，只要擋土墻的抗滑、抗傾覆安全系數以及偏心距、基底應力均滿足計算要求，這種新的設計方法應該是可行的。本文通過結合某工程場地，并采用本設計新方法予以計算說明之。1 工程概況擬建場地地貌單元屬于山前沖洪積扇后緣，土層為卵石漂石，地下水埋深2.52.8米，對鋼筋砼結構中鋼筋無腐蝕性。場地高程介于429.5445.89米擬回填砂坑深810米，擋土墻設于深10米地帶。場地總平面及擋土墻位置見圖1。2 設計原理2.1 土壓

8、力計算 考慮到擋土墻的超高因素,墻后土壓力(P)取靜止土壓力(P0)與主動土壓力(Pa)平均值,計算公式如式(1) (1)式中: K0靜止土壓力系數： Ka無粘性主動土壓力系數。 r z r指土的重度，r z指Z深度土的重度。2.2 滑動穩定驗算擋土墻滑動穩定性驗算采用文獻4中推薦的公式(2),受力情況圖2(a). (2) 也可采用公式(3)計算，此時擋土墻傾斜角，受情況2(b)。 或：(3)2.3 傾覆穩定驗算 擋土墻傾覆穩定性驗算采用文獻4中推薦的公式見式(4)受力分析見圖2(c)。 (4)式中：ZxEx對墻趾O點的力臂： ZyEy對墻趾O點的力臂： ZwEw對墻趾O點的力臂：2.4 基底

9、應力及偏心驗算 (1)偏心距：偏心距驗算采用文獻4中推薦的公式見式(5)式中：ZxEx對墻趾O點的力臂： ZyEy對墻趾O點的力臂： ZwEw對墻趾O點的力臂： ZnZw e之值。 (5) (2)基底應力：基底應力分兩種情況來討論，具體情況如下：時，墻趾或墻踵處的應力公式按式(6)計算： (6)式中：修正后的地基容許承載力， K1地基容許承載力隨基礎寬度的修正系數： r 1 地基土的天然容重。 時，墻趾或墻踵處的應力公式按式(7)計算： (7) 圖2擋土墻受力情況簡圖3 計算步驟3.1參數選擇墻背填土參數依據參考文獻3選擇,見表1。表1 填土參數表：天然容重1內摩擦角粘聚力c20.535o0穩

10、定性驗算系數等依據文獻4選擇，見表2。表2 穩定性驗算系數表：滑動穩定系數Kc傾覆穩定系數K0偏心距e基底應力地基容許承載力(kpa)1.31.5B/63005003.2 計算結果土壓力計算結果:一級擋墻: P = 343.17 KPa，二級擋墻： P = 343.17 KPa。滑動穩定系數驗算結果：一級擋墻: Kc = 1.6，二級擋墻： Kc =1.3。傾覆穩定系數驗算結果：一級擋墻: K0 = 1.75，二級擋墻： K0=2.7。偏心距及基底應力驗算結果:一級擋墻: e = 1.58，=274.50 KPa二級擋墻： e = 0.39，=125.36 KPa4 擋土墻結構設計 根據一系列

11、的驗算得出結論為:一級擋土墻高6米,墻頂寬2.5米；二級擋土墻高4米，墻底寬2.5米，墻頂寬1米，基礎寬8米，高3米；滿足規范要求。擋土墻設計結構如圖3所示。圖3 擋土墻結構示意圖由于施工場地距離河流較近，充分考慮地下水及地表水的滲流作用，一級擋土墻墻身全部及二級墻身下部縱橫間距2m×2m設排水孔，一級擋土墻頂面設截流槽，墻面設溢流槽，墻腳設排水槽。二級擋墻頂部設50cm墻帽，防止松散填料滾落墻下。5 結 論采用分級組合式的重力式擋土墻設計方法是目前較理想的設計新方法之一，其工程建設投資相比扶壁式擋土墻等較低，穩定性也可以達到有關規要求。只是在施工過程中一定要嚴格按相關規定操作，避免

12、出現因施工引起的質量事故。本新設計方法值得廣泛推廣。第二部分對實際設計過程中遇到的問題加以討論檢算為了對重力式擋土墻理解更透徹，下面著重探討一下擋土墻其他方面的問題：擋土墻可不必拘泥于規范對擋土墻高度的限定，可根據實際情況因地制宜地選擇擋土墻類型及確定擋土墻高度，只要在偏心距與基底應力檢算中，墻趾、墻踵應力滿足要求即可，下面我們具體的分析一下這個問題：6 對擋土墻設計中幾個問題進行探討支擋結構是路基設計中的一個重要組成部分，其中擋土墻應用最為廣泛，在擋土墻設計計算中，一般首先確定擋土墻的高度，根據實際情況選用合適的擋土墻類型，然后擬定擋土墻擋土墻斷面尺寸，根據庫侖或朗金理論計算墻背巖土，主動土

13、壓力，進行擋土墻檢算。檢算主要有如下5項：抗滑動穩定系數KC1.3；抗傾覆穩定系數K01.5；基底合力偏心距e的檢算；土質地基B/6，巖土地基B/4；基底壓應力基底容許承載力，同時還規定當合力偏心距為負值時，墻踵壓應力可超過地基容許承載力，一般地區30%，浸水地區50%，但基底平均壓應力地基容許承載力；墻身截面強度檢算。檢算滿足要求后，墻身設計中的擋土墻高度、合力偏心距、基底壓應力進行探討。6.1 擋土墻高度6.1.1 有關規定擋土墻高度直接影響擋土墻斷面尺寸的擬定、墻身的圬工數量以及基礎是否需要加固等問題。在鐵路路基支擋結構設計規范中對各種擋土墻的高度都有具體規定；重力式擋土墻<12米

14、，短卸荷板式擋土墻612米，懸臂式擋土墻<6米，錨桿擋土墻<18米，錨定板擋土墻<10米，加筋擋土墻<10米，土釘墻<20米，樁板式擋土墻<15米（自由臂）。不同的形式擋土墻因結構不同，當超過一定高度后，擋土墻受到的土壓力增長較快，而其承受能力卻有限，故對擋土墻高度做了一定的限制。理論上，重力式擋土墻的主要荷載墻背巖土主動土壓力可以通過庫侖或朗金理論計算求得，擋土墻的結構受力分析也是完善的，那么無論擋土墻多高，土壓力多大，通過計算都可以擬定合適的擋土墻尺寸，滿足工程需要。當然擋土墻較高時，地基一般都需要加固處理。但是在實際工程中，擋土墻在滿足工程需要的同時必

15、須經濟、安全、合理，因而對各種擋土墻的高度都有明確的規定。如日本國鐵規范規定；墻高<3米采用重力式擋土墻，36米采用懸臂式擋土墻，>6米采用扶臂式擋土墻。規范對擋土墻高度做的限定，可以使我們在設計時少走彎路，盡快找到合適的支擋結構。但是,工程設計者不能固步自封,在擋土墻選型時局限于以上規定。6.1.2 例舉一個已施工的重力式擋土墻設計加以說明某電廠專用線位于某鐵路線K481+300K482+900南側,與該鐵路正線等高并行,專用線南側的電廠卸煤區比路肩低8米左右，卸煤采用人工方式。原設計采用重力式路肩擋土墻，參照定型設計（見圖四）擋土墻長740米，墻頂1.9米，墻頂外線距線中心2.

16、9米。出現以下問題：由于墻頂較寬，使得軌枕頭有0.25米壓在重力式路肩擋土墻上,造成軌枕支撐“一頭軟、一頭硬”危及安全；擋土墻外緣距線路中心較寬，人工卸車時原煤極易堆積在路肩上，給行車帶來隱患。圖四 擋土墻斷面圖(單位米)針對以上弊病，經過分析，決定采用懸臂式擋土墻（見上圖）。墻頂寬0.3米，墻頂外緣距線路中心線1.95米，胸坡為1：0.05。這樣就徹底解決了采用重力式擋土墻帶來的問題。經檢算各項指標均滿足規范要求。該懸臂式擋土墻于1998年12月竣工，2001年12月驗收，2002年1月開通運營。運營6年多來，擋土墻情況良好，未發生任何問題。以上實例說明，擋土墻設計不能過分拘泥于高度的限制，

17、應該結合具體條件認真分析，采用合理的擋土墻形式解決工程實際問題。當然，當擋土墻過高時，對擋土墻檢算的幾個指標抗滑動穩定系數KC、抗傾覆穩定系數K0等應該適當增大。6 .2 基底合力偏心距基底俁力偏心距e為擋土墻基底受到的合力作用點距基底中心的距離，其計算公式為： （8）e 基底合力偏心距（(mm)，當為傾斜基底時為傾斜基底合力的偏心距；B 基底寬度（m），對傾斜基底為其斜寬；C 基底垂直分力對墻趾的力臂（m） 作用于基底的總垂真力（KN） 穩定力系對墻趾的總力矩（KN m） 傾覆力系對墻趾的總力矩（KN m）規范規定基底合力偏心距e對土質路基B/6對巖石地基B/4，當合力作用點在墻趾與基底中心

18、之間時為正，在基底中心與墻踵之間時為負。 以上規定是鑒于當偏心距大于B/6時，基底應力或會出現負值即拉應力，對于一般地地基與基底羊是不能承受的，這時應按無拉應力的平衡條件重新分配壓應力（見圖五）。圖五 基底應力狀態 規范規定土質路基eB/6、巖石地基eB/4，只是表明當超過以上限度后，基底應力分配不均衡。基底墻趾、墻踵壓應力、為：當e> B/6時，；當e<-B/6時，；當應力重新分布后，只要墻趾、墻踵應力不超過基底容許承載力，擋土墻就不會被破壞。規范之所以對偏心距做出這樣的規定，目的也是控制墻趾、墻踵應力不超過容許承載力。表3為鐵路工程設計技術手冊路基中抗震擋土墻對基底偏心距的要求

19、。 表3巖石地基硬質巖eB/3其它巖石eB/4土質地基基本承載力>200KpaeB/5基本承載力<200KpaeB/6表3中地基承力與偏心距的規定對一般擋土墻也適用。偏心距的大小直接影響地基應力分布，偏心距大時應力分布不均衡。如地基容許承載力較大，就允許較大的偏心距。以上分析也適用于重力式擋土墻墻身截面檢算。因墻體材料能承受一定的拉力而偏心值較基底大，為避免出現較大的拉應力，規定墻身截面偏心距e B/3。分析表明，不管基底合力偏心距多大，只要應力重新分布后，基底壓應力檢算滿足要求即可。6.3 基底壓應力基底壓應力按下面公式計算：當| e | B/6時， （9）當e>B/6時,

20、 （10）當e<-B/6時, （11）規范規定基底壓應力基底容許承載力，同時無論擋土墻按有荷、無荷計算，其基底合力偏心距為負值時，墻踵基底壓應力可超過容許地基承載力，一般地區30%。浸水地區50%，但平均壓應力地基容許承載力。當偏心距e=0時，基底應力呈矩開公布，；當e>0時基底應力呈梯形或三角形分布，>；當e<0時，基底應力呈應力呈梯形或三角形分布，<。對前面兩種情況，只要墻趾應力>地基容許承載力，墻踵應力及平均壓應力均能滿足要求。如重力式擋土墻按有荷計算，當e<0時，基底合力偏心距作用于基底中心與墻踵之間，即墻有向后傾趨勢，此時出現“墻壓土”，產生

21、被動土壓力作用于墻背，從而調整了基底的應力狀態。此時一般地區墻踵的基底壓應力可使之超過地基容許承載力30%，浸水區由于考慮了水的浮力等附加力的作用，可使踵部超過更多，一般用50%控制。此時雖然出現“墻壓土”現象，但只是一種趨勢，由于被動土壓力的產生，需要墻體向后有較大的位移，使墻后土體被“擠出”而產生破裂而，此時土壓力力達到最大值Ep。所以有荷計算當偏心距為負值時，擋土墻墻后土壓力仍按主動土壓力計算，對墻踵壓應力檢算可適當提高。上述情況在無荷作用時，偏心距就出現較大的負值。根據上述分析，墻背側壓力及基底應力亦將發生相應的變化和調整，此時已不屬于主動土壓力狀態，故可不必再檢算墻踵的基底壓應力。在“墻后土”后，被“擠出”的土體對墻踵形成反壓，故可適當提高墻踵處地基的容許承載力。經實踐檢驗，上述規定不會影響墻身及基底的穩定。以上規定與橋規中對墩臺基礎埋置較深時地基容許載力的修正是相吻合的。當偏心距為正值時，因為>，所以只要墻趾壓應力，平均壓應力就不超過地基容許承載力。當偏心距為負值時，