关于俯斜式挡土墙结构设计的一些看法

孙海明   裘裕顺
摘要：该文介绍了重力式挡土墙的结构形式特点，比较了各类挡土墙之间的差别。介绍了俯斜式挡土墙的设计注意点，供工程实践参考。

关键词：挡土墙；俯斜式；偏心距；倾斜；沉降

1前言
在《公路路基设计规范》JTG D30-2004中，重力式挡土墙轴向力偏心距e在荷载组合为永久荷载和可变荷载作用时，容许偏心距值为0.25B，B为基础底面宽度。我们知道，当偏心距e=B/6时，基础底面应力分布恰好处于临界值，即墙趾处应力最大，墙踵处应力等于0。在这种情况下，当挡土墙对基底的应力要求较大时，挡墙墙趾、墙踵部位的应力差也较大。一般滨海地区地层中，即使地基承载力达到设计要求，往往因为有软弱下卧层而导致挡土墙发生沉降，如果两处的沉降差较大，对于俯斜式挡土墙来说，便容易产生倾斜，严重的时候便影响挡土墙的正常使用。
目前在公路上，一般来说，使用最多的是仰斜式和衡重式挡土墙，仰斜墙背所受的主动土压力小，墙身断面比较经济，特别用与路堑墙时，墙背与临时开挖的边坡比较贴合，开挖量和回填量较少，衡重式挡土墙其断面尺寸也较小，且因为墙面陡直，下墙墙背仰斜，降低了墙高和减少基础开挖量。而俯斜式挡土墙所受到的土压力较大，且同样条件下，耗费材料较多，一般只适用于地面横坡陡峻的时候，借陡直的墙面，来减小墙高。但是在城市道路上，俯斜式挡土墙则使用比较多，因为受用地红线的限制，墙面往往是垂直的，而墙背的选择余地则较大。
本文主要针对这种情况，通过从重力式挡土墙的结构形式特点、不同挡土墙偏心距特征、重力式挡土墙基础应力对土基的作用等方面的分析，提出对俯斜式挡土墙这一在城市道路设计中常用的类型的设计注意点。

2重力式挡土墙的结构形式及偏心距特征
重力式挡土墙主要依靠墙身自重保持稳定。其墙身断面尺寸较大，墙身较高，对地基承载力要求较高。重力式挡土墙根据墙背形式的不同，大致可以分为五类，即仰斜、垂直、俯斜、凸折线形和衡重式。其中凸折线形和仰斜的性质相差不大，在后续的分析计算中归入仰斜墙一并考虑。
通过分析以上挡土墙的最原始的构造形式，很容易发现这样一个事实：在以墙趾为基点时，挡土墙重力W作用的力臂ZW长度为仰斜式及凸折线形式最长，一般大于B，衡重式及垂直式次之，一般大于B/2，而俯斜式最短，小于B/2。基底为平坡时根据基底合力偏心距计算公式：
e=B/2-（W*Zw+Ey*Zy-Ex*Zx）/(W+Ey)
其中：Ey、Ex为土体作用力在水平和垂直方向的分力，
       Zy、Zx为相应对于墙趾的力臂。

大致可以判断在相近的条件下，挡土墙基底的偏心距俯斜式最大，衡重式及垂直式次之，而仰斜式及凸折线形式最小。
为验证这一特性，通过举例计算来说明：分别取挡土墙高度为3m、4m、5m三种情况，挡土墙统一采用路肩墙，车辆荷载按挂-100，基底承载力为150kpa，基础为天然地基，墙趾及墙踵均不拓宽，基底为平坡，不考虑静水压力的影响，不同类型挡墙的计算原则为承载力基本接近及挡墙用的材料量基本接近，计算的偏心距与基础宽度的比值见下表：
墙高
（m）  类    型
仰斜式 衡重式 垂直式 俯斜式
3 -0.09 0.05 0.04 0.15
4 -0.09 0.06 0.03 0.16
5 -0.03 0.04 0.04 0.15
虽然说计算的结果，随机性比较大，但是考虑到基底承载力及挡墙用的材料量都比较接近的情况下结果如此显著：仅俯斜式挡土墙的偏心距基本接近B/6，相反其他三种类型挡墙却小很多。

3重力式挡土墙基础应力对土基的作用
重力式挡土墙一般分段长度为10m，假设每段挡土墙高度一致，则偏心距e=B/6时，每段挡土墙基础底面受力模型可看作是矩形区域上面分布三角形荷载这一形式。假定挡墙基础宽度为2.5m，则挡土墙中点处的墙趾及墙踵竖向应力系数分别为：
       墙趾位置  墙踵位置
深宽比
m=z/b 矩形面积长宽比
n=l/b=2.0 深宽比
m=z/b 矩形面积长宽比
n=l/b=2.0
0 0.5000 0 0
2 0.4368 2 0.0612
0.4 0.3788 0.4 0.1094
0.6 0.3272 0.6 0.1394
0.8 0.2840 0.8 0.1520
1.0 0.2468 1.0 0.1536
1.2 0.2164 1.2 0.1482
1.4 0.1896 1.4 0.1388
1.6 0.1682 1.6 0.1282
1.8 0.1490 1.8 0.1174
2.0 0.1334 2.0 0.1070
2.5 0.1022 2.5 0.0842
3.0 0.0798 3.0 0.0666
5.0 0.0364 5.0 0.0300
7.0 0.0198 7.0 0.0168
从上表可以看出，当承载力要求在较大的时候，墙趾与墙踵处的应力差会较大。当承载力要求为150kpa，在以下表为例的基础土层结构计算时，根据分层总和法得出的沉降差在8cm以上。
土层 层厚
（m） 容重（KN/m2） 孔隙比
e0  不同压力下孔隙比
    50 100 200 300
亚粘土 2.20 18.3 0.942 0.889 0.855 0.807 0.773
淤泥质亚粘土 5.80 17.9 1.045 0.925 0.891 0.848 0.823
淤泥质
粘土 未穿 17.6 1.175 0.975 0.925 0.872 0.842
    上表的土层在滨海地区比较常见，而且一般在这种地质条件下不会采取特别的地基处理方法。在城市道路中，对于4m左右高的挡土墙，墙面往往是垂直的，这种情况下基础出现沉降差，很容易引起挡土墙的倾斜。根据城市道路工程质量通病防治手册，路基重力式挡土墙在结构上的病害，主要有倾斜这一形式，而挡土墙倾斜的大致原因有两个：一是设计的结构形式不合理；二是地基不均匀或者地基超挖后用素土回填未夯实，或者淤泥、垃圾等不良土质没有清除干净，导致地基承载能力下降，使受力最大处前趾下沉，挡墙随之前倾。

4俯斜式挡土墙设计中的注意点
    从以上的分析来看，俯斜式挡土墙设计时需要注意两点：一是墙趾尽可能加宽，不但能减小基底的应力，而且减小了基底的偏心距；二是设计中避免出现垂直墙面，墙面坡度采用1：0.1，在用地受限制的时候，可采用1：0.05，给挡墙的倾斜留一定的余地。

5结语
重力式挡土墙在设计时候，除计算常规的一些要求外，尚需要考虑基础的应力差造成的沉降差，特别是俯斜式挡土墙。

参考文献
公路路基设计规范  JTG D30-2004
城镇道路工程施工与质量验收规范  CJJ_1-2008