擋土墻的方案比選與截面快速設(shè)計(jì)——建筑論文

    擋土墻作為防止土體坍塌或截?cái)嗤馏w延伸的構(gòu)筑物，在園林景觀工程中得到了較為廣泛的應(yīng)用。如景觀河道的駁岸、堆高地形的景墻、坡地路堤的護(hù)墻、下沉庭院的側(cè)墻等都要用到擋土墻。擋土墻按承重方式可以分為重力式擋土墻和輕型結(jié)構(gòu)擋土墻。按墻身建筑材料不同可以分為磚砌擋土墻、漿砌塊石擋土墻、混凝土砌塊擋土墻、混凝土擋土墻和鋼筋混凝土擋土墻等。不同的擋土墻有不同的結(jié)構(gòu)型式和適用范圍，下面以我公司在蘇州某工程的擋土墻設(shè)計(jì)為例，重點(diǎn)闡述在設(shè)計(jì)過程中為了避免現(xiàn)場地形與圖紙?jiān)O(shè)計(jì)存在較大差異，需要結(jié)合實(shí)際工程的特性和經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膮?shù)取值和假設(shè)，選擇合理的計(jì)算模型才能因地制宜地比選出更為合適的擋土墻類型，設(shè)計(jì)出更為理想的截面。

一、工程概況

    該工程位于蘇州相城區(qū)，是某高檔酒店配套景觀工程。紅線范圍內(nèi)地面景觀面積約為8200平方米，沿酒店周邊呈環(huán)狀分布。因地塊東側(cè)、南側(cè)市政道路相對較高，而地塊以西、以北的場地以外相對較低，故在進(jìn)行景觀設(shè)計(jì)時(shí)需沿西側(cè)和北側(cè)邊界處設(shè)計(jì)擋土墻來解決高差問題。結(jié)合已有資料并經(jīng)實(shí)地考查與分析，因擋土墻前后堆土高差不一致，需分設(shè)幾道總高不同的擋土墻，其中擋土墻一區(qū)域場地標(biāo)高為1.35米，墻后地形標(biāo)高為4.95米，墻前墻后的覆土高差為3.6米，墻二左右兩側(cè)覆土高差為2.5米。從場地已有的地質(zhì)勘察報(bào)告可知：該區(qū)域表層土質(zhì)為雜填土，厚度約為0.60～3.50米，土質(zhì)不均，結(jié)構(gòu)性差，強(qiáng)度變化大，據(jù)調(diào)查其堆積時(shí)間超過5年，需經(jīng)地基處理才能為天然地基使用。下方為0.4~4.5米厚的褐黃色粉質(zhì)粘土，可塑狀態(tài)，工程性質(zhì)較好，地基土承載能力特征值為150Kpa。根據(jù)《建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范》（GB50007-2011）[1] (以下簡稱規(guī)范) 5.1.2條規(guī)定，除巖石地基外，基礎(chǔ)埋深不宜小于0.5m。又有相關(guān)專業(yè)資料[2]顯示：擋土墻基礎(chǔ)埋深應(yīng)符合地基強(qiáng)度和穩(wěn)定要求，且最小埋深≮0.8m，故假定埋深按0.8米最小埋深來考慮，即墻一高H1=0.8+3.6=4.4米，墻二高H2=0.8+2.5=3.3米。

二、擋土墻方案的比選

    重力式擋土墻是靠自重維持平衡穩(wěn)定的，具有較大的承載能力，因此，體積、重量都大，在軟弱地基上修建往往受到承載力的限制，當(dāng)擋土墻較低時(shí)，采用磚砌擋土墻較為方便。如果墻高太高，耗材多，也不經(jīng)濟(jì)。當(dāng)?shù)鼗鶙l件較好的巖石地基和堅(jiān)硬的土類地基，擋土墻高度不大時(shí)，本地又有石料時(shí)，可以首選漿砌塊石擋土墻。

    當(dāng)?shù)鼗休d力低，但墻后土壓力較大時(shí)，應(yīng)采用輕型結(jié)構(gòu)擋土墻。懸臂式擋土墻作為輕型鋼筋混凝土擋土墻的主要形式，一般由立板和底板組成，底板又可分為趾板和鍾板。因立板下有較長的底板，故可認(rèn)為立板是下端固結(jié)、上端自由的懸臂板。它具有截面面積小、占地面積小、承載能力高的優(yōu)點(diǎn)，適用于對綠化面積要求較高和地基承載力較低的堆高地形景墻、填方路堤、岸坡防護(hù)之處，造價(jià)相對較高，高度一般在6m以下[2]。6m以上的擋土墻往往在懸臂式的基礎(chǔ)上加腋，做成扶壁式擋土墻，才更為經(jīng)濟(jì)合理。

    在對擋土墻方案進(jìn)行比選時(shí)，首先應(yīng)考慮擋土墻工程與周邊環(huán)境的結(jié)合，盡可能做到布置緊湊、少占綠化用地。因需設(shè)計(jì)擋土墻的區(qū)域?qū)捳灰?，最小的距離僅有1米，若考慮采用重力式擋土墻，則其墻頂寬度至少為400mm，底板通常為(0.6~0.7)H，即當(dāng)H=4.4米時(shí)，底板長度約2.64~3.08米。擋土墻的截面形式見圖1，可見，重力式擋土墻體積過大，占地面積過大，不適用于狹長地帶。規(guī)范規(guī)定，鋼筋混凝土懸臂式擋土墻墻頂?shù)淖钚『穸纫话悴灰诵∮?00mm，基底合力的偏心矩不應(yīng)大于0.25倍基礎(chǔ)的寬度。墻背取豎直面，墻趾板和墻踵板端部厚度不小于200~300mm，其計(jì)算簡圖見圖2，可見，懸臂式擋土墻立柱寬度較小，適用于狹長地帶，此處設(shè)計(jì)懸臂式輕型擋土墻更為合適。

    其次，在選擇方案時(shí)，我們考慮到在擋土墻外露部分墻面必須美化處理，若用漿砌塊石擋土墻，其表面比較粗糙，不容易干掛或濕貼花崗巖貼面，與高檔酒店的風(fēng)格不匹配；而鋼筋混凝土懸臂式擋土墻可以很好地解決這一問題，混凝土墻面上可以很容易地進(jìn)行預(yù)埋預(yù)設(shè)，干掛或濕貼花崗巖貼面。

    綜合上述兩方面的原因，我們選用了懸臂式輕型擋土墻。

三、懸臂式鋼筋混凝土擋土墻的截面設(shè)計(jì)

    在對懸臂式鋼筋混凝土擋土墻進(jìn)行截面設(shè)計(jì)時(shí)，往往需要根據(jù)規(guī)范的抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性公式多次試算，反復(fù)調(diào)整截面尺寸，最終由抗滑移系數(shù)決定合理的截面尺寸，再驗(yàn)算其地耐力是否滿足要求，若不滿足要求，還必須重新選擇截面尺寸進(jìn)行穩(wěn)定性和地耐力驗(yàn)算，直到二者都滿足為止，過程非常繁瑣。為了使懸臂式擋土墻的截面設(shè)計(jì)過程得到簡化，在此，我們結(jié)合現(xiàn)場情況和相關(guān)工程的經(jīng)驗(yàn)值進(jìn)行恰當(dāng)?shù)膮?shù)取值，充分考慮各種不同荷載的作用，選擇合理的計(jì)算模型，再借鑒袁健等人的經(jīng)驗(yàn)[3]，根據(jù)穩(wěn)定性公式推導(dǎo)相應(yīng)的參數(shù)公式，從而快速地確定擋土墻趾板和踵板尺寸，最后再帶入地耐力計(jì)算公司驗(yàn)算設(shè)計(jì)截面的合理性。

（1）計(jì)算模型的假定

    在設(shè)計(jì)擋土墻截面尺寸時(shí)，我們通常根據(jù)擋土墻前后兩側(cè)填土的高差并結(jié)合地基承載力來假定立墻和底板厚度，擋土墻越高，其立墻和底板厚度也越厚。為方便計(jì)算，立墻通常設(shè)計(jì)成與底板等厚，假定為0.3m。因懸臂式擋土墻墻趾板外伸長度比較小，且趾板上部覆土較淺，土重較輕，不能在短時(shí)期內(nèi)形成被動土壓力，故在對擋土墻截面進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，忽略部分該部分的土重和其產(chǎn)生的被動土壓力，這樣對設(shè)計(jì)更有利。借鑒取1m長度的懸壁式擋土墻為研究對象（見圖2），假設(shè)墻背豎直光滑，墻后主動土壓力為Ea；擋土墻每延米所受重力分別為G1和G2；截面上部寬度為t（假定=0.3m），長度為m（未知），踵板長度為n（未知），底板寬度b=m+n+t；其重心至墻趾0點(diǎn)的距離為X1=m+t/2，X2=b/2=(n+t+m)/2，基底摩擦系數(shù)為。

    由土壓力計(jì)算公式可知，墻后填土性質(zhì)決定了擋土墻的受力情況：填土重度越大、墻后地下水位越高，產(chǎn)生的土壓力越大；而填土內(nèi)摩擦角越大，產(chǎn)生的土壓力也越小。因黏土的透水性和壓實(shí)性比較差，且具有吸水膨脹和凍脹性，可能產(chǎn)生側(cè)向膨脹壓力以及水平凍脹力，其內(nèi)摩擦角比松散性土小，故黏性土?xí)a(chǎn)生較大的主動土壓力。砂性土顆粒較粗，透水性強(qiáng)，內(nèi)摩擦角大，產(chǎn)生的主動土壓力較小。所以，墻后填料無論是在設(shè)計(jì)還是在施工中均應(yīng)選用砂性土，如中砂、礫石、卵石、粗砂等；當(dāng)缺少砂性土而必須回填黏性土地或者細(xì)砂時(shí)，也應(yīng)在黏性土或細(xì)砂中摻和一定量的石渣、礫料、礦渣等粗顆粒土。在此處，我們選擇擋土墻后用中砂回填，從表1可查得砂性土的內(nèi)摩擦角為30~40°。擋土墻沿?fù)跬翂ρ貕Ω吆蛪﹂L應(yīng)設(shè)置直徑50~100的泄水孔，并按上下左右每隔2～3m交錯布置，泄水孔的進(jìn)水側(cè)設(shè)置300X300的碎石濾層，用土工布包裹。在擋土墻底板以下設(shè)置100厚素砼墊層和150厚碎石墊層，這樣，便能保證擋土墻一和擋土墻二的地基土位于第二層褐黃色粉質(zhì)粘土層上。地基承載力fak=150kN/m2，摩擦系數(shù)u取0.4。墻背地面考慮均布活荷載=10kN/m2。

表1 常見土質(zhì)的計(jì)算內(nèi)摩擦角和u值表[2]

（2）土壓力計(jì)算

    朗肯土壓力理論由于不考慮土與墻背的摩擦力，以致主動土壓力偏大，而被動土壓力則偏小，用朗肯土壓力理論計(jì)算主動土壓力作擋土墻的計(jì)算是比較保守且偏安全的。主動土壓力的計(jì)算如下：

，，c=0， ，均布活荷載等效為土厚 =10/18=0.556m，=13.32kN(矩形合力)，，=47.952kN（三角形合力），

。

表2 擋土墻土壓力計(jì)算表

（3）截面快速設(shè)計(jì)

    根據(jù)規(guī)范6.6.5驗(yàn)算擋土墻的穩(wěn)定性：

    其中抗滑移穩(wěn)定性：  ≥1.3，因 =0，= ，則≥1.3，將各值代入公式展開得，（式1）

    抗傾覆穩(wěn)定性：  ≥1.6，因，，則≥1.6，將各值代入公式展開得，（式2）。

    將擋土墻一、二的已知項(xiàng)代入式1和式2分別得： 

墻一計(jì)算結(jié)果如下：（式3）；

和(式4)。

若取m=0.3m，代入式4，則有n≥1.938m，取n=1.94m，代入式3，有58.171>47.776。

若取m=0.5m，代入式4，則有n≥1.920m，取n=1.93m，代入式3，有65.308>47.776。

墻二的計(jì)算結(jié)果如下： （式3）；和（式4）。

若取m=0.3m，代入式4，則有n≥1.2998m，取n=1.30m，代入式3，有30.672>21.649。若取m=0.5m，代入式4，則有n≥1.2789m，取n=1.28m，代入式3，有35.698>21.649。

    由上可得，若僅從穩(wěn)定性來考慮擋土墻底板尺寸，抗滑移穩(wěn)定性是控制因素。即擋墻趾板和踵板的尺寸取值只要滿足抗滑移穩(wěn)定性，則必定滿足抗傾覆穩(wěn)定性。在滿足抗滑移穩(wěn)定性的前提下，擋墻底板尺寸不變，增大踵板的長度比增大趾板的長度對提高抗傾覆穩(wěn)定性效果更加顯著。

（4）地基承載力驗(yàn)算

    要確定擋土墻底板的合理尺寸，不但要滿足抗傾覆和抗滑移穩(wěn)定性，還要滿足地基承載力的要求。因此設(shè)計(jì)人員通過上述參數(shù)公式選定m、n的結(jié)合值得出b后，可直接代入地基承載力計(jì)算公式進(jìn)行驗(yàn)算。

當(dāng)時(shí)，>0， ；

當(dāng)時(shí)，。

墻一：取m=0.3m，n=2m，擋土墻底板寬度b為0.3+0.3+2=2.6m分別代入上式得，=180，。

取m=0.5m，n=2m，擋土墻底板寬度b為0.5+0.3+2=2.80m，分別代入上式得，=180，。

故擋土墻一最終選定的截面尺寸是m=0.5m，n=2m，擋土墻底板寬度b為2.80m。

墻二：取m=0.3m，n=1.3m，擋土墻底板寬度b為0.3+0.3+1.3=1.9m，分別代入上式得，，。

取m=0.5m，n=1.3m，擋土墻底板寬度b為0.5+0.3+1.3=2.10m，分別代入上式得，=180，。

故擋土墻二最終選定的截面尺寸是m=0.3m，n=1.3m，擋土墻底板寬度b為1.90m。

可見，對于高度較小的擋土墻，一般滿足t +mm i n +nm i n 的尺寸組合即滿足穩(wěn)定性要求時(shí)，地耐力也能滿足。對于高度較大的擋土墻，可以通過增大趾板的長度來調(diào)整最大地基承載力，使其達(dá)到設(shè)計(jì)要求。

四、結(jié)語

    在進(jìn)行擋土墻的設(shè)計(jì)時(shí)，我們必須根據(jù)工程實(shí)際情況，因地制宜地選擇擋土墻的類型。上述計(jì)算懸臂式擋土墻的方法還適用于不同的土質(zhì)、墻高、墻后的活荷載為其它值的情況下，只要根據(jù)實(shí)際情況充分考慮不同的土壓力，選擇合理的計(jì)算模型，再代入對應(yīng)的參數(shù)計(jì)算公式，便能較為快速地計(jì)算出擋土墻趾板和踵板的最小尺寸，再驗(yàn)算選定的尺寸能否滿足地基承載力的要求，只有選擇了合理的墻體尺寸，才能同時(shí)滿足穩(wěn)定性和地耐力要求的截面。當(dāng)擋土墻很高時(shí)，我們還可以增大墻身和底板厚度、適當(dāng)加長墻趾板或墻踵板尺寸等，以使其截面滿足抗傾覆穩(wěn)定性、底板內(nèi)力及地耐力要求。

參考文獻(xiàn)：

1 GB50007-2011 建筑地基基礎(chǔ)設(shè)計(jì)規(guī)范. 北京：中國建筑工業(yè)出版社.2002.40~46

2 吳為廉 景觀與景園建筑工程規(guī)劃設(shè)計(jì)（下冊）北京：中國建筑工業(yè)出版社.2005.66,67~91,63~64

3 袁健 劉其梅 參數(shù)法在懸臂式擋土墻底板尺寸設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 巖土工程技術(shù)，2005 Vol.19 No.1 17~19