擋土墻抗震設計的要點分析

【摘 要】擋土墻是公路、鐵路、橋梁等交通的重要構筑物，是交通運輸正常運轉和人生命安全的重要保障。近年來，隨著地震頻發，擋土墻的抗震設計也更加受到重視。本文指出了目前我國擋土墻抗震設計規范中存在的一些不足，以扶壁式擋土墻為例，對基于位移和力的壓力計算、截面設計等擋土墻抗震設計要點進行了簡要探討。

【關鍵詞】擋土墻；抗震設計；要點

擋土墻被廣泛應用到交通、水利、橋梁等工程，用于穩定路面，防止水流沖刷，保護建筑物或整治塌方、滑坡等路基病害。但是，擋土墻很容易受到地震的影響，在地震中因側向土壓力的增加而產生變形、側向移動、沉降甚至坍塌，尤其是近些年來，地殼活動的劇烈和人類活動頻繁，導致了地震災害的頻發，擋土墻也受到了極大破壞。例如： 2001我國新疆、青海交界處的昆侖山中發生8.1級地震，青藏公路（國道109線）受到嚴重破壞，路面出現多處破裂。擋土墻的破壞造成的不僅是經濟損失，更是人員的傷亡，所以應當受到高度重視。

一、我國擋土墻抗震設計規范存在的不足

目前，我國公路擋土墻的抗震設計主要以《公路工程抗震設計規范》為依據。但是，隨著經濟的高速增長和科學技術的發展，該規范仍未進行調整，故而其內容稍顯落后，存在一些不足，無法滿足現階段公路建設發展的需要。

1.擋土墻的穩定性及抗震強度驗算

擋土結構的強度抗震驗算中需要考慮地震作用沿高度的分布，考慮多種負荷。但是，我國現行的規范僅依靠有限的震害經驗和試驗，對擋土墻地震作用沿高度分布系數做出規定，如以重力式擋土結構為目標，只有在達到12米的臨界點時才考慮放大效應，12米以下則不予考慮；在進行驗算時，只考慮垂直路線走向的水平荷載，對與地震荷載相關的水的浮力、土的重力及結構重力等不予考慮。

2.擋土結構穩定性計算

地震土壓力是地震主動土或被動作用在擋土墻上的壓力，是擋土結構穩定性計算中的最主要因素。我國對此采用庫侖公式進行計算，考慮到了土的內摩擦角j 、容量g 及填土與搶唄的摩擦角d ，但是對粘性土或者具有一定粘性土質的土的粘性沒有考慮。此外，對于驗算、計算原理相通，具有相同功能（約束一側土體滑動）的擋土墻和橋臺，規范將其分為兩章，分別按各自的公式計算，在一定程度對擋土墻抗震設計造成了不便。

3.擋土墻材料的選擇與處理

規范中對擋土墻選用材料規定不明確。如規定不能采用干砌片石作為一級或高速公路擋土墻的建筑材料，而其他等級公路可采用該材料，但要控制高度，一般而言，“烈度為8度時，擋土墻不宜超過5米；烈度為9度時，擋土墻不宜超過3米。”但對于其他土的性質和處理沒有明確要求。在對路基進行填方時，要選擇壓實度符合規范的材料，如粘性土、碎石土、卵石土等；若選用了砂性土，則要對其壓實，同時要對邊坡進行加固。

二、擋土墻抗震設計的要點分析

擋土墻的抗震設計主要有兩大方面：驗算本身的強度和驗算抗滑移抗傾覆的穩定性，主要是指地震土壓力，這也是擋土墻的抗震設計要點。

1.本身強度

本身強度是指擋土墻自身抗震強度的設計，主要包括以下內容：

1.1地基土的剛度

一項研究“不同擋土墻位置下的水平位移的均方根響應隨著不同地基土剛度的變化規律”顯示：“墻頂的水平位移均方根響應比墻底的均方根響應要大，但都隨著地基土剛度的較小而成非線性增加”，說明“基礎土越軟，則地震過程中擋土墻結構的水平位移均方根響應將越大”，與實際地震中的擋土墻的位移變形是一致的。

1.2墻高

擋土墻設計尺寸對抗震設計也會有影響。有關學者對此進行了研究，以4m、6m、1Om的三組擋土墻為例進行計算，分析其對擋土墻的隨機地震響應的影響。“首先用靜力法來設計三組擋土墻，墻頂寬度都為0.5米，基底和墻后填土及擋土墻的材料屬性同計算模型” 。

該項研究結果顯示“水平位移的均方根響應隨墻高變化很顯著，擋土墻越高，則地震時的位移均方根響應越大”。

以扶壁式擋土墻為例。扶壁式擋土墻依靠墻身自重和踵板上方填土的重力來保證其結構穩定，適用于地震地區。扶壁式擋土墻墻高一般在9—10m左右，段長度不宜大于20m，一般為1/4—1/2墻高；變截面隨高度逐漸向后加厚（或等厚式）。墻面板寬度和墻底板的厚度與扶肋間距成正比，墻面板頂寬不得小于0.2m，可采用等厚的垂直面板。墻踵板寬一般為墻高的1/4—1/2，且不小于0.5m。墻趾板寬宜為墻高的1/20—1/5，墻底板板端厚度不小于0.3m；扶壁式擋土墻的墻面板、墻踵板按矩形截面受彎構件計算配筋。

此外，擋土墻自身容重，墻背傾角等因素也會影響擋土墻自身強度，對隨機地震響應也會產生影響，但其影響不是很大。

2.地震土壓力

擋土墻以及地下箱型結構、橋臺等一些簡單結構之所以在地震中受到破壞，往往是由地震土壓力的增加所致。地震土壓力是擋土墻抗震設計的必要考慮要點。方法M-O 法和Eurocode-8充分考慮了地震土壓力，且考慮到了位移，較為合理，是目前應用較為廣泛的設計方法。地震土壓力對于擋土墻的抗震設計至關重要。

扶壁式擋土墻的土壓力計算采用的是庫倫土壓力法。計算公式如下：

Kq=（Gb+Eya）∕Exh≥1.5

Kh=（G1+Ey）μ∕Ex≥1.3

（G為墻體自重，G1為墻體自重加上墻后土的重量，b為基底傾覆點與墻體形心水平距離，a為基底傾覆點與土壓力作用點距離，Ex、Ey為土壓力的水平、豎直分力，h為土壓力形心作用點與基底垂直距離，μ為擋土墻基底摩擦系數）也可采用朗金土壓力法。

目前，擬靜力分析方法是大多數國家相關規范所采用的方法，日本規范物部一岡部（M一O）公式的地震土壓力計算方法則是應用較廣泛的地震土壓力計算方法。該方法對地震主動土壓力和被動土壓力進行計算（同時需要考慮土的粘聚力、容量及超載等影響因素）。

對臨水的擋土墻進行設計的時候，地震時對水產生的動水壓力也應當在考慮范圍內，則此時動力水壓表示為（假設動水壓力方向與基礎慣性方向一致）：、

（H表示墻的高度， 表示填土容量，a 表示地面加速度比）

Euro code-8 規范是第一個將位移法運用于擋土墻抗震設計中的規范，詳細介紹了擋土墻的結構、基礎及巖土等方面的設計，其關于擋土墻總承受力的計算公式表示為：

（H表示墻的高度，K表示土壓力系數， 表示靜水壓力， 表示動水壓力， 表示地震初值加速度的系數）

3.隨意性參數

在我國目前仍然主要是采用定值法，以安全系數為度量指標，相對落后；其他很多國家的抗震設計規范則開始采用位移法，應有廣泛且頗有成效。但是仍存在一些問題，它“將土性參數視為確定性的常量，沒有考慮擋土墻體系中實際存在的不確定性，導致在工程中某些擋土墻按定值法估計的安全系數是足夠的，而投入使用后卻很快發生了破壞”，即忽視了其他變量及其隨意性。擋土墻方針設計除常規設計考慮因素外，還應考慮基底土、墻背填土、擋土墻彈性模量，基底、墻背填土、擋土墻密度，基底土泊墻背、填土泊、擋土墻泊松比等隨機參數。所以，目前興起了一種可靠度理論，采用可靠度設計方法，即考慮隨機參數，代替定值設計方法，對完善巖土工程擋土墻抗震設計意義重大，也將成為其要點設計的主要發展趨勢。

對擋土墻抗震進行設計時，要實行彈性設計，即“保證在地震時位移控制在允許的范圍內”，同時還要“保證擋土墻出現位移時對相鄰的設計或者結構不會產生危害”，注重其實際情況和變化。

4.結語：

擋土墻抗震設計是保障建筑質量和人們生命安全的重要內容，應當受到極大重視。通過對比國外經驗，我國的擋土墻抗震設計應在原設計的基礎上，借鑒國外優秀方法和規范，采用位移法，考慮隨機參數，盡可能的簡化設計計算量，避免重復驗算或遺漏，從而提高擋土墻設計結構的可靠性。

參考文獻：

[1] 成語. 中外擋土墻抗震設計思路對比[J]. 科技創業家. 2013（01）