由呼图壁县白杨沟煤矿道路改建工程浅谈挡土墙设计
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摘要：整理了规范中挡土墙常用的一些类型。汇总了挡土墙结构计算常用的理论、公式及其他须考虑的安全因素及措施。
关键词：挡土墙设计土压力库伦理论稳定,截面强度
前言：呼图壁县白杨沟煤矿道路的技术标准为：厂矿道路四级，砂砾路面，道路等级较低。工程所在地位于呼图壁县白杨沟煤矿内，为该地区煤矿运输的重要线路。属山岭重丘区地形。原有道路只有5m，现要改扩至10m,道路两侧为坚硬岩石，及深谷。扩建过程中，改建路线在充分利用原有道路路基的基础上优化线型，尽量实现路线半填半挖，土方平衡。但是在部分地段还是存在高差深达10-15m边坡极陡的深谷，如全部采用填土的方法，土方工程量会非常艰巨，而且道路两侧草场占用费也会非常高，因此考虑挡土墙的设置。
挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的构造物。在路基工程中，挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。挡土墙的形式多种多样，按其结构特点，可分为：石砌重力式、石砌衡重式、加筋土轻型式、砼半重力式、钢筋砼悬臂式和扶壁式、柱板式、锚杆式、锚定板式及垛式等类型；按其中路基横断面上的位置，又可分：路肩墙、路堤墙及路堑墙；按所处的环境条件，又可分为：一般地区挡墙、浸水地区挡土墙及地震地区挡土墙。挡土墙设计时应进行方案比选,除考虑圬工数量、设置后开挖土石方量的多少、施工安全等因素外,还要考虑技术的可行性、安全性及经济的合理性,定出合理的截面尺寸。因挖方及填方边坡高度较大、设置的挡土墙较高，需对设置的挡土墙进行严格的验算和考虑。方案比选非常重要。
１挡土墙设计参数
挡土墙设计时,除需要道路平面图、纵断面图、横断面图,岩土工程详细勘察报告等基础资料外,设计参数的选取也非常重要,特别是填料的内摩擦角对土压力值影响很大,应恰当选取。
(1)墙背填料的物理力学指标应以实验指标为准。
(2)填土与墙背间的摩擦角δ应根据墙背的粗糙程度及排水条件确定。对于浆砌片石墙体可采用δ=(1/2～2/3)ψ。排水条件良好时,可取高值;第二破裂面或假想墙背δ=ψ。
(3)基底摩擦系数μ应根据地基土的分类确定。硬塑粘土一般取0.3。
(4)地基容许承载力应按钻探资料为准。无钻探资料时,可根据有关设计规范规定选取。
(5)砌体的容重、容许应力和设计强度,根据有关设计规范规定选取。
２挡土墙材料选择
浆砌片石挡土墙取材容易,施工简便,适用范围比较广泛。采用浆砌片石砌筑,可以较好地满足经济、安全方面的要求。石料的抗压强度不低于30MPa,其厚度不小于15cm,宽度和长度相应为厚度的1.5至2倍和1.5至3倍。其中一条边长不小于30cm,体积不小于0.01m³。砌筑时敲除尖锐凸出部分。
３挡土墙截面形式选择
浆砌片石挡土墙墙顶宽度应大于0.5m,当墙高小于5m,且使用位置是路堤或路肩时,采用重力式挡土墙,可以发挥其形式简单,施工方便的优势。至于是采用路肩挡土墙或路堤挡土墙,应结合用地条件考虑,必要时可作技术经济比较。因为路堤挡土墙承受荷载比路肩挡土墙大,受力条件较为不利,虽然墙高减小,但是墙的宽度要增加,所以路堤墙与路肩墙的截面污工数量较为接近,基础情况相仿时,采用路肩墙比较有利。当墙高大于5m,且地基条件较好时,较多采用衡重式挡土墙,利用衡重台上填土的下压作用和全墙重心后移,增加墙身稳定,可以有效地减小截面和基础开挖,节省材料。在挖方边坡比较陡峭时,采用路堑挡土墙,可减少土方开挖,避免破坏原状土体;在地质条件不良情况下,还可以支挡可能坍滑的山坡土体。
４挡土墙的稳定验算及强度验算
挡土墙的设计应保证其在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆,并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。因此在拟定墙身断面形式及尺寸之后,应进行墙的稳定及强度验算。挡墙的验算方法有二种:一种是采用分项安全系数的极限状态法,另一种是总安全系数的容许应力法。目前国内多数应用容许应力法设计挡土墙。下面是采用容许应力法进行挡土墙验算的简介。
4.1滑动稳定验算
挡土墙沿基底的滑动稳定系数Kc应大于1.3。计算公式为:
Kc=(W+Ey)f/Ex
式中:W为挡土墙自重,衡重式时,包括衡重台上的土重(kN);Ex,Ey为主动土压力的水平和垂直分力(kN);f为基底摩擦系数。设计中,为增加挡土墙的抗滑稳定性,常将基底做成向内倾斜,以增大滑动稳定系数。基底斜坡坡度一般不超过1∶5。也可加凸榫抵抗滑动。
4.2倾覆稳定验算
挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数Ko应大于1.5。计算公式为:
Ko=(WZw+EyZx)/(ExZy)
式中:Zx为Ey对墙趾O点的力臂(m);Zy为Ex对墙趾O点的力臂(m);Zw为W对墙趾O点的力臂(m)。
4.3基底应力及偏心验算
基底的合力偏心距e。计算公式为:e=B/2-Zn=B/2-（WZw+EyZx-ExZy）/（W+Ey）
式中:Zn为基底合力的法向分力N对O点的力臂(m)。
在土质地基上,e≤B/6;在岩质地基上,e≤B/5。
当e≤B/6时,墙趾和墙踵处的法向压应力为:
σ1,2=(W+Ey)(1±6e/B)/B≤[σ]
式中:[σ] 为地基土修正后的容许承载力(kPa)。
[σ]= [σo]+K1γ1（B-2）
式中:[σo]为地基土的容许承载力(KPa);
K1为地基土容许承载力随基础宽度的修正系数; γ1为地基土的天然容重(kN/m3)。
当e>B/6时,基底出现拉应力,考虑到
一般情况下地基与基础间不能承受拉力,故不计拉力而按应力重分布计算基底最大拉应力:σ1=2(W+Ey)/3Zn≤[σ]
若出现负偏心,则上式的Zn改为(B-Zn)。
当基底应力或偏心距过大时,可采取加宽墙趾的办法。也可换填地基土以提高承载力;调整断面形式减小偏心距。
4.4墙身截面强度验算
通常选取一、两个截面进行验算。验算截面可选在基础底面、1/2墙高处或上下墙交界处等。墙身截面强度验算包括法向应力和剪应力的验算。剪应力包括水平剪应力和斜剪应力两种，重力式挡土墙只验算水平剪应力，而衡重式挡土墙还需进行斜截面剪应力的验算。
4.5完成了挡土墙截面设计及稳定、强度验算之后，必须采取必要的措施，以保证挡土墙的安全性。同时，不能简单地认为陡坡挖成台阶后，再填筑就不会形成滑坡体。当台阶土质强度较低时，滑面可能产生在台阶内或台阶面以下的土体中，此时滑面的内摩擦角为台阶的内摩擦角；当台阶土体的强度较高时，滑面可能产生在台阶以上的回填料土体中，此时，滑面的内摩擦角为填料的内摩擦角，计算时应加以注意对矿山公路陡坡挡土墙的设计，不能仅计算墙背填土的主动土压力，而且还要充分考虑地形、地质及水文等条件的不利影响，应对墙后土体下滑的可能性进行验算，计算其滑坡推力。当计算的滑坡推力小于主动土压力时，墙后土体不会形成滑坡体下滑，此时应以主动土压力控制设计；当滑坡推力大于主动土压力时，应把滑坡推力作为设计推力控制设计。这样从设计上根本解决挡土墙的工程隐患。
4.6为保证石砌挡土墙的安全所采取的一些措施和建议。
(1)挡土墙应分段挖基坑及分段砌筑,
每段长度一般为10m。两段间设置沉降缝,缝宽2cm,沿墙的内、外、顶三侧用沥青沙板或沥青麻根填塞,填塞深度不小于15cm。
(2)挡土墙在墙身适当高度,设置尺寸为5cmPVC管泄水孔。孔眼横竖间距为2m～3m,上下排交错设置。最下排泄水孔距路面为30cm,泄水孔进水口设碎石反滤层。PVC管有10cm伸入反滤层,伸入反滤层的部分钻孔,端部用土工布包裹。
(3)路堑挡土墙墙后土体严禁超挖,若出现超挖部分须用石料与墙体一并砌筑。
(4)挡土墙的基础面控制在原地面以下50cm,挡土墙砌筑完毕后,严禁在挡土墙前开挖。
(5)在同一路段上的挡土墙,建议选择断面形式时不宜过多,以免造成施工困难和影响墙体外形的整齐与美观。
(6)当挡土墙高度大于5m时,建议采用片石砼砌体挡土墙,高挡土墙建议采用钢筋混凝土挡土墙。以增强挡土墙的安全性。
结语
公路挡土墙是路基防护工程的重要组成部分。在山区公路中，挡土墙的应用更为广泛。挡土墙设计时，应进行详细地调查、勘测，确定构造物的形式与尺寸，运用合适的理论计算土压力，并进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理、可行的措施，在确保挡土墙安全的同时，挡土墙工程也要尽量做到与环境协调,以提高道路的环境质量。
参考文献：
[1]JTGD-30-2004，公路路基设计规范
[2]黄少辉山区公路挡土墙设计浅析来源:中国边坡网
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