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(wěn)的一種構(gòu)造物。在路基工程中，擋土墻可用以穩(wěn)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(jīng)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(jié)構(gòu)特點(diǎn)，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(huán)境條件，又可分為：一般地區(qū)擋墻、浸水地區(qū)擋土墻及地震地區(qū)擋土墻。考慮擋土墻設(shè)計(jì)方案時(shí)，應(yīng)與其他工程方案進(jìn)行技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較，分析其技術(shù)的可行性、可靠性及經(jīng)濟(jì)的合理性，然后才確定設(shè)計(jì)方案，并根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行擋土墻的選型。
在山區(qū)公路中，由于地形條件更為復(fù)雜，地勢(shì)更為陡峭，因此，擋土墻的應(yīng)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(qū)公路（二、三級(jí)）的設(shè)計(jì)，主要負(fù)責(zé)路基防護(hù)工程，特別是擋土墻的設(shè)計(jì)，對(duì)山區(qū)公路擋土墻的設(shè)計(jì)積累了一定的經(jīng)驗(yàn)與體會(huì)，在此提出，僅供同類工程設(shè)計(jì)時(shí)參考。
2 擋土墻設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)資料及設(shè)計(jì)參數(shù)
2.1 基礎(chǔ)資料
擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，必須具備以下資料：路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖，地質(zhì)資料（包括工程地質(zhì)勘察報(bào)告、工程物探報(bào)告），地震勘探報(bào)告，水文資料，總體設(shè)計(jì)資料及構(gòu)造物一覽表等。
2.2 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取
2.2.1 墻背填料的物理力學(xué)性質(zhì) 對(duì)于山嶺重丘二、三級(jí)公路的擋土墻設(shè)計(jì)，當(dāng)缺乏試驗(yàn)數(shù)據(jù)時(shí)，填料的計(jì)算內(nèi)摩擦角及容重可參照表1及表2選用：
表1 填料內(nèi)摩擦角ψ參考值
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土的種類 |
塊石 |
大卵石、碎石類土 |
小卵石、礫石、粗砂、石屑 |
中、細(xì)砂、砂質(zhì)土 |
粉砂 |
粘土 |
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內(nèi)摩擦角（°） |
45 |
40 |
35 |
30 |
26 |
14-21 |
表2 填料標(biāo)準(zhǔn)容重
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土的種類 |
礫石、碎石、礫質(zhì)土 |
砂、砂質(zhì)土 |
粉土、粘性土 （ωl<50%） |
石灰土 （石灰10%） |
粉煤灰 |
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容重（KN/m3） |
20 |
19 |
18 |
18 |
15 |
2.2.2 墻背摩擦角 填土與墻背間的摩擦角δ應(yīng)根據(jù)墻背的粗糙程度及排水條件確定。山區(qū)公路中，對(duì)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(shù) 基底摩擦系數(shù)μ應(yīng)依據(jù)基底粗糙程度、排水條件和土質(zhì)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(shè)計(jì)手冊(cè)·路基》及有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.5 建筑材料的容重 根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.6 砌體的容許應(yīng)力和設(shè)計(jì)強(qiáng)度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.7 砼的容許應(yīng)力和設(shè)計(jì)強(qiáng)度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計(jì)規(guī)范規(guī)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(jiǎn)便，適用范圍比較廣泛。山區(qū)公路中，石料資源較為豐富，在擋土墻高≤10米時(shí)，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好地滿足經(jīng)濟(jì)、安全方面的要求。
3.2 截面形式選擇
根據(jù)擋土墻結(jié)構(gòu)類型及其特點(diǎn)分析，當(dāng)墻高＜5時(shí)，采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡(jiǎn)單，施工方便的優(yōu)勢(shì)。同時(shí)，由于山區(qū)公路地面橫坡比較陡峭，若采用仰斜式擋土墻，會(huì)過多增加墻高，斷面增大，造成浪費(fèi)，采用俯斜式擋土墻會(huì)比較經(jīng)濟(jì)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(dāng)墻高≥5且地基條件較好時(shí)，采用衡重式擋土墻，可以有效地減小截面，節(jié)省材料。
3.3 位置選擇
在挖方邊坡比較陡峭時(shí)，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(zhì)條件不良情況下，還可以支擋可能坍滑的山坡土體。
對(duì)于采用路肩擋土墻或路堤擋土墻，應(yīng)結(jié)合具體條件考慮，必要時(shí)應(yīng)作技術(shù)經(jīng)濟(jì)比較。因?yàn)槁返虛跬翂Τ惺芎奢d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(shù)量較為接近，基礎(chǔ)情況相仿時(shí)，采用路肩墻比較有利。
4 土壓力的計(jì)算
擋土墻設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)合理，關(guān)鍵是正確地計(jì)算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)雜的問題，它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計(jì)算土壓力的理論和方法很多。由于庫(kù)倫理論概念清析，計(jì)算簡(jiǎn)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(dòng)土壓力計(jì)算，且一般情況下計(jì)算結(jié)果均能滿足工程要求，因此庫(kù)倫理論和公式是目前應(yīng)用最廣的土壓力計(jì)算方法。
4.1 庫(kù)倫主動(dòng)土壓力計(jì)算公式及計(jì)算簡(jiǎn)圖
主動(dòng)土壓力計(jì)算公式：
Eα=1/2γH2Ka
式中：Eα——主動(dòng)土壓力(KN)，γ——土的容重（KN/m3），H——擋土墻高(m) ，Ka——庫(kù)倫主動(dòng)土壓力系數(shù)。
《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)·路基》中，以庫(kù)倫理論為基礎(chǔ)，按墻后填土表面的形狀和車輛荷載分布情況的不同，推導(dǎo)出各種情況下的主動(dòng)土壓力計(jì)算公式，設(shè)計(jì)時(shí)可根據(jù)實(shí)際情況查表計(jì)算。
4.2 第二破裂面土壓力的計(jì)算
在擋土墻設(shè)計(jì)中，當(dāng)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(duì)墻背法線的傾角δ’小于或等于墻背摩擦角δ時(shí)，就會(huì)出現(xiàn)第二破裂面，這種情況下，應(yīng)按破裂面出現(xiàn)的位置來求算土壓力。
對(duì)于一般常用的俯仰式擋土墻，不會(huì)出現(xiàn)第二破裂面，對(duì)于衡重臺(tái)較寬的衡重式擋土墻，則較易出現(xiàn)第二破裂面。各種邊界條件的第二破裂面主動(dòng)土壓力計(jì)算公式詳見《公路設(shè)計(jì)手冊(cè)·路基》。
因此設(shè)計(jì)過程中，應(yīng)先采用試算的方法，判別第一破裂面出現(xiàn)的位置，計(jì)算破裂角，并根據(jù)計(jì)算所得的第二破裂面傾角判斷是否會(huì)出現(xiàn)第二破裂面，然后再選用合適的公式計(jì)算主動(dòng)土壓力。
5 擋土墻的穩(wěn)定驗(yàn)算及強(qiáng)度驗(yàn)算
擋土墻的設(shè)計(jì)應(yīng)保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動(dòng)和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強(qiáng)度、基底應(yīng)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(yīng)進(jìn)行墻的穩(wěn)定及強(qiáng)度驗(yàn)算。擋墻的驗(yàn)算方法有二種：一種是采用分項(xiàng)安全系數(shù)的極限狀態(tài)法，另一種是總安全系數(shù)的容許應(yīng)力法。目前國(guó)內(nèi)多數(shù)應(yīng)用容許應(yīng)力法設(shè)計(jì)擋土墻。下面是采用容許應(yīng)力法進(jìn)行擋土墻驗(yàn)算的簡(jiǎn)介。
5.1 滑動(dòng)穩(wěn)定驗(yàn)算
擋土墻沿基底的滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc應(yīng)不小于1.3。計(jì)算公式為：
Kc=（W+Ey）f / Ex
式中：W——擋土墻自重，衡重式時(shí)，包括衡重臺(tái)上的土重(KN)，Ex，Ey——主動(dòng)土壓力的水平和垂直分力（KN），f——基底摩擦系數(shù)。
設(shè)計(jì)中，為增加擋土墻的抗滑穩(wěn)定性，常將基底做成向內(nèi)傾斜，以增大滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)。基底斜坡坡度一般不超過1:5。
5.2 傾覆穩(wěn)定驗(yàn)算
擋土墻繞墻趾的傾覆穩(wěn)定系數(shù)Ko應(yīng)不小于1.5。計(jì)算公式為：
Ko=（WZw+EyZx）/（ExZy）
式中：Zx——Ey對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂 (m)，Zy——Ex對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂 (m)，Zw——W對(duì)墻趾O點(diǎn)的力臂 (m)。
5.3 基底應(yīng)力及偏心驗(yàn)算
基底的合力偏心距e。計(jì)算公式為：
e=B/2-Zn=B/2-（WZw+EyZx-ExZy）/（W+Ey）
在土質(zhì)地基上，e≤B/6；在軟弱巖石地基上，e≤B/5；在不易風(fēng)化的巖石地基上，e≤B/4。
當(dāng)e≤B/6時(shí)，墻趾和墻踵處的法向壓應(yīng)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(chǔ)寬度的修正系數(shù)，γ1 ——地基土的天然容重（KN/m3）。
當(dāng)e>B/6時(shí)，基底出現(xiàn)拉應(yīng)力，考慮到一般情況下地基與基礎(chǔ)間不能承受拉力，故不計(jì)拉力而按應(yīng)力重分布計(jì)算基底最大拉應(yīng)力：
σ1=2（W+Ey）/ 3Zn≤[σ]
若出現(xiàn)負(fù)偏心，則上式的Zn改為（B-Zn）。
5.4 墻身截面強(qiáng)度驗(yàn)算
通常選取一、兩個(gè)截面進(jìn)行驗(yàn)算。驗(yàn)算截面可選在基礎(chǔ)底面、1/2墻高處或上下墻交界處等。
墻身截面強(qiáng)度驗(yàn)算包括法向應(yīng)力和剪應(yīng)力的驗(yàn)算。剪應(yīng)力包括水平剪應(yīng)力和斜剪應(yīng)力兩種，重力式擋土墻只驗(yàn)算水平剪應(yīng)力，而衡重式擋土墻還需進(jìn)行斜截面剪應(yīng)力的驗(yàn)算。
6 采取措施
完成了擋土墻截面設(shè)計(jì)及穩(wěn)定、強(qiáng)度驗(yàn)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(chǔ)加固措施
6.1.1 為減少基底壓應(yīng)力，增加抗傾覆的穩(wěn)定性，在墻趾處伸出一臺(tái)階，以拓寬基底。墻趾臺(tái)階的寬度不小于20cm，臺(tái)階高寬比可采用3:2或2:1。
6.1.2 地基為軟弱土層時(shí)，可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質(zhì)量較好的材料換填，以擴(kuò)散基底壓應(yīng)力，滿足設(shè)計(jì)要求。
6.2 排水措施
對(duì)于漿砌石擋土墻，應(yīng)在墻前地面以上設(shè)置一排泄水孔。墻較高時(shí)，可在墻上部加設(shè)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(cuò)開設(shè)置。泄水孔進(jìn)水口應(yīng)設(shè)置反濾材料。
6.3 沉降縫與伸縮縫的設(shè)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(zhì)的變異，設(shè)置沉降縫，同時(shí)，為了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產(chǎn)生裂縫，需設(shè)置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設(shè)置在一起，每隔10~15m設(shè)置一道，縫寬2~3cm，自墻頂做至基底，縫內(nèi)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(nèi)、外、頂三側(cè)填塞，填塞深度不小于15cm。
6.4 墻頂與路面的銜接
當(dāng)墻頂寬大于土路肩寬度時(shí)，擋土墻侵入土路肩部分應(yīng)預(yù)留出相當(dāng)于路面結(jié)構(gòu)厚度部分以鋪筑路面。
6.5 車輛安全行駛保障措施
對(duì)于路肩墻，其墻頂面以下50cm采用C20砼澆筑，并預(yù)埋鋼筋，在其上設(shè)置防撞欄或防撞墻。
7 材料要求
7.1 石料須經(jīng)過挑選，質(zhì)地均勻，無裂縫，不易風(fēng)化。
7.2 石料的抗壓強(qiáng)度應(yīng)不低于30MPa。
7.3 盡量采用較大的石料砌筑，塊石應(yīng)大致方正，其厚度不小于15cm，寬度和長(zhǎng)度相應(yīng)為厚度的1.5~2.0倍和1.5~3.0倍。
7.4 采用7.5號(hào)砂漿砌筑，10號(hào)砂漿勾縫。
8 設(shè)計(jì)體會(huì)
8.1 設(shè)計(jì)參數(shù)的選取
因用于計(jì)算主動(dòng)土壓力的庫(kù)倫理論較適用于砂性土，而對(duì)于粘性土的壓力計(jì)算會(huì)存在一定的誤差，所以對(duì)于以粘性土做填料的擋土墻計(jì)算，設(shè)計(jì)參數(shù)如填料的內(nèi)摩擦角等的取值應(yīng)相對(duì)保守。由于庫(kù)倫理論是一種簡(jiǎn)化的土壓力計(jì)算方法，所以對(duì)于以砂性土做填料的擋土墻，設(shè)計(jì)參數(shù)也應(yīng)根據(jù)實(shí)際情況取相對(duì)保守值。
8.2 安全系數(shù)的選取
對(duì)墻高≥6m的擋土墻，實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)建議將安全系數(shù)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(gè)墻面坡。對(duì)于山區(qū)公路擋土墻，采用較陡的墻面坡，可有效減小墻高，節(jié)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(shè)計(jì)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(jié)合開挖的臨時(shí)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(yīng)增大。
對(duì)于衡重式路肩擋土墻，當(dāng)墻高≤8m時(shí)，上墻背坡取1:0.25，墻高＞8m而≤10m時(shí)，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(yīng)相應(yīng)加大。
8.5 設(shè)計(jì)控制重點(diǎn)
對(duì)于俯斜式擋土墻，由于所受土壓力較大，所以設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)注意其穩(wěn)定和抗傾覆的驗(yàn)算。對(duì)于衡重式擋土墻，一般較容易滿足穩(wěn)定要求，墻身斷面的強(qiáng)度成為擋土墻設(shè)計(jì)中主要的控制指標(biāo)，所以一定要采用高強(qiáng)度的材料砌筑。
9 結(jié)束語
公路擋土墻是路基防護(hù)工程的重要組成部分。在山區(qū)公路中，擋土墻的應(yīng)用更為廣泛。擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)進(jìn)行詳細(xì)地調(diào)查、勘測(cè)，確定構(gòu)造物的形式與尺寸，運(yùn)用合適的理論計(jì)算土壓力，并進(jìn)行穩(wěn)定性和截面強(qiáng)度方面的驗(yàn)算，采取合理、可行的措施，以保證擋土墻的安全性。
