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，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)計方案時，應(yīng)與其他工程方案進行技術(shù)經(jīng)濟比較，分析其技術(shù)的可行性、可靠性及經(jīng)濟的合理性，然后才確定設(shè)計方案，并根據(jù)實際情況進行擋土墻的選型。
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）的設(shè)計，主要負責(zé)路基防護工程，特別是擋土墻的設(shè)計，對山區(qū)公路擋土墻的設(shè)計積累了一定的經(jīng)驗與體會，在此提出，僅供同類工程設(shè)計時參考。
2 擋土墻設(shè)計的基礎(chǔ)資料及設(shè)計參數(shù)
2.1 基礎(chǔ)資料
擋土墻設(shè)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(zhì)資料（包括工程地質(zhì)勘察報告、工程物探報告），地震勘探報告，水文資料，總體設(shè)計資料及構(gòu)造物一覽表等。
2.2 設(shè)計參數(shù)的選取
2.2.1 墻背填料的物理力學(xué)性質(zhì) 對于山嶺重丘二、三級公路的擋土墻設(shè)計，當缺乏試驗數(shù)據(jù)時，填料的計算內(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 填料標準容重
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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)計手冊·路基》及有關(guān)設(shè)計規(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)計規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.6 砌體的容許應(yīng)力和設(shè)計強度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(guī)范規(guī)定選取。
2.2.7 砼的容許應(yīng)力和設(shè)計強度 根據(jù)有關(guān)設(shè)計規(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，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好地滿足經(jīng)濟、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)類型及其特點分析，當墻高＜5時，采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡單，施工方便的優(yōu)勢。同時，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(jīng)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(jié)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(zhì)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(yīng)結(jié)合具體條件考慮，必要時應(yīng)作技術(shù)經(jīng)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(shù)量較為接近，基礎(chǔ)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(shè)計的經(jīng)濟合理，關(guān)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(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(jié)果均能滿足工程要求，因此庫倫理論和公式是目前應(yīng)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(shù)。
《公路設(shè)計手冊·路基》中，以庫倫理論為基礎(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土壓力計算公式，設(shè)計時可根據(jù)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(shè)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(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。
對于一般常用的俯仰式擋土墻，不會出現(xiàn)第二破裂面，對于衡重臺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土壓力計算公式詳見《公路設(shè)計手冊·路基》。
因此設(shè)計過程中，應(yīng)先采用試算的方法，判別第一破裂面出現(xiàn)的位置，計算破裂角，并根據(jù)計算所得的第二破裂面傾角判斷是否會出現(xiàn)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(wěn)定驗算及強度驗算
擋土墻的設(shè)計應(yīng)保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)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(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)進行墻的穩(wěn)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(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。目前國內(nèi)多數(shù)應(yīng)用容許應(yīng)力法設(shè)計擋土墻。下面是采用容許應(yīng)力法進行擋土墻驗算的簡介。
5.1 滑動穩(wěn)定驗算
擋土墻沿基底的滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc應(yīng)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(shù)。
設(shè)計中，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(yīng)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(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e≤B/6時，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e>B/6時，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，故不計拉力而按應(yīng)力重分布計算基底最大拉應(yīng)力：
σ1=2（W+Ey）/ 3Zn≤[σ]
若出現(xiàn)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(chǔ)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(yīng)力和剪應(yīng)力的驗算。剪應(yīng)力包括水平剪應(yīng)力和斜剪應(yīng)力兩種，重力式擋土墻只驗算水平剪應(yīng)力，而衡重式擋土墻還需進行斜截面剪應(yīng)力的驗算。
6 采取措施
完成了擋土墻截面設(shè)計及穩(wěn)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(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(zhì)量較好的材料換填，以擴散基底壓應(yīng)力，滿足設(shè)計要求。
6.2 排水措施
對于漿砌石擋土墻，應(yīng)在墻前地面以上設(shè)置一排泄水孔。墻較高時，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，上下排泄水孔錯開設(shè)置。泄水孔進水口應(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，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
當墻頂寬大于土路肩寬度時，擋土墻侵入土路肩部分應(yīng)預(yù)留出相當于路面結(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號砂漿砌筑，10號砂漿勾縫。
8 設(shè)計體會
8.1 設(shè)計參數(shù)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(shè)計參數(shù)如填料的內(nèi)摩擦角等的取值應(yīng)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(shè)計參數(shù)也應(yīng)根據(jù)實際情況取相對保守值。
8.2 安全系數(shù)的選取
對墻高≥6m的擋土墻，實際設(shè)計時建議將安全系數(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墻面坡。對于山區(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(yīng)相應(yīng)加大。
8.5 設(shè)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(shè)計時應(yīng)注意其穩(wěn)定和抗傾覆的驗算。對于衡重式擋土墻，一般較容易滿足穩(wěn)定要求，墻身斷面的強度成為擋土墻設(shè)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(jié)束語
公路擋土墻是路基防護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)計時，應(yīng)進行詳細地調(diào)查、勘測，確定構(gòu)造物的形式與尺寸，運用合適的理論計算土壓力，并進行穩(wěn)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。