陡坡挡土墙设计探讨

陡坡挡土墙设计探讨

[摘要]分析陡坡挡土墙破坏的原因，提出陡坡挡土墙设计时不能仅考虑墙后土体主动土压力，而且还要充分考虑地形、地质及水文等不利因素，对墙后土体滑坡的可能性进行验算，计算滑坡推力，并以这两种力进行比较，找出对挡土墙作用的最不利因素，从而对挡土墙的稳定性、强度及基底进行验算。

[关健词]陡坡挡土墙滑坡推力主动土压力

1、引言

挡土墙在道路桥梁工程、房屋建筑等工程中应用广泛，如桥台、路堤挡土墙等。

然而，修筑在陡坡上的挡土墙，在施工中或交付使用后，往往出现各种类型的破坏，如墙身开裂、倾斜、平移、地基隆起、甚至倒塌。究其破坏的原因是多方面的，施工、养护及使用不当可造成挡土墙的工程破坏，但也不能否认设计环节的失误对挡土墙修建的失败有着不可推卸的责任。

目前挡土墙的设计方法一直沿用有关土压力的理论和公式，先凭经验初步拟定截面尺寸，然后进行挡土墙的验算，如不满足要求，则改变截面尺寸或采取其它措施。挡土墙的计算包括以下内容：（1）稳定性验算，包括抗倾覆和抗滑移稳定性验算；（2）地基的承载力验算；（3）墙身强度验算。然而，陡坡挡土墙修筑在陡坡上，横坡较大，容易出现墙后土体滑坡，设计上只考虑主动土压力，而忽略比主动土压力对挡土墙的作用更为不利的滑坡推力，则是挡土墙修建失败的重要原因之一。

2、滑坡的形成条件

引起滑坡的根本原因在于组成斜坡的岩土性质、结构构造和斜坡的外形。也就是滑坡产生的内部条件。

（1）由软质岩石及覆盖土所组成的斜坡，在雨季或浸水后，因抗剪强度显著降低而极易产生滑动。

（2）斜坡的岩层层面、节理、裂缝以及断层面等部位易于风化，抗剪强度低，当它们的倾向与斜坡的坡面的倾向一致时，就容易产生滑坡。

（3）斜坡的坡高、倾角和断面形状对斜坡的稳定性也有很大的影响。

滑坡产生的主要外部条件有：（1）水的作用；（2）地震作用；（3）人为因素的影响，如不合理地开挖坡脚、不适当地在斜坡上弃土或堆置材料等。

3、陡坡挡土墙的主动土压力与滑坡推力

主动土压力是墙后土体沿土体中某一平面滑动面滑动而产生，滑坡推力也是墙后土体沿某一滑动面滑动而产生，但滑动面一般为折线形，可能滑动面有：（1）墙后土体与基底接触面；（2）斜坡覆盖层与基岩接触面；（3）岩层软弱层面。

作用于陡坡挡土墙的主动土压力和滑坡推力是墙后土体沿不同的滑动面滑动而产生，而真正的滑动面应是对挡土墙最为不利的滑动面，故作用于陡坡挡土墙上的土压力可能是主动土压力和滑坡推力两者之一，或是两者的混合作用，如主动土压力对挡土墙的抗滑移起控制作用，而滑坡推力对挡土墙的抗倾覆起控制作用的情况。

滑坡推力与主动土压力相比，除大小不同外，其分布情况、作用点与方向均不同。滑坡推力对墙背的压力强度近似于矩形，合力作用点位于滑动面以上的1/2墙高处，方向与靠近墙背的滑动面平行。主动土压力对墙背的压力强度一般为三角形，合力作用点位于滑动面以上的1/3墙高处，方向与墙背倾斜度、填料与墙背的摩擦角有关。不难看出，滑坡推力的作用点比主动土压力的作用点高，可能对挡土墙的抗倾覆稳定性更为不利。

4、陡坡挡土墙设计方法

设计上应分别计算主动土压力与滑坡推力，如计算的滑坡推力小于零，则按主动土压力设计挡土墙；如计算的滑坡推力大于零，则应先初步拟定挡土墙的截面尺寸，再按两种力分别作用下验算挡土墙的抗倾覆、抗滑移、地基承载力、墙身强度，直至满足要求为止。

5、工程实例

见图1，某山体裸露石灰岩的陡坡上修建道路，填料为碎石土，内摩擦角φ=40°,粘聚力c=0，填料容重γ=19kN/m3。裸露石灰岩与填料接触面的摩擦角φ=26°48′，粘聚力c=0，地基承载力设计值f=300kN/m2。坡顶荷载按q=5kN/m2计算。挡土墙采用M7.5水泥砂浆砌MU30毛石，砌体容重γ=23kN/m3，填料与墙背接触面的摩擦角δ=20°，石灰岩对挡土墙基底的摩擦系数μ=0.60。初拟挡土墙截面见图1。

以下进行挡土墙设计计算（挡土墙纵向取1m计算）：

（1）计算主动土压力

按有关公式计算（因坡顶荷载q距离挡土墙较远，由库伦公式得出其滑动面交于边坡，见图2-a，故公式中取q=0），得主动土压力Ea=81.5kN，作用点及方向见图2-a，故Eax=76.6kN，Eaz=27.9kN。

（2）计算滑坡推力

滑坡推力的计算常用折线法，又称传递系数法。

按有关公式，取安全系数Kt=1.15，此时应考虑q=5kN/m2，得滑坡推力F=54.7kN，作用点及方向见图2-b，故Fx=52.6kN，Fz=15.1kN。

（3）挡土墙抗倾覆验算

两种力分别作用下的抗倾覆验算见表1。

由此可见，两种力分别作用下，抗倾覆验算主要由滑坡推力控制。

（4）挡土墙抗滑移验算

两种力分别作用下的抗滑移验算见表2。

表2

由此可见，两种力分别作用下，抗滑移验算主要由主动土压力控制。

（5）挡土墙地基承载力验算

由于基底面倾斜，地基承载力设计值f应乘以折减系数0.8。两种力分别作用下的地基承载力验算见表3。

表中B—无台阶时的基底宽度，B/4=1.97/4=0.49m；

f—地基承载力设计值，0.8f=240kN/m2，1.2×0.8f=288.0kN/m2。

由此可见，两种力分别作用下，地基承载力验算主要由主动土压力控制。

（6）挡土墙墙身强度验算

验算墙身A—A截面，见图2，A—A截面内力设计值见图3。

表中y—截面重心到轴向力所在偏心方向截面边缘的距离，0.7y=0.63m。

e≤0.7y时，受压承载力按下式验算：

N≤φfA

式中N—荷载设计值产生的轴向力；

φ—高厚比和轴向力的偏心距对受压构件承载力的影响系数；

f—砌体抗压强度设计值；

A—截面面积。

受剪承载力按下式验算：

V≤（fv+0.18σk）A

式中fv—砌体抗剪强度设计值；

σk—恒荷载标准值产生的平均压应力。

综合上述受压、受剪承载力验算，不难看出，挡土墙墙身强度验算主要由主动土压力控制。

6、总结

对于陡坡挡土墙的设计，不能仅仅计算墙后填土的主动土压力，而应充分考虑产生滑坡的内部和外部条件，对墙后土体下滑的可能性进行验算，计算其滑坡推力。当计算得到的滑坡推力小于零，墙后土体不会产生滑坡，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，一般应以滑坡推力控制设计；当主动土压力大于滑坡推力时，挡土墙的抗倾覆稳定性计算应取其产生的倾覆力矩较大者进行验算，抗滑移稳定性计算应取其水平分力较大者进行验算，同时地基承载力、墙身强度的验算也应以对挡土墙最为不利的因素进行验算。