扶壁式擋土墻在公路工程設(shè)計(jì)中的運(yùn)用
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摘要：闡述了扶壁式擋土墻的主要特點(diǎn)和設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容，包括結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算、配筋設(shè)計(jì)計(jì)算，并通過工程實(shí)例介紹了扶壁式擋土墻的設(shè)計(jì)要點(diǎn)及過程，包括擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)擬定、擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算、排水設(shè)施設(shè)計(jì)、沉降縫設(shè)置。扶壁式擋土墻具有節(jié)約占地、施工工藝簡單、工期較短等優(yōu)點(diǎn)，設(shè)計(jì)時(shí)，合理的結(jié)構(gòu)尺寸和構(gòu)造配筋尤為重要。
關(guān)鍵詞：扶壁式擋土墻；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；內(nèi)力計(jì)算；排水設(shè)施
擋土墻是支撐路基填土或山坡土體、防止填土或土體變形失穩(wěn)、以承受側(cè)向土壓力為主要受力方式的墻式構(gòu)筑物，在公路工程中應(yīng)用較為廣泛，主要用于支撐填方路基或路塹邊坡，以及橋臺、沿河路堤、隧道出入口等，按擋土墻結(jié)構(gòu)形式不同，主要有重力式、衡重式、錨桿式、懸臂式、扶壁式、加筋式等幾種。本文主要闡述扶壁式擋土墻在公路設(shè)計(jì)中的應(yīng)用。扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土薄壁式擋土墻，其結(jié)構(gòu)形式主要是沿懸臂式擋土墻的縱向墻長方向，間隔一定長度設(shè)置一道扶壁，提高墻面板（立壁）與墻底板的連接強(qiáng)度，以承受較大的彎矩作用，改善墻面板與墻底板的受力條件，提高結(jié)構(gòu)的剛度性能和整體穩(wěn)定性，從而減小墻面板的變形，在需要設(shè)置較高擋土墻
1扶壁式擋土墻的主要特點(diǎn)
扶壁式擋土墻由墻面板、墻趾板、墻踵板及扶壁組成，結(jié)構(gòu)形式如圖1所示。其墻身斷面尺寸比較小，結(jié)構(gòu)形式與施工工藝比較簡單，墻身自重比較輕，能夠使材料發(fā)揮自身的強(qiáng)度性能，通常用于地基承載力較低的路段，也用于石材比較匱乏和對抗震要求比較高的地區(qū)。在填土高度較高的填方路段，為了減少占地面積和節(jié)約土石方工程數(shù)量，一般采用扶壁式擋土墻來穩(wěn)定路堤。扶壁式擋土墻斷面尺寸較小，墻踵板上的土體重力可有效抵抗傾覆和滑移，墻面板和扶壁共同承受土壓力產(chǎn)生的彎矩和剪力，相對于懸臂式擋土墻受力較好。
2扶壁式擋土墻的設(shè)計(jì)計(jì)算
扶壁式擋土墻的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性是依靠墻身自重和墻踵板上方填土的重力來實(shí)現(xiàn)的，并且通過設(shè)置墻趾板達(dá)到增大擋土墻自身抗傾覆穩(wěn)定性的目的，從而使擋土墻基底所承受的應(yīng)力大大減小。設(shè)計(jì)計(jì)算內(nèi)容主要涵蓋擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、墻身截面尺寸的擬定、墻身穩(wěn)定性和基底應(yīng)力及合力偏心距驗(yàn)算、墻身配筋設(shè)計(jì)和裂縫寬度驗(yàn)算等。扶壁式擋土墻的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)采用極限狀態(tài)分項(xiàng)系數(shù)法，極限狀態(tài)分為正常使用極限狀態(tài)和承載力極限狀態(tài)。正常使用極限狀態(tài)指的是擋土墻出現(xiàn)下列狀態(tài)之一時(shí)，即認(rèn)定超過了正常使用的極限狀態(tài)[1]：影響正常使用或外觀變形；影響正常使用或耐久性的局部破壞；影響正常使用的其他特定狀態(tài)。承載力極限狀態(tài)指的是當(dāng)擋土墻出現(xiàn)以下任何一種狀態(tài)，即認(rèn)定超過了承載力極限狀態(tài)[1]：擋土墻整體或一部分擋土墻作為剛性結(jié)構(gòu)失去平衡；擋土墻構(gòu)件或連接部件因材料承受的強(qiáng)度超過極限而破壞，或因過量塑性變形而不適合繼續(xù)承載；擋土墻結(jié)構(gòu)變?yōu)闄C(jī)動(dòng)體系或局部失去平衡。
2.1擋土墻結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及內(nèi)力計(jì)算
扶壁式擋土墻的墻高一般不超過15m，分段長度一般為10m，扶壁間距一般取1/4～1/2的墻高，扶壁厚度依據(jù)扶壁背面的配筋要求，一般取扶壁凈距的1/8～1/6，且≮0.3m。墻身截面可以采用隨墻高向下增厚的變截面，也可采用等厚截面，墻面板寬度一般≮0.2m。墻底板由墻踵板和墻趾板兩部分組成，墻踵板寬度由全墻抗滑穩(wěn)定驗(yàn)算確定，并具有一定的剛度，一般取墻高的1/4～1/2，且≥0.5m。墻趾板寬度應(yīng)依據(jù)擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性、基底承載力（即地基應(yīng)力）和偏心距等因素綜合確定，一般取墻高的1/20～1/5，墻底板厚度一般≮0.3m。為增強(qiáng)扶壁式擋土墻的穩(wěn)定性及抗滑移能力，墻底板下部常設(shè)置防滑凸榫，為了使防滑凸榫的土體產(chǎn)生最大的被動(dòng)土壓力，墻后的主動(dòng)土壓力不因設(shè)置防滑凸榫而增大，一般應(yīng)特別注意防滑凸榫的設(shè)置位置。防滑凸榫高度應(yīng)根據(jù)其前方土體的被動(dòng)土壓力能夠滿足抗滑穩(wěn)定性的要求而確定。扶壁式擋土墻的設(shè)計(jì)計(jì)算一般應(yīng)先假定各構(gòu)件尺寸，然后通過驗(yàn)算、修改來完成，也可以采用結(jié)構(gòu)優(yōu)化的設(shè)計(jì)方法直接計(jì)算。墻身構(gòu)造的內(nèi)力計(jì)算一般包括墻面板的設(shè)計(jì)計(jì)算、墻踵板的設(shè)計(jì)計(jì)算、扶壁的設(shè)計(jì)計(jì)算。
2.2扶壁式擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算
扶壁式擋土墻作為一種支擋結(jié)構(gòu)物，設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮以下幾種基本要求[2]：擋土墻不能滑移、不能傾覆；墻身要有足夠的強(qiáng)度；基礎(chǔ)能夠滿足承載力的要求。因此，扶壁式擋土墻的穩(wěn)定性驗(yàn)算應(yīng)包括抗滑穩(wěn)定性、抗傾覆穩(wěn)定性、基底應(yīng)力及合力偏心距等方面的計(jì)算。抗滑穩(wěn)定性指的是在外部荷載和墻后填土壓力的作用下，擋土墻基礎(chǔ)底部摩阻力抵抗墻體滑移的能力，一般用抗滑穩(wěn)定性系數(shù)表示，即作用于擋土墻的抗滑力與實(shí)際下滑力的比值?？箖A覆穩(wěn)定性指的是擋土墻抵抗墻身繞墻趾向外轉(zhuǎn)動(dòng)傾覆的能力，一般用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)表示，即對墻趾的穩(wěn)定力矩和與傾覆力矩和的比值。為了滿足擋土墻的基底容許承載力不小于基底應(yīng)力，設(shè)計(jì)時(shí)必須對基底應(yīng)力進(jìn)行驗(yàn)算，為了保證擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸的合理性，并且能夠避免發(fā)生較大的不均勻沉陷，還必須驗(yàn)算擋土墻基底的合力偏心距，并使其控制在合理范圍之內(nèi)。
2.3扶壁式擋土墻的配筋設(shè)計(jì)計(jì)算
扶壁式擋土墻是一種鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，在通過墻身構(gòu)造設(shè)計(jì)及內(nèi)力計(jì)算、穩(wěn)定性驗(yàn)算，并最終確定截面尺寸后，應(yīng)進(jìn)行墻體的配筋設(shè)計(jì)計(jì)算，計(jì)算通過后，應(yīng)畫出每個(gè)截面的鋼筋構(gòu)造圖，并給出詳細(xì)的工程量。其墻面板、墻踵板、墻趾板均應(yīng)按照矩形截面受彎構(gòu)件配筋，扶壁按變截面T型結(jié)構(gòu)配筋，配筋構(gòu)造如圖2所示。
3應(yīng)用實(shí)例
河北省張家口市清水河濱河?xùn)|、西路與南環(huán)線原為平面交叉，南環(huán)線大型貨車較多，嚴(yán)重影響了通行車輛的行車安全，在對該平面交叉改造成立體交叉時(shí)，兩條濱河路需分別設(shè)置跨線橋上跨南環(huán)線，為了節(jié)約占地，并考慮設(shè)置輔道的要求，跨線橋兩端分別設(shè)置了長約300m的懸臂式擋土墻和扶壁式擋土墻，其中扶壁式擋土墻墻高為6.5～9m。在施工圖設(shè)計(jì)前，先對建設(shè)場地進(jìn)行了地質(zhì)勘察，并出具了地質(zhì)勘察詳細(xì)報(bào)告，明確了建設(shè)場地的水文地質(zhì)情況，然后采用如下步驟進(jìn)行設(shè)計(jì)。
3.1擋土墻結(jié)構(gòu)尺寸及相關(guān)參數(shù)擬定
結(jié)合擬建場地的凍土深度（該建設(shè)場地最大凍土深度為2.2m），擋土墻基礎(chǔ)埋深擬定2.5m，墻身、墻趾板和墻踵板厚度依據(jù)墻高并經(jīng)計(jì)算修改確定，擬定扶壁厚0.4m，扶壁兩端墻面板懸挑長度為0.41倍扶壁凈距。擋土墻車輛荷載按滿布考慮，折算成土柱進(jìn)行計(jì)算。墻后填土內(nèi)摩擦角35°，墻后填土容重18kN/m3，抗滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc=1.3，抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0＝1.6。墻身混凝土強(qiáng)度等級采用C30，現(xiàn)場澆注。主筋和分布筋采用HRB400，箍筋采用HPB300。
3.2擋土墻設(shè)計(jì)計(jì)算
采用以上參數(shù)并結(jié)合擬定的具體尺寸和土體力學(xué)參數(shù)，分別進(jìn)行了極限狀態(tài)下?lián)跬翂Φ膬?nèi)力計(jì)算、抗滑穩(wěn)定性驗(yàn)算、抗傾覆穩(wěn)定性驗(yàn)算，通過反復(fù)試算修改，計(jì)算出了相應(yīng)高度對應(yīng)的擋土墻的詳細(xì)尺寸，在滿足各種荷載組合的要求后，進(jìn)行了結(jié)構(gòu)配筋設(shè)計(jì)，并畫出了配筋構(gòu)造設(shè)計(jì)圖。由于作用在扶壁上的力主要是受拉荷載，在設(shè)計(jì)扶壁時(shí)，結(jié)合土壓力分布特點(diǎn)，分段布置立壁，并設(shè)置足夠多的受拉鋼筋。
3.3排水設(shè)施設(shè)計(jì)
擋土墻設(shè)計(jì)應(yīng)設(shè)置完善的排水設(shè)施，其主要作用是：①疏干墻后填料中的水分，防止路面積水滲入路基從而引起墻后填土積水，使墻身承受額外的靜水壓力；②避免因含水量增加使黏性土填料產(chǎn)生膨脹壓力；③減小季節(jié)性冰凍地區(qū)填料的凍脹壓力。本工程所在地區(qū)主要受季節(jié)性凍脹壓力的影響，排水設(shè)計(jì)沿墻高和墻長方向設(shè)置直徑為5cm的圓形泄水孔，泄水孔向墻外傾斜坡度為3%，間距2m，最下一排泄水孔底部高出外側(cè)輔道0.3m，泄水孔的進(jìn)水口一側(cè)設(shè)置反濾層，厚度為0.3m，在最下一排泄水孔的底部設(shè)置隔水層。
3.4沉降縫的設(shè)置
為防止墻身因基底不均勻沉降而產(chǎn)生裂縫，本工程設(shè)置了沿墻長方向10m一道的沉降縫，沉降縫與施工縫重合，縫寬為0.02m，并采用瀝青木板沿墻內(nèi)、外、頂三邊填塞沉降縫，填塞深度為0.15m。
4結(jié)語
近年來，隨著公路工程基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)速度的加快，特別是低等級公路不斷升級改造，扶壁式擋土墻在實(shí)際應(yīng)用中越來越廣泛。在擋土墻的幾種常見形式中，扶壁式擋土墻具有節(jié)約占地、施工工藝簡單、工期較短等優(yōu)點(diǎn)，地基承載力較低時(shí)采用扶壁式擋土墻較好。但是其主要材料混凝土和鋼筋的用量較大，鋼材用量隨著墻高的增加而增加，墻高時(shí)其經(jīng)濟(jì)性能較差。因此，在擋土墻設(shè)計(jì)時(shí)，合理的結(jié)構(gòu)尺寸與構(gòu)造配筋尤為重要。
參考文獻(xiàn)：
[1]鄧學(xué)鈞.路基路面工程[M].北京：人民交通出版社，2007.
[2]焦峰.扶壁式擋土墻結(jié)構(gòu)的最優(yōu)設(shè)計(jì)[D].蘭州：蘭州理工大學(xué)，2004.
作者:丁鵬飛 單位:張家口翰得交通公路勘察設(shè)計(jì)有限責(zé)任公司