浅析山区公路挡土墙设计

浅析山区公路挡土墙设计

章熙宏

宁国市公路事业发展中心，安徽宣城 242300

摘要：宁国市地处安徽省东南部，天目山北麓，水阳江上游。境内山地丘陵地貌占比85%以上，境内山脉多分布在东南部和西南部，分别属于天目山脉和黄山山脉，境内海拔500米以上主要山峰46座。其间的“皖南川藏线”又称“江南天路”，该公路东起宁国市的青龙乡，西至泾县的蔡村镇，其最神秘精华路段全长120公里。这条线路穿越皖东南的最大水库-港口湾水库和安徽省东南部最大的原始森林-板桥自然保护区，在山间穿行的体验绝对是江南一带最令人神往的自驾路线！ 既有广西桂林山水之美，又有云南石林之奇，还有318川藏线之险，独具皖南山水之精华，曲折惊险，风景独特，青山或竹海连绵，偶有水库辽阔，是适合自驾、骑行的好地方。“皖南川藏线”位于地形陡峻的山岭重丘区，地表相对高差大，溪河切割，沟壑纵横，地质构造错综复杂，岩体破碎松散，褶曲及断裂十分发育。为了改善旅游通行条件，做好行车安全保障，自2020年起，宁国市陆续开展了境内全路段的改造，其中，路基防护是重点改造内容。而挡土墙又是路基防护的基本工事之一。本人作为项目的主要参与者之一，全程负责了改造工程的挡土墙设计及后期施工管理。总结下来，对挡土墙有了深刻的理解，本人认为做好设计是关键。

关键词：公路；挡土墙；设计

一、山区公路挡土墙设计的注意事项

1、位置选择：挡土墙的选址应尽量避开不利的地形，如陡峭的山坡、滑坡等。同时，要考虑到车辆的通行和排水等问题。

2、结构形式：根据地形、地质和车辆通行要求，选择合适的挡土墙结构形式。常见的挡土墙结构形式包括重力式、悬臂式和扶壁式等。

3、材料选择：挡土墙材料应具有足够的强度和稳定性，常用的材料包括混凝土、钢筋混凝土和圬工等。

4、排水设计：挡土墙的排水设计是至关重要的，应考虑到地表水和地下水的影响，采取有效的排水措施，如设置排水沟、排水管等。

5、防护措施：为了防止挡土墙受到自然和人为的破坏，应采取相应的防护措施，如设置护栏、加固支撑等。

6、环保措施：挡土墙的设计应与周围环境相协调，尽量避免对环境造成不良影响。同时，要考虑绿化和景观设计，使挡土墙成为山区公路的一道亮丽风景线。

二、挡土墙设计的基础资料及设计参数

1、基础资料

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。

2、设计参数的选取

（1)
墙背填料的物理力学性质。对于山岭重丘公路的挡土墙设计，当缺乏试验数据时，填料的计算内摩擦角及密度可参照表1及表2选用。

（2)墙背摩擦角。填土与墙背间的摩擦角δ，应根据墙背的粗糙程度及排水条件确定。山区公路中，对于浆砌片石墙体且排水条件良好，均可取δ=φ/2。

（3)基底摩擦系数。基底摩擦系数应依据基底粗糙程度、排水条件和土质确定。

（4)地基容许承载力。地基容许承载力可按照《公路设计手册·路基》及有关设计规范规定选取。

（5)建筑材料的密度。根据有关设计规范规定选取。

（6)砌体的容许应力和设计强度。根据有关设计规范规定选取。

（7)混凝土的容许应力和设计强度。根据有关设规范规定选取。

三、 挡土墙的选型

1、材料选择

浆砌片石挡土墙取材容易，施工简便，适用范围比较广泛。山区公路中，石料资源较为丰富，在挡土墙高≤10 m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。

2、截面形式选择

根据挡土墙结构类型及其特点分析,当墙高<5m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，由于山区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，采用俯斜式挡土墙会比较经济合理。一般在路堑墙，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。当墙高≥5m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。

3、 位置选择

在挖方边坡比较陡峭时，采用路堑挡土墙，可以避免破坏山体平衡。降低边坡高度，减少山坡开挖，在地质条件不良的情况下，还可以支挡可能坍滑的山坡土体。对于采用路肩挡土墙或路堤挡土墙的问题，应结合具体条件考虑，必要时应作技术经济比较。

四、土压力的计算

1、库伦主动土压力计算公式

主动土压力计算公式为：Ea=rH㎡Ka/2

式中：Ea为主动土压力，kN；r为土的密度，kN/m³；H为挡土墙高，m；Ka为库伦主动土压力系数。

《公路设计手册·路基》中，以库伦理论为基础，按墙后填土表面的形状和车辆荷载分布情况的不同，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、 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a1或a′1大于第二破裂面的倾角δ′或作用于墙背或假想墙背的土压力对墙背法线的倾角。当小于或等于背摩擦角δ时，就会出现第二破裂面。这种情况下应按破裂面出现的位置来求算土压力。

对于一般常用的俯仰式挡土墙，不会出现第破裂面；对于衡重台较宽的衡重式挡土墙，则较易现第二破裂面。各种边界条件的第二破裂面主动土压力计算公式详见《公路设计手册·路基》。

因此，在设计过程中，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二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。

五、 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。目前，国内多数应用容许应力法设计挡土墙。下面是采用容许应力法进行挡土墙验算的简介。

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。其计算公式为：

Kc=(W＋Ey)f/Ex

式中：W为挡土墙自重，采用衡重式挡墙时，应包括衡重台上的土重，kN；Ex、Ey分别为主动土压力的水平和垂直分力，kN：f为基底摩擦系数。

设计中,为增加挡土墙的抗滑稳定性,常将基底向内倾斜形成一定坡度,以增大滑动稳定系数。基底斜坡坡度一般不超过1∶5。

2、倾覆稳定验算

挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数K。应不小于1.5。其计算公式为:

K。=（WZw十EyZx)/(ExZy)

式中：Zx为Ey对墙趾O点的力臂，m；Zy为Ex墙趾O点的力臂,m；Zw为W对墙趾O点的力臂，m。

3、基底应力及偏心验算

基底的合力偏心距e的计算公式为：

e=B/2一Zn

=B/2一(WZw十EyZx-ExZy)/(W＋Ey)

式申：B为墙底的水平向宽度；Zn为挡墙所受合力的垂直向分力的力臂。

在土质地基上，要求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：

δ1,2=(W+Ey)(1士6e/B)/B≤[δ]

式中：[δ]为地基土修正后的容许承载力，kPa。

[δ]=[δ0]+K1 r1(B-2)

式中:[δ0]为地基土的容许承载力，kPa ；K为地基土容许承载力对基础宽度的修正系数；r1为地基土的天然密度,kN/m³。

当e>B/6时，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:

δ1=2(W+Ey)/（3Zn)≤[δ]

若出现负偏心,则式中的Zn改为(B-Zn)。

4、墙身截面强度验算

通常选取一、两个截面进行验算。验算截面可在基础底面、1/2墙高或上下墙交界等处。

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截面剪应力两种，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。

六、采取措施

完成了挡土墙截面设计及稳定、强度验算之后，必须采取必要的措施，以保证挡土墙的安全性。

1、基础加固措施

(1)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。墙趾台阶的宽不小于20 cm，台阶高宽比可采用3:2或2:1。

(2)地基为软弱土层时，可用砂砾、碎石或灰土等质量较好的材料换填，以扩散基底压应力，满足设计要求。

2、排水措施

对于浆砌石挡土墙，应在墙前地面以上设置排泄水孔。墙较高时，可在墙上部加设泄水孔。泄水孔采用10cm×10cm的方扎变适当孔径圆孔，孔眼间距为2～3m，上下排泄水扎错开设置。泄水孔进水口应设置反滤材料。

3、 沉降缝与伸缩缝的设置

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，为了减号工砌体因收缩硬化和温度作用而产生裂缝，需设置伸缩缝。挡土墙的沉降缝和伸缩缝设置在一起，每隔10～15m设置一道，缝宽2～3 cm，自墙顶贯穿至基底。缝内宜用沥青麻絮、沥青竹绒或涂以沥青的木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15 cm。

4、路肩墙墙顶与路面的衔接

当墙顶宽大于土路肩宽度时，挡土墙侵入硬路肩部分，应预留出路面结构的空间以铺筑路面。

5、车辆安全行驶保障措施

对于路肩墙，自顶面以下50cm采用C20混凝土浇筑，并预埋钢筋，以方便在其上设置防撞栏或防撞墙。

七、材料要求

1、石料须经过挑选，质地均匀，无裂缝，不易风化。

2、石料的抗压强度应不低于30 MPa。

3、尽量采用较大的石料砌筑，块石应大致方正，其厚度不小于15cm，宽度和长度相应为厚度的1.5～2.0倍和1.5～3.0倍。

4、采用7.5号砂浆砌筑，10号砂浆勾缝。

八、 设计体会

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，而对于粘性土的压力计算会存在一定的误差，所以对于以粘性土作填料的挡土墙计算，设计参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，所以对于以砂性土作填料的挡土墙，设计参数也应根据实际情况取相对保守值。

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。

3、墙面坡的选取

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。对于山区公路挡土墙，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取1:0.25，均能满足设计要求。

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