某省道重力式挡土墙加凸榫受力性能优化分析

某省道重力式挡土墙加凸榫受力性能优
化分析
摘要：在国省道的建设过程中，不可避免的会出现一定的填挖方情况，尤其
是山区公路，若是通行的路段有用地红线控制或是经过基本农田控制区，设置挡
土墙便是一种有效的避让方法，其能显著减少公路工程的建设用地，降低对周边
环境的扰动。

重力式挡土墙施工工艺简单、成熟，是公路工程中最常使用的挡土
墙形式。

本文以某省道改建项目为工程依托，分别分析了重力式路堤墙带凸榫与
不带凸榫的力学特性和稳定性，同时对挡土墙的截面样式进行优化设计以提高其
结构抗力，总结重力式挡土墙的设计要点，为相似工程提供参考。

关键词：凸榫；挡土墙；截面设计
1 概述
随着我国交通运输行业的不断完善与发展，国省道公路网也愈发的密集和发达，在山区公路的建设过程中，由于路线纵坡和高程的控制，不可避免的会出现
一些较高填、挖方边坡的路段，合理的设置挡土墙可以有效收坡，减少土石方数量，从一定程度上降低对自然环境的扰动。

当公路确需穿越某些不良地质路段时，设置挡土墙可以稳定边坡，保证路基的承载能力。

挡土墙的形式多样，不同墙型
也有着不同的墙身材料，常用的挡土墙形式有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式
以及桩板式等，它们都有各自不同的适用条件。

具体设计时应该因地制宜，综合
考虑施工工艺水平、填挖方高度、地基承载力、耐久性及工程造价等因素，选择
最佳墙型。

本文基于广东省某实际的工程案例，针对重力式挡土墙展开设置防滑凸榫前
后的力学性能对比分析，而后对其截面形式进行优化设计，提高挡墙抗力，可为
类似工程提供经验参考。

2 凸榫对结构抗力的提升机理
重力式挡土墙作为路基防护工程中的常用结构形式，由于其构造形式简单、
施工方便、工程造价低及适用性强等特点被广泛公路、铁路、建筑等基础设施建
设领域中，其主要依靠结构的自身重力来维持其稳定性，以抵抗外界的土压力、
汽车、人群等荷载。

挡墙墙背线形一般有俯斜式、仰斜式直立式以及折线形（衡
重式）。

挡土墙的受力分析一般从墙身强度、地基承载力、抗倾覆及抗滑移四个
方面进行分析。

对于抗滑稳定性而言，可以通过换填基底材料、采用扩大基础、增大基底斜
率设置防滑凸榫等措施来加强。

凸榫的设置相当于给墙体施加了一个“锚定作用力”，该力的本质即为凸榫前土体的被动土压力及一部分的基底摩擦力，其能有
效抵消墙体受到的滑动推力。

3 工程实例
以某省道二级公路收坡路堤墙为例，由于其交通量较大，来往行人多，考虑
基本组合下的抗倾覆稳定安全系数取值为 1.5，抗滑移稳定安全系数取值为 1.3，且该路段穿越一小型鱼塘，土基已进行碎石土的整体换填处理，基底摩擦系数取0.55，墙背回填粗粒土，墙高3.5m，墙顶上部土层高2m。

工程地质条件及墙身
设计参数取值如下：
表1墙背填土及地基设计参数
表2墙身材料设计参数
基于等代土层的设计方法，墙顶荷载有堆土荷载、汽车荷载、行人荷载，不考虑地震作用效应。

在基本组合作用下，保证挡土墙的安全和正常使用时，加凸榫前后的墙体的受力性能分析如下。

表3计算结果
图1基准截面形式（墙顶宽0.5不设置凸榫）
图2截面形式1（不带凸榫）
图3截面形式2（带凸榫）
对比1、3两项计算结果可知，当挡土墙的截面样式类似，墙顶宽度一致均为0.5m时，仅改变挡土墙体的基底做法，墙身的稳定情况，由基底不设置凸榫时的（地基土层水平向抗滑移验算不满足，即Kc2<=1.300）抗滑移稳定系数
1.041，直接质变为设置凸榫后的3.180，其抗滑移稳定性得到了极大的增强，并且总体来说截面面积增加较少。

对比1、2两项计算结构可知，不改变基底做法及墙身截面特性，而采用常规的直接增大挡墙体积的方法（墙顶宽度由0.5m加宽至0.6m）相对来说收效甚微。

显而易见，对比2、3结算结果可知，从实际工程造价的角度出发，不带凸榫的挡土墙要满足抗滑要求则必须加大截面尺寸，以致墙身材料用量增加较多，而带凸榫的挡土墙与倾斜基底的挡土墙的工程造价差别不大。

总而言之，结合上述挡土墙的截面设计方案及表3的计算成果可知，凸榫的增设可以显著提高挡土墙的抗滑移稳定性，且相较于常规做法设置倾斜基底或是增大挡土墙的截面形式来说成效更好。

4 截面优化设计
1.
1.
设计凸榫[1]
挡土墙没有设置凸榫时，抗滑力主要由基底摩擦力承担。

设置凸榫后，抗滑
力由两部分组成，B
2凸榫后的基底抗滑摩擦力与凸榫前被动土压力ｅ
p
，B
1
凸榫前
只有被动土压力而无摩擦阻力。

凸榫高度h
t
计算公式为：
式中，K
c 为滑动安全系数，E
a
为主动土压力，f为基底摩擦系数，B
2
为凸榫前
缘至墙踵的基底宽，若是中部压应力σ
2不便于求取，则凸榫前的被动土压力e
p
可以近似按照以下公式计算：
式中，σ
1、σ
2
、σ
3
为墙趾、墙踵及凸榫前缘处基底的压应力。

由《公路路基设计手册》可知，凸榫宽度B
t
可按以下经验公式计算，取计算结果中的较大值为设计值：
1）按截面上的弯矩控制计算：
2）按截面上的剪力控制计算：
式中，[σ
WL ]为混凝土的容许弯曲拉应力，[σ
j
]为混凝土的容许剪应力[2]。

图4带凸榫挡土墙基底受力分析图
4.2 截面设计
不难得出，凸榫设置位置的不同，对挡墙结构的抗滑性能增幅程度亦不相同。

设置位置由墙趾到墙踵其抗滑性能一般是逐渐递增的，分析这一结果的原因应该是，在挡墙基底宽度不变的情况下，凸榫越靠近墙踵，可能出现的滑移圆弧曲线
长度越长、范围越大，可利用的基底摩擦力越大，即挡土墙的抗滑稳定安全系数
也就越大[3]。

考虑到挡土墙基底的构造要求以及施工的便利性，实际设计时常将凸榫设置
于挡土墙基底的中部附近，此时凸榫的受力状态相对均衡。

一般来说，在满足有
关技术规范提及的构造要求前提下，凸榫对墙身结构的“抗力增幅”与凸榫的尺
寸规格呈正相关。

5 结语
本文从实际的工程案例出发，同时结合《公路路基设计手册》中凸凸榫的作
用原理，分别阐述了设置凸榫与不设置凸榫对挡土墙结构稳定性的影响以及对受
力性状的改善程度。

不难得出，相较于传统的单纯加大重力式挡土墙的体积来提高抗滑性能来说，设置凸榫的效果将更为显著，而且相对来说还能有效降低工程造价。

[1] 安永昌. 山区公路挡墙防护结构优化设计与应用[D]. 重庆:重庆交通大学,2015.
[2] 交通部第二公路勘察设计院. 公路路基设计手册[M].北京:人民交通出版社,1996.
[3] 刘彦琦, 吴霞, 陈贤, 王瑞瑶. 带凸榫挡土墙的作用分析及优化设计[J]. 水电站设计 ,2021,37(1):20-22, 34.。