浅论挡土墙

浅论挡土墙
摘要挡土墙是特种结构中非常重要的结构，是建筑工程、道路工程、矿山桥梁工程中非常普遍的支挡结构，本论文主要介绍挡土墙的分类、特点、适用范围、结构设计要点、研究进展和目前的难点热点以及设计时应该注意哪些问题。

关键词挡土墙适用范围设计要点环境因素
一、概述
挡土墙是为防止路基填土或山坡土体坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物
二、分类
公路工程中的挡土墙主要按下述几种方法进行分类
按照挡土墙设置的位置：路堑墙、路堤墙、路肩墙和山坡墙等类型
按照结构形式：重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙
按照墙体材料：石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙
三、特点
（一）重力式挡土墙
这种挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材、适应性强，因而应用广泛。

由于重力式挡土墙依靠自身重力来维持平衡稳定，因此墙身断面大，圬工数量也大，在软弱地基上修建时往往受到承载力的限制。

如果墙过高，材料耗费多，因而亦不经济。

当地基较好，墙高不大，且当地又有石料时，一般优先选用重力式挡土墙。

（二）加筋土挡土墙
1、可以做成很高的垂直填土,从而减少占地面积,这对不利于开挖的地区,城市道路以及土地珍贵地区而言, 有着很大的经济效益.
2、面板,筋带可以在工厂中定形制造,加工,在现场可以用机械分层施工.这种装配式施工方法简便快速, 并且节省劳动力和缩短工期.
3、加筋土是柔性结构物,能够适应地基较大的变形,因而可用于较软的地基上.同时,由于加筋土结构所特有的柔性能够很好地吸收地震的能量,故其抗震性好.
4、造价低廉
（三）锚定板式挡土墙
锚定板式挡土墙是由钢筋混凝土墙面、钢拉杆、锚走板以及其间的填土共同形成的一种组合挡土结构，它借助于埋在填土内的锚定板的抗拔力抵抗侧土压力，保持墙的稳定。

锚定式挡土墙的特点在于构件断面小，工程量省，不受地基承载力的限制，构件可顶制．有利于实现结构轻型化和施工机械化。

四、适用范围
（一）重力式挡土墙
当墙背只有单一坡度时，称为直线形墙背；若多于一个坡度，则称为折线形墙背。

直线形墙背可做成俯斜、仰斜、垂直三种，墙背向外侧倾斜时称为俯斜，墙背向填土一侧倾斜时称为仰斜，墙背垂直时称为垂直；折线形墙背有凸形折线墙背和衡重式墙背两种。

仰斜墙背所受的土压力较小，用于路堑墙时墙背与开挖面边坡较贴合，因而开挖量和回填量均较小，但墙后填土不易压实，不便施工。

当墙趾处地面横坡较陡时，采用仰斜墙背将使墙身增高，断面增大，所以仰斜墙背适用于路堑墙及墙趾处地面平坦的路肩墙或路堤墙。

俯斜墙背所受土压力较大，其墙身断面较仰斜墙背时要大，通常在地面横坡陡峻时，利用陡直的墙面，以减小墙高。

俯斜墙背可做成台阶形，以增加墙背与填土之间的摩擦力。

垂直墙背的特点介于仰斜和俯斜墙背之间。

凸形折线墙背系由仰斜墙背演变而来，上部俯斜、下部仰斜，以减小上部断面尺寸，多用于路堑墙，也可用于路肩墙。

衡重式墙背在上下墙之间设有衡重台，利用衡重台上填土的重力使全墙重心后移，增加了墙身的稳定。

由于采用陡直的墙面，且下墙采用仰斜墙背，因而可以减小墙身高度，减少开挖工作量。

适用于山区地形陡峻处的路肩墙和路堤墙，也可用于路堑墙。

（二）加筋土挡土墙
加筋土的基本原理是借助于拉筋与填土间的摩擦力来提高填土的抗剪强度,从而保证土体平衡. 加筋土体工作时,土和拉筋一起承受外部和内部的荷载,由于土与拉筋之间的摩擦作用, 将士中的应力传递给拉筋,而拉筋所产生的拉应力抵抗了土体的水平位移,适用于填土路基。

锚定式挡土墙可分为锚杆式和锚定板式两种，锚杆式挡土墙是由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。

锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中。

墙后侧向土压力由挡土板传结立柱，由锚杆与稳定岩层或上层之间的锚固力，使墙获得稳定。

它适用于墙高较大，缺乏石料或挖基困难地区，具有锚固条件的路堑挡土墙。

五、结构设计方法
（一）重力式挡土墙
设计重力式挡土墙，一般先通过满足挡土墙的抗滑移要求确定挡土墙的总工程量，再进行细部尺寸调整，以满足挡土墙的抗倾覆要求
1、必要数据的确定
断面形式的确定
根据重力式挡土墙结构类型及其特点，我们可以根据实际条件，选择不同类型的断面结构。

如果地面横坡比较陡峭，若采用仰斜式挡土墙，一定会过多增加墙高，断面增大，造成浪费，而采用俯斜式挡土墙会比较经济合理。

只有在路堑墙、墙趾处地面平缓的路肩墙或路堤墙等情况下，才考虑采用仰斜式挡土墙。

挡土墙的截面尺寸的确定
重力式挡土墙是靠自身重力来抵抗土压力，在设计时，重力式挡土墙的截面尺寸一般按试算法确定，可结合工程地质、填土性质、墙身材料和施工条件等方面的情况按经验初步拟定截面尺寸，然后进行验算，如不满足要求，则应修改截面尺寸或采取其它措施，直到满足为止。

土压力的确定
挡土墙设计的经济合理，关键是正确地计算土压力，确定土压力的大小、方向与分布。

土压力计算是一个十分复杂的问题，它涉及墙身、填土与地基三者之间的共同作用。

计算土压力的理论和方法很多，由于库伦理论概念清析，计算简单，适用范围较广，因此库伦理论和公式是目前应用最广的土压力计算方法。

2、重力式挡土墙的计算内容
从安全地角度考虑，当埋入土中不算很深时，作用于挡土墙上的荷载有主动土压力、挡土墙自重、墙面埋入土中部分所受的被动土压力，一般可忽略不计。

重力式挡土墙的计算内容主要进行稳定性验算、地基承载力验算和墙身强度验算。

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（采用容许应力法）。

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。

剪应力虽然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。

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）
在土质地基上，e≤B/6；在软弱岩石地基上，e≤B/5；在不易风化的岩石地基上，e≤B/4。

3、挡土墙稳定性增大的措施
倾覆稳定性增大的措施
为减少基底压应力，增加抗倾覆的稳定性，可以在墙趾处伸出一台阶，以拓宽基底，以增大稳定力臂。

另外可以改变墙背或墙面的坡度,以减小土压力或增大力臂。

改变墙身形式,如采用衡重式、拱桥式等。

滑动稳定性增大的措施
重力式抗滑挡土墙的墙背坡度一般采用1:0.25，墙后常设卸荷平台，墙基一般做成倒坡或台阶形，墙高和基础的埋深必须按地基的性质，承载力的要求,地形和水文地质等条件,通过验算来确定。

此外，为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，应根据地质条件的变化和墙高，墙身断面的变化而设置沉降缝和伸缩缝。

（二）加筋土挡土墙
1、车辆荷载换算
r——加筋体填土容重，kN／m3；
∑G——布置在B x L0面积内的轮载或履带荷载，KN
2、加筋土挡土墙在使用过程中发挥应有的作用，设计时应进行内部稳定性和外部稳定性计算。

加筋土挡土墙设计的首要问题是确定破裂面的形状和位置。

由实验室模型试验和实地加
筋土挡土墙原型试验测定的结果表明：拉筋上的最大拉力点不是出现在拉筋与墙面板的连接
处，而是在墙体内部，连接处的拉力约为最大拉力的0.75倍；各层拉筋最大拉力点的连线通过墙面板脚．其形状近似对数螺旋线。

在挡土墙的上部，最大拉力线与墙面间距离≤0.3H(H为墙高)。

3、筋带拉力与长度计算
筋带拉力与长度计算的基本方法是局部平衡法。

局部平衡法的原理是根据作用在填料中最大拉应力点上的应力，计算筋带最大拉应力Tmax
4、外部稳定性计算
加筋体外部稳定性计算包括基础底面地基承载力验算，基底抗滑稳定性验算和抗倾覆稳
定性验算。

计算时假定加筋体结构为刚体，计算方法同重力式挡土墙。

山坡上的加筋体容易出现整体滑动，必要时可增加整体滑动稳定性验算．验算方法同“圆
弧滑动面法”。

对于墙高大于12m的加筋土挡土墙，为增强高墙的安全，应采用总体平衡法进行验算。

六、研究进展和目前的难点热点
挡土墙的可靠度分析和抗震设计，下面主要针对重力式挡土墙做一简要分析
对挡土墙可靠度设计中涉及的随机变量如内摩擦角、墙背摩擦角、填土容重、基底摩擦系数等的讨论和相关试验研究。

对目前常用的几种可靠指标的计算方法及在挡土墙设计中的应用进行了讨论。

建立了重力式挡土墙抗滑动和抗倾覆稳定性检算的极限状态方程的功能函数，推导出了用于可靠指标计算的一次二阶矩公式并编制了抗滑动和抗倾覆稳定性可靠指标计算的“JC”法计算程序和“M-C”法计算程序。

对按现行设计方法设计的重力式挡土墙的抗滑动和抗倾覆稳定性以及基底承载力的可靠指标进行了系统的计算和分析，并对影响可靠指标的因素进行了探讨。

在此基础上，提出了重力式挡土墙抗滑动和抗倾覆稳定性以及基底承载力稳定性的目标可靠指标的建议值；对概率极限状态设计中分项系数的确定进行了论述，并通过计算确定了重力式挡土墙抗力分项系数和荷载分项系数。

ANSYS软件的应用，我国地处世界上两条最活跃的地震带之间，东有太平洋地震带，西有喜马拉雅山一地中海地震带。

强震分布广，其中西部地区地震活动强，频度高¨-。

汶川5．12大地震破坏了相当多的公路、铁路工程。

迄今为止，关于地震作用下边坡失稳机制、边坡失稳位置、稳定性分析方法以及模型试验的研究已取得不少成果。

但由于在地震作用下对路基的稳定性进行正确评价并进行综合治理问题的复杂性，仍有诸多问题需要解决。

而对挡土墙支护边坡的抗震性能研究更少。

所以研究这一问题具有重要的现实意义。

ANSYS是力学计算的数值方法之一，源于结构动力学。

ANSYS对边坡稳定进行应力应变动态变化的研究，传统方法是静力学的极限平衡法，此法在很大程度上对地质条件和内部作用力做了简化，所用模型不能准确地反映边坡体的实际情况，也无法了解边坡体内部的应力应变变化情况。

而ANSYS有限元法用于边坡分析的基本原理是将一个连续的边坡体，变换成离散的单元组合体，利用网格剖分，将边坡(一般采用二维)剖面体系在形式上划分为有限个单元体。

假定各单元均作为均质、连续、各向同性的完全弹性体，保持自己的介质特征，有自己的物理力学参数，各单元由节点相互连接，边坡岩体的内力和外力由节点来传递。

单元所受的力，按静力等效原则移置到节点，成为节点力。

当按位移法求解时，取各节点的位移作为基本未知数，按一定的函数关系，求出各节点位移后，即可进一步求得单元的应力应变。

利用ANSYS有限元法进行边坡的稳定分析，部分考虑了土体的非线性，考虑了土体的弹塑性，与传统的拟静力法相比更加真实地反应了土体的性质。

七、对特种结构的设计方法和研究难点问题的看法
（一）、重力式挡土墙的布置
1、纵向布置
纵向布置在墙址纵断面图上进行，布置后绘成挡土墙正面图，布置的内容有：
a、确定挡土墙的起讫点和墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。

路肩挡土墙端部可嵌入石质路堑中，或采用锥坡与路堤衔接；当路肩挡土墙、路堤挡土墙兼设时，其衔结处可设斜墙或端墙；与桥台连接时，为防止墙后回填土从桥台尾端与挡土墙连接处的空隙中溜出，需在台尾与挡土墙之间设置隔墙及接头墙。

路堑挡土墙在隧道洞口应结合隧道洞门、翼墙的设置情况平顺衔接；与路堑边坡衔接时，一般将墙高逐渐降低至2m以下，使边坡坡脚不致伸入边沟内，有时也可用横向端墙连接。

b、按地基、地形及墙身断面变化情况进行分段，确定伸缩缝和沉降缝的位置。

当墙身位于弧形地段，例如桥头锥体坡脚，因受力后容易出现竖向裂缝，宜缩短伸缩缝间距，或考虑其它措施。

c、布置各挡土墙的基础。

墙址地面有纵坡时，挡土墙的基底宜做成不大于5%的纵坡。

但地基为岩石时，为减少开挖，可沿纵向做成台阶。

台阶尺寸应随纵坡大小而定，但其高宽比不宜大于1:2。

d、布置泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等。

此外，在布置图上应注明各特征断面的桩号，以及墙顶、基础、顶面、基底、冲刷线、冰冻线、常水位或设计洪水位的标高等。

2、横向布置
横向布置选择在墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处。

根据墙型、墙高、地基及填土的物理力学指标等设计资料，进行挡土墙设计或套用标准图，确定墙身断面、基础形式和埋置深度，布置排水设施等，并绘制挡土墙横断面图。

3、平面布置
对于个别复杂的挡土墙，如高、长的沿河挡土墙和曲线挡土墙，除了纵、横向布置外，还应进行平面布置，绘制平面图，标明挡土墙与线路的平面位置及附近地貌和地物等情况，特别是与挡土墙有干扰的建筑物的情况。

沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向、其它防护与加固工程等。

在以上设计图中，还应标写简要说明。

必要时可另编设计说明书，说明选用挡土墙方案的理由，选用挡土墙结构类型和设计参数的依据，对材料和施工的要求及注意事项，主要工程数量等。

如采用标准图，应注明其编号
（二）加筋土挡土墙的基础
地基为基岩；
面板筑于石砌圬工或混凝土之上；
加筋体墙面下部应设置宽度不小于0.3m．厚度不小于0.2m的混凝土基础，但属下列情况之一者可不设：
加筋体面板基础底面的埋置深度，对于一般土质地基不应小于0.6m，当设置在岩石上时应清除表面风化层。

当风化层很厚难以全部清除时，可采用土质地基的埋置深度。

浸水地区和冰冻地区的基础埋置深度要求同重力式挡土墙。

软弱地基上的加筋土挡土墙，当地基承载力不能满足要求时，应进行地基处理。

加筋土挡土墙的基底可做成水平或结合地形做成台阶形
八、参考文献
1、朱彦鹏主编，《特种结构》，武汉理工大学出版社
2、冯国栋主编，《土力学》，水利电力出版社，1986
3、曹祖同主编，《钢筋混凝土特种结构》，中国建筑工业出版社，1987
4、《建筑结构<挡土墙>设计手册》，中国建筑工业出版社
5、《钢筋混凝土和砖石特种结构》，华南理工大学出版社。