淺談重力式擋墻的穩定性及其影響因素

林觀茂

（景森設計股份有限公司湛江分公司，廣東 湛江 524002）

0 引言

擋墻是指為防止土體坍塌，用來支擋墻后土體并承受來自墻后土壓力的構筑物。根據結構形式的不同，擋墻可分為重力式擋墻、懸臂式擋墻、扶壁式擋墻、樁板式擋墻等。其中，重力式擋墻依靠自身重力就能使邊坡保持穩定，具有結構簡單、施工方便、可就地取材等優點，因此在工程上被廣泛應用。為了確保重力式擋墻應用的穩定性，確保工程的建設和使用效果，本文從土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料等方面分析重力式擋墻穩定性的影響因素。

1 重力式擋墻的穩定性

重力式擋墻的設計一般采用試算法，即先根據擋墻所處的條件和要求（包括工程性質、墻后土體性質、荷載情況、建筑材料、施工條件等），憑經驗初步擬定擋墻形狀和截面尺寸，然后進行擋墻的驗算（包括擋墻的穩定性驗算、地基的承載力驗算、抗震工況驗算等），如不滿足要求，則改變擋墻形狀、截面尺寸或采取其他措施。擋墻的穩定性驗算包括抗滑移穩定性及抗傾覆穩定性驗算，是重力式擋墻設計中非常重要的一環。

（1）重力式擋墻的抗滑移穩定。擋墻滑移是指擋墻在墻背土壓力作用下可能沿著墻底發生滑動破壞，要保證擋墻的抗滑移穩定性，必須要求抗滑力和滑動力之比不小于1.3。地震工況時，重力式擋土墻的抗滑移穩定系數不應小于1.1。

（2）重力式擋墻的抗傾覆穩定。擋墻傾覆是指擋墻在墻背土壓力作用下可能繞墻趾向前發生轉動而傾覆，要保證擋土墻的抗傾覆穩定性，必須要求抗傾覆力矩和傾覆力矩之比不小于1.6。地震工況時，重力式擋土墻的抗傾覆穩定系數不應小于1.3。

2 重力式擋墻穩定性的影響因素

影響重力式擋墻穩定性的因素十分復雜。對此，國內外學者已進行了大量的試驗研究以及模擬計算[1-3]。在此，筆者分析總結得出以下幾個重要的影響因素。

2.1 土壓力的計算

擋墻所受到的土壓力類型，根據墻體是否發生位移以及位移方向，可分為主動土壓力、靜止土壓力以及被動土壓力。

當擋墻靜止不動，墻后土體處于彈性平衡狀態時，作用在墻背上的土壓力稱為靜止土壓力。地下室外墻所承受的土壓力就屬于靜止土壓力。

當擋墻在土壓力作用下離開土體向前位移，墻后土體達到主動極限平衡狀態時，作用在墻背上的土壓力稱為主動土壓力。支擋土體的擋墻所承受周圍填土的側壓力一般屬于主動土壓力。

當擋墻在外力作用下推擠土體向后位移，墻后土體達到被動極限平衡狀態時，作用在擋土墻上的土壓力稱為被動土壓力。如橋臺受到橋上荷載推向土體時，土對橋臺產生的側向土壓力屬于被動土壓力。

重力式擋墻的失穩破壞很多情況是因為土壓力計算不準。一般采用朗肯土壓力理論或者庫侖土壓力理論來計算擋墻土壓力，但兩者分別有不同的假設條件。

朗肯土壓力理論的基本假定有：（1）墻本身是剛性，不考慮墻身的變形；（2）墻后填土表面水平；（3）擋土墻墻背豎直、光滑。由此計算出的土壓力為水平方向的力，如圖1所示。

圖1 朗肯土壓力作用方向示意圖

但是實際的墻背并不光滑，即墻背與填土之間的摩擦角并不為0，所以實際土壓力不水平。由墻后填土的運動情況可判斷出主動土壓力方向為斜下，被動土壓力方向為斜上，如圖2和圖3所示。

圖2 實際情況下的朗肯主動土壓力作用方向示意圖

圖3 實際情況下的朗肯被動土壓力作用方向示意圖

庫侖土壓力理論的基本假定有：（1）墻后填土為無黏性土，擋土墻為剛性的；（2）滑動破壞面為通過墻踵的平面；（3）滑動土楔體視為剛體；（4）滑動土楔體整體處于極限平衡狀態，剪應力均已達到抗剪強度。庫侖土壓力理論的滑動土楔體如圖4所示。

圖4 庫侖土壓力理論的滑動土楔體示意圖

但是實際滑裂面不一定是平面，用平面來代替曲面，所計算得到的滑動土楔體面積必然與實際情況有所不同，從而導致計算得到的土壓力與實際情況有偏差。

故前述兩種土壓力理論的土壓力計算結果并不完全正確?！督ㄖ吰鹿こ碳夹g規范》（GB 50330-2013）[4]條文說明第6章指出，庫侖土壓力理論計算主動土壓力比較接近實際，但計算被動土壓力誤差較大；朗肯土壓力理論計算主動土壓力偏于保守，但計算被動土壓力反而偏小。在實際應用中，建議用庫侖土壓力理論計算主動土壓力，用朗肯土壓力理論計算被動土壓力。

根據庫侖土壓力理論的平面滑裂面假定，主動土壓力可按下列公式計算：

式中：

γ——墻后填土的重度；

H——擋墻高度；

Ka——庫侖主動土壓力系數。

由上述公式可知，主動土壓力與墻后填土的重度成正比，與擋墻高度的平方成正比，故應控制墻后填土的重度以及擋墻高度，《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[4]指出，采用重力式擋墻時，土質邊坡高度不宜大于10m，巖質邊坡高度不宜大于12m。

但是上述理論所計算的土壓力是基于極限平衡理論，要求支護結構發生一定的側向變形。對于高大的重力式擋墻，通常不允許出現達到極限平衡狀態的位移值，因此土壓力計算時應考慮增大系數，擋墻高度5～8m時增大系數宜取1.1，擋墻高度大于8m時增大系數宜取1.2。

2.2 墻背傾斜情況

根據墻背傾斜情況，重力式擋墻可分為仰斜式擋墻、直立式擋墻、俯斜式擋墻和衡重式擋墻等類型，如圖5所示。

圖5 重力式擋墻的墻背傾斜類型

在同等條件下，擋墻的主動土壓力以仰斜式最小，直立式居中，俯斜式最大，故仰斜式擋墻的穩定性較高。當邊坡為挖方邊坡，仰斜式擋墻的墻背可與邊坡坡面緊密結合，因此挖方邊坡的重力式擋墻設計成仰斜式較為合理。當邊坡為填方邊坡，采用直立式或俯斜式擋土墻則有利于墻后填土夯實。衡重式擋墻能利用衡重臺上部填土的重力而使墻體重心后移，以此抵抗土體側壓力，增強擋墻的穩定性，在高度較大的邊坡工程中常被采用。

2.3 墻后填土積水問題

如果擋墻排水不良，雨水會滲入墻后，使得墻后填土的抗剪強度降低，對擋墻穩定性產生不利影響。墻后填土積水時，還會對擋墻產生靜水壓力，使得作用于擋墻的側向壓力增加，對擋墻穩定性更加不利，如圖6所示。因此，擋土墻必須采用良好的排水措施，如在墻后設置截水溝以及在墻身設置泄水孔等。

圖6 擋墻的側向壓力示意圖

2.4 擋墻基底逆坡

擋墻在墻后土壓力作用下向前位移時，墻腳會受到墻前土的被動土壓力作用，被動土壓力有利于增加擋墻的抗滑移穩定性和抗傾覆穩定性。當擋墻基礎的底面做成逆坡時，被動土壓力會增大，從而使擋墻的穩定性增加，如圖7所示。

圖7 擋墻基底逆坡示意圖

但擋墻基底逆坡的坡度過大會導致墻踵陷入地基中，也會使保持擋土墻墻身的整體性變得困難。為了避免這一情況，《建筑邊坡工程技術規范》（GB 50330-2013）[4]規定，重力式擋土墻在土質地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶10，在巖質地基時基底逆坡坡度不宜大于1∶5。

2.5 墻后填料問題

擋墻后面的填土應優先選擇抗剪強度高和透水性較強的填料，以降低墻后土壓力的作用，從而使擋墻的穩定性增加。當采用黏性土作墻后填料時，宜摻入適量的砂礫或碎石。不應采用淤泥質土、耕填土、膨脹性黏土等軟弱有害的巖土作墻后填料。

3 結束語

通過對重力式擋墻的穩定性及其影響因素進行分析，可以充分地認識到，土壓力的計算、墻背傾斜情況、墻后填土積水問題、擋墻基底逆坡、墻后填料對重力式擋墻的穩定性都有影響，其影響機理也非常復雜?？傊匾曋亓κ綋鯄Φ姆€定性，就是重視相關土木工程的質量，就是重視工程的建設和使用效果。