路桥建设 公路工程中挡土墙的设计分析 方磊磊 韩晶晶 同济大学建筑设计研究院（集团）有限公司 ｌ河南省交通规划勘察设计院有限责任公司 摘要：众所周知，公路挡土墙的主要作用是支撑天然边坡或人工填土边坡，以保证土体稳定。在路基工程中，挡土墙可用来稳定 路堤和路堑边坡，减少土石方量和占地面积，防止水流冲刷路基，并常用于整治坍方、滑坡等路基病害。本文主要介绍应用容许应力 法进行挡土墙设计，分析公路挡土墙设计过程中的重点问题，并提出建议与措施。 关键词：挡土墙设计；公路工程；安全行驶 前言 近年来，为了适应不同的工程需要，挡土墙设计形式也日益多样化。依结 构特点可分为：混凝土半重力式、石砌重力式、加筋土轻型式、石砌衡重式、钢 筋混凝土悬臂式和扶壁式、锚杆式、柱板式、锚定板式及垛式等类型；按其在 路基横断面上的位置，又可分为：路肩墙、路堤墙及路堑墙；按所处的环境条 件，又可分为：一般地区挡墙、浸水地区挡土墙及地震地区挡土墙。考虑挡土 墙设计方案时，应与其他工程方案进行技术经济比较，分析其技术的可行性、 可靠性及经济的合理陛，并根据实际情况进行挡土墙的选型。 １、挡土墙设计前的资料准备及形式选择 挡土墙设计时，必须具备以下资料：路线平面图、纵断面图、横断面图，地 质资料（包括工程地质勘察报告、工程物探报告），地震勘探报告，水文资料， 总体设计资料及构造物一览表等。 挡土墙的选型要按照“安全、可行、可靠、经济”四大原则来进行。首先是 材料的选择：浆砌片石挡土墙取材容易，施工简便，适用范围比较广泛。在某 些公路中，石料资源较为丰富，在挡土墙高≤１Ｏ米时，因地制宜，采用浆砌片 石砌筑，可以较好地满足经济、安全方面的要求。其次是截面形式的选择：根 据挡土墙结构类型及其特点分析，当墙高＜５米时，采用重力式挡土墙，可以 发挥其形式简单，施工方便的优势。同时，由于有些公路地面横坡比较陡峭， 若采用仰斜式挡土墙，会过多增加墙高，断面增大，造成浪费，采用俯斜式挡 土墙较经济合理。而在一般路堑墙、墙趾处地面平缓的路肩墙及路堤墙等情 况下，宜考虑采用仰斜式挡土墙。当墙高≥５米且地基条件较好时，采用衡重 式挡土墙，可以有效地减小截面，节省材料。最后是位置的选择：在挖方边坡 比较陡峭时，采用路堑挡土墙，可以降低边坡高度，减少边坡开挖量，避免破 坏山体平衡；在地质条件不良隋况下，还可以支挡可能坍滑的山坡土体。对于 路肩挡土墙或路堤挡土墙，应结合具体条件考虑，必要时应作技术经济比较。 因为路堤挡土墙承受荷载较大，受力条件较为不利，截面尺寸也较大，因此在 墙高相差不大、截面污工数量较为接近且基础情况相仿时，宜采用路肩墙。 ２、土压力的计算 挡土墙设计是否经济合理，关键是正确计算土压力，确定土压力大小、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，可适用不同墙背坡度和粗糙度、不同墙后填土表面形 状和荷载作用情况下的主动土压力计算，且一Ｊ９殳．晴况下计算结果均能满足工 程要求，因此库伦理论和公式是目前应用最广的土压力计算方法。 ２．１库伦主动土压力计算公式及计算 主动土压力计算公式： Ｅ ＝１，２ Ｈ２Ｋａ 式中：Ｅ ０【——主动土压力（ＫＮ）， ＾ｙ——土的容重（ＫＮ／ｍ ）， Ｈ——挡土墙高㈤， Ｋ 一库伦主动土压力系数。 以库伦理论为基础，按墙后填土表面的形状及车辆荷载分布情况，推导 出各种情况下的主动土压力计算公式，设计时可根据实际情况查表计算。 ２．２第二破裂面土压力的计算 在挡土墙设计中，当墙背或假想墙背的倾角 １或Ⅱ’１Ａ于第二破裂面 的倾角 ｉ，或作用于墙背或假想墙背的土压力对墙背法线的倾角８’小于或 等于墙背摩擦角８时，就会出现第二破裂面，这种情况下，应按破裂面出现的 。９４２‘ 位置来计算土压力。对于一般常用的俯仰式挡土墙，不会出现第二破裂面，对 于衡重台较宽的衡重式挡土墙，则较易出现第二破裂面。 因此设计过程中，应先采用试算的方法，判别第一破裂面出现的位置，计 算破裂角，并根据计算所得的第一破裂面倾角判断是否会出现第二破裂面， 然后再选用合适的公式计算主动土压力。 ３、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。 挡墙的验算方法有二种：一种是采用分项安全系数的极限状态法，另一种是总 安全系数的容许应力法。下面介绍如何采用容许应力法进行挡土墙验算 ３．１滑动稳定验算 挡土墙沿基底的滑动稳定系数Ｋｃ应不小于１ ３。计算公式为： Ｋｃ＝（Ｗ＋Ｅｙ）ｆ／Ｅｘ 式中：ｗ一挡土墙自重，衡重式时，包括衡重台上的土重（ＫＮ）， Ｅｘ，Ｅｙ一主动土压力的水平和垂直分力（ＫＮ）， ｆ＿一基底摩擦系数。 设计中，为增加挡土墙的抗滑稳定性，常将基底做成向内倾斜，以增大滑 动稳定系数。基底斜坡坡度一般不超过１：５。 ３．２倾覆稳定验算 挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数Ｋｏ应不小于１．５。计算公式为： Ｋｏ＝（ＷＺｗ＋ＥｙＺｘ）／（ＥｘＺｙ） 式中：ｚｘ——Ｅｖ对墙趾Ｏ点的力臂ｆｍ１， ｚ广Ｅｘ对墙趾Ｏ点的力臂（ｍ】， ｚｗ—ｗ对墙趾Ｏ点的力臂（ｍ）。 ３．３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／２一Ｚｎ＝Ｂ／２一（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。当ｅ≤Ｂ／６时，墙趾和墙踵处的法向压应力为： １３＂１，２＝（Ｗ＋Ｅｙ）（１ ４－６ｅ／Ｂ）／Ｂ【 ］ 式中，ｆ１３＂卜—一地基土修正后的容许承载力（ＫＰａ） ［ 】＝［口ｏ］＋Ｋ１．ｙ Ｉ（Ｂ一２） 式中，［ ｏ卜—一地基土的容许承载力（ＫＰａ）， Ｋ１——地基土容许承载力随基础宽度的修正系数， １——地基土的天然容重（ＫＮ／ｍ，）。 当基底出现拉应力，考虑到一般情况下地基与基础间不能承受拉力，故 不计拉力而按应力重分布计算基底最大拉应力： １＝２（Ｗ＋Ｅｙ）／３Ｚｎ￣［ ］。若出现负偏心，则上式的ｚｎ改为（Ｂ—Ｚｎ）。 ３．４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，而衡 重式挡土墙还需进行斜截面剪应力的验算。 ４、保证挡土墙的安全性的一些措施 ４１基础加固措施 为减少基底压应力，增加抗倾覆的稳定性，在墙趾处伸出一台阶，以拓宽 基底。墙趾台阶的宽度不小于２０ｃｍ，台阶高宽比可采用３：２或２：１。 路桥建设 地基为软弱土层时，可用砂砾、碎石、矿渣或灰土等质量较好的材料换 力计算会存在一定的误差，所以对于以粘性土做填料的挡土墙计算，设计参 填，以扩散基底压应力，满足设计要求。 ４．２排水措施 对于浆砌石挡土墙，应在墙前地面以上设置一排泄水 Ｌ。墙较高时，可在 墙上部加设泄水孔。泄水孑Ｌ采用１０ ｘ ｌＯｅｍ的方孔或圆孔，孔眼间距２～３米，上 下排泄水孔按梅花形布设。泄水孔进水口应设置反滤材料。 ４．３沉降缝与伸缩缝的设置 数如填料的内摩擦角等的取值应相对保守。由于库伦理论是一种简化的土压 力计算方法，所以对于以砂性土做填料的挡土墙，设计参数也应根据实际情 况取相对保守值。 ５．２安全系数的选取 对墙高≥６ｍ的挡土墙，实际设计时建议将安全系数提高２０％，以保证其 安全性。 ５．３墙面坡的选取 为避免地基不均匀沉降引起墙身开裂，需按墙高和地基性质的变异，设 置沉降缝，同时，为了减少圬工砌体因收缩硬化和温度化作用而产生裂缝，需 设置伸缩缝。挡土墙的沉降缝和伸缩缝设置在一起，每隔１０～１５ｍｊ￣置一道， 板等具有弹性的材料，沿墙的内、外、顶三侧填塞，填塞深度不小于１．５ｅｍ。 ４ ４墙硕与路面的衔接 出于美观和施工方便的考虑，一段挡土墙通常都采用一个墙面坡。对于 公路挡土墙，采用较陡的墙面坡，可有效减小墙高，节省材料。一般情况下，重 取１：０．２５，均能满足设计要求。 ５．４墙背坡的选取 缝宽２～３ｅｍ，自墙顶做至基底，缝内宜用沥青麻絮、沥青竹绒或涂以沥青的木 力式挡土墙（俯倾式）、衡重式挡土墙墙面坡取１：０．０５，仰斜式挡土墙的墙面坡 当墙顶宽大于土路肩宽度时，挡土墙侵入土路肩部分应预留出相当于路 面结构厚度部分以铺筑路面。 ４．５车辆安全行驶保障措施 仰斜式挡土墙的墙背坡一般不超过１：０．３，具体结合开挖的临时边坡选取。 俯斜式挡土墙的墙背坡一般取１：０．２，随着墙高增加，墙顶宽度相应增大。对于 衡重式路肩挡土墙，当墙高≤８ｍ时，上墙背坡取１：０．２５，墙高＞８ｍ而≤ｌＯｍ时， ５．５设计控制重点 对于路肩墙，应在其墙顶面以下５０ｅｍ采用Ｃ２０混凝土浇筑，预埋钢筋，并 上墙背坡取１：０．３；下墙背坡取１：０．２５。若为路堤墙，则上墙背ｇｏｇ相应加大。 在其上设置防撞护栏或防撞墙。 对于俯斜式挡土墙，由于所受土压力较大，所以设计时应注意其稳定和 抗倾覆的验算。对于衡重式挡土墙，一般较容易满足稳定要求，墙身断面的强 度成为挡土墙设计中主要的控制指标，所以一定要采用高强度的材料砌筑。 ５、设计体会 ５．１设计参数的选取 因用于计算主动土压力的库伦理论较适用于砂性土，丽对于粘性土的压 （上接第２３８页）过加强排水设施的施工质量，可以有效地降低水对市政道路 的危害。在路面施工时，相应的排水设施必须落实到位，现场施工质量管理人 员一定要进行严格的控制，科学的管理。完善相关排水设施的建设工程不仅 是保证路面工程的质量，而且在市政道路使用中，对整个工程起着有效的保 护作用。 路面施工技术和质量控制工作，可以有效防范各种由施工技术和质量问题造 成的安全隐患。因此，我们必须对施工技术要求不断创新和加强有效的质量 管理，这样才能满足城市发展的需求。 参考文献： ４总结 总之，市政道路路面施工技术及质量制约着整个市政道路的发展。做好 （上接第２４１页） ３、实现设计方法的不断创新 ［１】江玮，汪余波．浅谈公路沥青路面施工技术叶科技资讯，２０１０ ［２】李杰沥青路面平整度的影响因素，２００４． 各个环节结合起来，才能保证桥梁结构有良好的性能。在现阶段的桥梁工程 中，安全性、耐久性仍旧是我们急需解决的一个大问题，我们一定要认真借鉴 国内外的经验和方法，加强施工质量的管理工作，不断地改进设计理念和设 因为在既往的设计过程中，桥梁缺乏安全性、耐久性的问题比较严重，所 以工程各方都很关注这一问题。尤其是近几年以来，越来越多的施工方和监 理方开始加强与设计单位之间的技术交流，想要实现耐久性技术的提高。例 计方法。 如，开始和设计方一起参与到设计工作中，对设计文件中建筑材料及其防腐 性提出一些新的要求；将设计和研究进行很好的结合；以特定的建设环境和 参考文献： 技术要求有针对性地编写专用的技术指南。这些工作在实际的桥梁建设工程 【１］叶剑滔，吕克桥梁设计中工程的耐久性与安全一Ｉ￣－ｑ＆计分析Ⅱ】ｌ建筑知识， 中反映出了很好的效果。我们应该在接手工程之初就对业主以及监理和各个 ２０１３（１） 技术员工进行专业培训，通过事前的培训和现场的指导来解决实际问题。 ［２】沈逢俊桥梁设计中的安全性和耐久性分析卟中国科技博览，２０１３（２） 结语 我们在实验室获得的结果只是一个基础，只有将设计、施工以及养护等 【３】王凯．浅析道路桥梁设计中几个隐患问题卟黑龙江科技信息，２０１２（３３） 【４】王科玉道路桥梁设计ｅｅ常出现的问题及分析卟建筑界，２０１２（７） ‘２４３’