擋土墻設計需考慮的幾個問題

王 泉

1 概述

在路基工程中,擋土墻可用以穩定路堤和路塹邊坡,減少土石方工程量和占地面積,防止水流沖刷路基,并經常用于整治塌方、滑坡等路基病害。建造擋土墻的主要目的在于支擋墻后土體,防止墻后土體產生坍塌和滑移。擋土墻設計時,我們一般都會經過以下幾個環節:擋土墻形式的選擇、基礎的處理、排水設計以及擋土墻材料的選擇,以下我們展開探討一下這幾個問題。

2 擋土墻的形式選擇

擋土墻類型的劃分有多種。按照所處位置可分為路塹擋土墻、路肩擋土墻、路堤擋土墻;按建筑材料可分為塊石、混凝土及鋼筋混凝土擋土墻;按所處環境條件可分為一般地區擋土墻、浸水地區擋土墻及地震地區擋土墻。按結構形式分類,有仰斜式、俯斜式、衡重式、懸臂式、扶壁式、加筋土式、錨桿式和錨定板式等。仰斜式、俯斜式、衡重式擋土墻通常由塊石、磚、素混凝土等材料修筑而成,其特點是結構簡單、施工方便,并能就地取材,是當前各類工程中應用最廣泛的擋土墻。在此我們只討論仰斜式、俯斜式、衡重式擋墻的選用。仰斜式的主動土壓力最小,抗傾覆能力最強,抗滑移能力最差;其墻面、背坡較緩,一般為1∶0.2～1∶0.35,主動土壓力最小,抗傾覆能力最強,抗滑移能力最差,同等高度圬工量最小。其相對于衡重式而言更貼近路基邊坡,相對于俯斜式擋墻而言圬工量要少很多且對地基承載力要求較低,高度不足5 m時可控制在300 k Pa以內。一般適用于高度不大于5 m的、地勢平緩,而地質情況較一般地區的路塹或路肩墻。俯斜式的主動土壓力最大,抗傾覆能力最差,抗滑移能力最強;一般多用作路堤墻,可以充分收縮坡腳,大量減少填方和占地。擋墻的高度應能保證設墻后墻頂以上的邊坡或土體的穩定,但由于圬工量較大,一般不宜超過8 m。衡重式的各項指標居中,衡重式擋土墻的優點在于利用衡重臺上部填土的土壓力作用和全墻重心的后移來增加墻身的穩定,減小斷面尺寸;它的墻面陡直,下墻墻背仰斜,可大大降低墻高,減少基礎的開挖量。主要適用于山區、地面橫坡陡的路肩墻,也可用于路塹墻或路堤墻。一般在如設置仰斜式擋土墻墻高超過8 m時,就可以考慮采用衡重式擋土墻。在峽谷地段陡坡路堤多,路塹邊坡高,山洪暴發易沖刷線路,常采用衡重式擋土墻防護崩塌落石或溜塌滑坡,這樣可以減少工程數量,解決施工難度,節約工程造價,也有利于線路以后的安全使用與病害的防治。綜上所述,選擇擋土墻先要確定擋土墻的位置,當路肩墻與路堤墻高或斷面圬工數量相近、基礎情況相似時,應優先選用路肩墻;若路堤墻的高度或圬工數量比路肩墻顯著降低,而且基礎可靠時,宜選用路堤墻。必要時應作技術經濟比較來確定擋土墻的位置。路肩墻、路塹墻優先選用仰斜式墻,當路基橫坡較陡時,選用衡重式擋土墻,路堤墻優先選用俯斜式擋土墻。

3 擋土墻的基礎處理

基礎處理對于擋土墻的使用壽命影響很大,可以說絕大部分擋土墻的損害主要是基礎出了問題。擋土墻設計有三個重要指標:基底承載力、抗滑移、抗傾覆。一般擋土墻設計時對于基底承載力都有要求,為減少基底壓應力,增加抗傾覆的穩定性,在墻趾處伸出一臺階,以拓寬基底。墻趾臺階的寬度不小于20 cm,臺階高寬比可采用 3∶2或2∶1。當基礎埋置深度基底層為土層時,因表土常為耕土或松土,基礎埋置深度不得小于1 m,并在基底夯砂礫石或碎石作墊層。若基底土壤為較弱土層時,則應根據實際情況將基礎尺寸加深、加寬,換填或采用換土樁基等加固;若基底為風化巖層時,應將其全部清除并須加挖0.15 m～0.25 m;若基底為基本巖層時,則擋土墻基礎入巖層的尺寸滿足JTG D30-2004公路路基設計規范要求即可。

4 擋土墻的排水

在進行擋土墻設計之前,應該對擋土墻所在位置周圍的環境,地形情況有一個較為全面的了解,如擋墻后地面有無排水設施,地表水的排除是否通暢等。還應查明地表水和地下水的情況,若擋墻后為山坡,則最好在適當位置設置截水溝,及時排除地表水。此外,還應該查明地下水的情況。由于地下水具有一定的隱蔽性,往往容易被忽略。地下水可軟化擋土墻地基,降低承載能力和抗滑能力,且事后不易處理。特別對建于遇水容易軟化巖層(如泥巖,粉砂巖等)上的高擋墻,必須做好基底防護措施,確保其不被地下水侵蝕破壞。如果在設計擋土墻時,沒有考慮排水措施或因排水不良,就將使墻后土的抗剪強度降低,導致土壓力的增加。此外,由于墻背積水,又增加了水壓力,這是造成擋土墻倒塌的主要原因。為了使墻后積水易于排出,通常在墻身布置適當數量的泄水孔。墻較高時,可在墻上部加設泄水孔。泄水孔采用10 cm×10 cm的方孔或圓孔。孔眼間距2 m～3 m,上下排泄水孔錯開設置,最下排泄水孔應高出地面約30 cm。浸水擋土墻主要泄水孔高度應高出墻外側設計水位30 cm方為合適。另外如果墻后填料為透水性較差的土質時,應在墻背設置連續反濾層,以加速土體中水分的排除。

5 擋土墻的材料選擇

擋土墻材料主要為石料,石料應經過挑選,采用結構密實、質地均勻、不易風化且無裂縫的硬質石料。其抗壓強度不小于30 MPa,同時表面要干凈,不能粘有泥土或油質。盡量選用較大的條狀片石砌筑。片石應具有兩個大致平行的面,其厚度不小于0.15 m,寬度及長度不小于厚度的1.5倍,質量約30 kg。用作鑲面的片石,可選擇表面較平整,尺寸較大者,并應稍加修整。砌筑擋土墻用的砂漿標號應按擋土墻類別、部位及用途選用,具體參見JTG D61-2005公路圬工橋混凝土規范,宜采用中砂或粗砂。在墻高超過5 m或石料強度較低時,可在擋土墻的中部設置厚度不小于0.5 m的漿砌水平層,以增加墻體的穩定性。擋土墻的修建應遵循就地取材的原則,在有石料的地區,應盡可能的采用水泥砂漿砌片石砌筑。水泥砂漿標號,一般地區及寒冷地區采用M7.5號;浸水地區及嚴寒地區采用M10號。片石的極限抗壓強度均不得低于30 MPa。對于浸水和潮濕地區的石砌主體土程,石料的軟化系數應不低于0.8,在嚴寒地區尚應滿足抗凍試驗的要求。在缺乏石料的地區一般采用C15號混凝土或片石混凝土;嚴寒地區采用C20號混凝土或片石混凝土。另外在擋土墻高大于10 m時一般宜采用C20混凝土現澆擋墻較為合適。

以上便是擋土墻設計中我們常常面臨考慮的幾個問題,只有把這幾個問題真正的結合實際狀況解決好,我們的擋土墻設計也就成功了一半。另外還有一半便是外業調查,外業調查越詳細,我們考慮問題的基礎就越牢靠,我們設計出來的擋墻就越有依據,經得起考驗。

[1] 武漢工業大學.土力學與地基基礎[M].武漢:武漢工業大學出版社,2000.

[2] 張文彬.國家建筑標準設計圖集——擋土墻[M].北京:中國建筑標準設計研究院,2004.

[3] JTG D30-2004,公路路基設計規范[S].

[4] 陳忠達.公路擋土墻設計[M].北京:人民交通出版社,1999.

[5] 劉曉軍.重力式擋土墻可靠度分析模型的建立與算例[J].山西建筑,2008,34(4):149-150.