淺析山區公路擋土牆設計

導語：一般地區擋土牆根據擋土牆的設置位置不同，分爲路肩牆、路堤牆、路塹牆和山坡牆等。設置於路堤邊坡的擋土牆稱爲路堤牆;牆頂位於路肩的擋土牆稱爲路肩牆;設置於路塹邊坡的擋土牆稱爲路塹牆;設置於山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆蓋層土體或破碎岩層的擋土牆稱爲山坡牆。

　　1前言

公路擋土牆是用來支承路基填土或山坡土體，防止填土或土體變形失穩的一種構造物。在路基工程中，擋土牆可用以穩定路堤和路塹邊坡，減少土石方工程量和佔地面積，防止水流沖刷路基，並經常用於整治坍方、滑坡等路基病害。

擋土牆的形式多種多樣，按其結構特點，可分爲：石砌重力式、石砌衡重式、加筋土輕型式、砼半重力式、鋼筋砼懸臂式和扶壁式、柱板式、錨杆式、錨定板式及垛式等類型;按其中路基橫斷面上的位置，又可分：路肩牆、路堤牆及路塹牆;按所處的環境條件，又可分爲：一般地區擋牆、浸水地區擋土牆及地震地區擋土牆。考慮擋土牆設計方案時，應與其他工程方案進行技術經濟比較，分析其技術的可行性、可靠性及經濟的合理性，然後才確定設計方案，並根據實際情況進行擋土牆的選型。

在山區公路中，由於地形條件更爲複雜，地勢更爲陡峭，因此，擋土牆的應用更爲廣泛。近幾年來，筆者參加了二十多段、共三百多公里的山區公路(二、三級)的設計，主要負責路基防護工程，特別是擋土牆的設計，對山區公路擋土牆的設計積累了一定的經驗與體會，在此提出，僅供同類工程設計時參考。

　　2擋土牆設計的基礎資料及設計參數

2.1基礎資料

擋土牆設計時，必須具備以下資料：路線平面圖、縱斷面圖、橫斷面圖，地質資料(包括工程地質勘察報告、工程物探報告)，地震勘探報告，水文資料，總體設計資料及構造物一覽表等。

2.2設計參數的選取

2.2.1牆背填料的物理力學性質對於山嶺重丘二、三級公路的擋土牆設計，當缺乏試驗數據時，填料的計算內摩擦角及容重可參照表1及表2選用：

對於漿砌片石牆體、排水條件良好，均可採用δ=ψ/2。

2.2.3基底摩擦係數基底摩擦係數μ應依據基底粗糙程度、排水條件和土質確定。

2.2.4地基容許承載力地基容許承載力可按照《公路設計手冊·路基》及有關設計規範規定選取。

2.2.5建築材料的容重根據有關設計規範規定選取。

2.2.6砌體的容許應力和設計強度根據有關設計規範規定選取。

2.2.7砼的容許應力和設計強度根據有關設計規範規定選取。

　　3擋土牆的選型

　　3.1材料選擇

漿砌片石擋土牆取材容易，施工簡便，適用範圍比較廣泛。山區公路中，石料資源較爲豐富，在擋土牆高≤10米時，因地制宜，採用漿砌片石砌築，可以較好地滿足經濟、安全方面的要求。

　　3.2截面形式選擇

根據擋土牆結構類型及其特點分析，當牆高<5時，採用重力式擋土牆，可以發揮其形式簡單，施工方便的優勢。同時，由於山區公路地面橫坡比較陡峭，若採用仰斜式擋土牆，會過多增加牆高，斷面增大，造成浪費，採用俯斜式擋土牆會比較經濟合理。一般在路塹牆、牆趾處地面平緩的路肩牆或路堤牆等情況下，才考慮採用仰斜式擋土牆。當牆高≥5且地基條件較好時，採用衡重式擋土牆，可以有效地減小截面，節省材料。

　　3.3位置選擇

在挖方邊坡比較陡峭時，採用路塹擋土牆，可以降低邊坡高度，減少山坡開挖，避免破壞山體平衡;在地質條件不良情況下，還可以支擋可能坍滑的山坡土體。

對於採用路肩擋土牆或路堤擋土牆，應結合具體條件考慮，必要時應作技術經濟比較。因爲路堤擋土牆承受荷載較大，受力條件較爲不利，截面尺寸也較大，所以錄路堤牆與路肩牆的牆高或截面污工數量較爲接近，基礎情況相仿時，採用路肩牆比較有利。

　　4土壓力的計算

擋土牆設計的經濟合理，關鍵是正確地計算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分佈。土壓力計算是一個十分複雜的問題，它涉及牆身、填土與地基三者之間的共同作用。計算土壓力的理論和方法很多。由於庫倫理論概念清析，計算簡單，適用範圍較廣，可適用不同牆背坡度和粗糙度、不同牆後填土表面形狀和荷載作用情況下的主動土壓力計算，且一般情況下計算結果均能滿足工程要求，因此庫倫理論和公式是目前應用最廣的土壓力計算方法。

　　4.1庫倫主動土壓力計算公式及計算簡圖

主動土壓力計算公式：

Eα=1/2γH2Ka

式中：Eα——主動土壓力(KN)，γ——土的容重(KN/m3)，H——擋土牆高(m)，Ka——庫倫主動土壓力系數。

《公路設計手冊·路基》中，以庫倫理論爲基礎，按牆後填土表面的形狀和車輛荷載分佈情況的不同，推導出各種情況下的主動土壓力計算公式，設計時可根據實際情況查表計算。

　　4.2第二破裂面土壓力的計算

在擋土牆設計中，當牆背或假想牆背的傾角α1或α’1大於第二破裂面的傾角αi，或作用於牆背或假想牆背的土壓力對牆背法線的傾角δ’小於或等於牆背摩擦角δ時，就會出現第二破裂面，這種情況下，應按破裂面出現的位置來求算土壓力。

對於一般常用的俯仰式擋土牆，不會出現第二破裂面，對於衡重臺較寬的衡重式擋土牆，則較易出現第二破裂面。各種邊界條件的第二破裂面主動土壓力計算公式詳見《公路設計手冊·路基》。

因此設計過程中，應先採用試算的.方法，判別第一破裂面出現的位置，計算破裂角，並根據計算所得的第二破裂面傾角判斷是否會出現第二破裂面，然後再選用合適的公式計算主動土壓力。

　　5擋土牆的穩定驗算及強度驗算

擋土牆的設計應保證其在自重和外荷載作用下不發生全牆的滑動和傾覆，並保證牆身截面有足夠的強度、基底應力小於地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定牆身斷面形式及尺寸之後，應進行牆的穩定及強度驗算。擋牆的驗算方法有二種：一種是採用分項安全係數的極限狀態法，另一種是總安全係數的容許應力法。目前國內多數應用容許應力法設計擋土牆。下面是採用容許應力法進行擋土牆驗算的簡介。

　　5.1滑動穩定驗算

擋土牆沿基底的滑動穩定係數Kc應不小於1.3。計算公式爲：

Kc=(W+Ey)f/Ex

式中：W——擋土牆自重，衡重式時，包括衡重臺上的土重(KN)，Ex，Ey——主動土壓力的水平和垂直分力(KN)，f——基底摩擦係數。

設計中，爲增加擋土牆的抗滑穩定性，常將基底做成向內傾斜，以增大滑動穩定係數。基底斜坡坡度一般不超過1:5。

　　5.2傾覆穩定驗算

擋土牆繞牆趾的傾覆穩定係數Ko應不小於1.5。計算公式爲：

Ko=(WZw+EyZx)/(ExZy)

式中：Zx——Ey對牆趾O點的力臂(m)，Zy——Ex對牆趾O點的力臂(m)，Zw——W對牆趾O點的力臂(m)。

　　5.3基底應力及偏心驗算

基底的合力偏心距e。計算公式爲：

e=B/2-Zn=B/2-(WZw+EyZx-ExZy)/(W+Ey)

在土質地基上，e≤B/6;在軟弱岩石地基上，e≤B/5;在不易風化的岩石地基上，e≤B/4。

當e≤B/6時，牆趾和牆踵處的法向壓應力爲：

σ1,2=(W+Ey)(1±6e/B)/B≤[σ]

式中，[σ]——地基土修正後的容許承載力(KPa)

[σ]=[σo]+K1γ1(B-2)

式中，[σo]——地基土的容許承載力(KPa)，K1——地基土容許承載力隨基礎寬度的修正係數，γ1——地基土的天然容重(KN/m3)。

當e>B/6時，基底出現拉應力，考慮到一般情況下地基與基礎間不能承受拉力，故不計拉力而按應力重分佈計算基底最大拉應力：

σ1=2(W+Ey)/3Zn≤[σ]

若出現負偏心，則上式的Zn改爲(B-Zn)。

　　5.4牆身截面強度驗算

通常選取一、兩個截面進行驗算。驗算截面可選在基礎底面、1/2牆高處或上下牆交界處等。

牆身截面強度驗算包括法嚮應力和剪應力的驗算。剪應力包括水平剪應力和斜剪應力兩種，重力式擋土牆只驗算水平剪應力，而衡重式擋土牆還需進行斜截面剪應力的驗算。

　　6採取措施

完成了擋土牆截面設計及穩定、強度驗算之後，必須採取必要的措施，以保證擋土牆的安全性。

　　6.1基礎加固措施

6.1.1爲減少基底壓應力，增加抗傾覆的穩定性，在牆趾處伸出一臺階，以拓寬基底。牆趾臺階的寬度不小於20cm，臺階高寬比可採用3:2或2:1。

6.1.2地基爲軟弱土層時，可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質量較好的材料換填，以擴散基底壓應力，滿足設計要求。

　　6.2排水措施

對於漿砌石擋土牆，應在牆前地面以上設置一排泄水孔。牆較高時，可在牆上部加設泄水孔。泄水孔採用10×10cm的方孔或圓孔，孔眼間距2~3米，上下排泄水孔錯開設置。泄水孔進水口應設置反濾材料。

　　6.3沉降縫與伸縮縫的設置

爲避免地基不均勻沉降引起牆身開裂，需按牆高和地基性質的變異，設置沉降縫，同時，爲了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產生裂縫，需設置伸縮縫。擋土牆的沉降縫和伸縮縫設置在一起，每隔10~15m設置一道，縫寬2~3cm，自牆頂做至基底，縫內宜用瀝青麻絮、瀝青竹絨或塗以瀝青的木板等具有彈性的材料，沿牆的內、外、頂三側填塞，填塞深度不小於15cm。

　　6.4牆頂與路面的銜接

當牆頂寬大於土路肩寬度時，擋土牆侵入土路肩部分應預留出相當於路面結構厚度部分以鋪築路面。

　　6.5車輛安全行駛保障措施

對於路肩牆，其牆頂面以下50cm採用C20砼澆築，並預埋鋼筋，在其上設置防撞欄或防撞牆。

　　7材料要求

7.1石料須經過挑選，質地均勻，無裂縫，不易風化。

7.2石料的抗壓強度應不低於30MPa。

7.3儘量採用較大的石料砌築，塊石應大致方正，其厚度不小於15cm，寬度和長度相應爲厚度的1.5~2.0倍和1.5~3.0倍。

7.4採用7.5號砂漿砌築，10號砂漿勾縫。

　　8設計體會

　　8.1設計參數的選取

因用於計算主動土壓力的庫倫理論較適用於砂性土，而對於粘性土的壓力計算會存在一定的誤差，所以對於以粘性土做填料的擋土牆計算，設計參數如填料的內摩擦角等的取值應相對保守。由於庫倫理論是一種簡化的土壓力計算方法，所以對於以砂性土做填料的擋土牆，設計參數也應根據實際情況取相對保守值。

　　8.2安全係數的選取

對牆高≥6m的擋土牆，實際設計時建議將安全係數提高20%，以保證其安全性。

　　8.3牆面坡的選取

出於美觀和施工方便的考慮，一段擋土牆通常都採用一個牆面坡。對於山區公路擋土牆，採用較陡的牆面坡，可有效減小牆高，節省材料。一般情況下，重力式擋土牆(俯傾式)、衡重式擋土牆牆面坡取1:0.05，仰斜式擋土牆的牆面坡取1:0.25，均能滿足設計要求。

　　8.4牆背坡的選取

仰斜式擋土牆的牆背坡一般不超過1:0.3，具體結合開挖的臨時邊坡選取。

俯斜式擋土牆的牆背坡一般取1:0.2，隨着牆高增加，牆頂寬度相應增大。

對於衡重式路肩擋土牆，當牆高≤8m時，上牆背坡取1:0.25，牆高>8m而≤10m時，上牆背坡取1:0.3;下牆背坡取1:0.25。若爲路堤牆，則上牆背坡應相應加大。

　　8.5設計控制重點

對於俯斜式擋土牆，由於所受土壓力較大，所以設計時應注意其穩定和抗傾覆的驗算。對於衡重式擋土牆，一般較容易滿足穩定要求，牆身斷面的強度成爲擋土牆設計中主要的控制指標，所以一定要採用高強度的材料砌築。

　　9結束語

公路擋土牆是路基防護工程的重要組成部分。在山區公路中，擋土牆的應用更爲廣泛。擋土牆設計時，應進行詳細地調查、勘測，確定構造物的形式與尺寸，運用合適的理論計算土壓力，並進行穩定性和截面強度方面的驗算，採取合理、可行的措施，以保證擋土牆的安全性。