景觀石擋土墻的生態結構與受力分析

陳久武，劉名堅

（浙江綠藝建設有限公司，浙江 溫州 325000）

擋土墻指支承在地基填土或山坡土體上，防止填土或土體變形失穩的構造物。擋土墻根據受力情況可分為多種，其中重力式擋土墻是最常見、應用最廣泛的一種，它是以擋土墻自身重力來維持擋土墻在土壓力作用下的穩定，在鐵路、公路、水利、港灣、礦山、市政等工程中得到廣泛的應用。這些傳統的擋土墻僅僅只起到保護水土流失和穩定工程結構的作用，缺少生態保護和美化環境的作用。

生態擋土墻是一種既能起到滿足工程結構需要，又兼具生態環保、景觀功能的擋土墻。現有許多種類的所謂生態擋土墻也僅在漿砌塊石和混凝土預制塊等結構的空隙里種植一些花木，花木生存空間小、養護工作量大、生態功能有限，如增加花木的種植空間，則可能帶來工程結構的安全隱患，故生態與安全雙方難以全面統籌兼顧，這對于以工程結構為主的擋土墻顯然難以充分具備生態功能[1]。

浙江綠藝建設有限公司在溫州市某社會福利中心工程景觀附屬工程等園林化小區景觀石擋土墻施工中，采用景觀石和拱形結構，大面積種植花木，將工程結構受力和景觀美化高度融合，最大限度地發揮了擋土墻的生態功能，取得了良好效果，如圖1所示。

圖1 溫州市某社會福利中心生態擋土墻完工圖

1 設計計算

景觀石生態擋土墻結構示意圖和受力計算如圖2所示，景觀石擋土墻設置在作為工程結構的普通擋土墻外。本文用Midas有限元軟件進行計算，拱形計算模型分梯形和矩形2種情況。

圖2 景觀石生態擋土墻結構示意圖和受力計算圖式

1.1 梯形計算模型

梯形計算模型如圖3所示，Midas Civil實體單元節點數為14 091，單元數為12 000。

圖3 梯形計算模型

景觀石生態擋土墻結構尺寸及材料特性如下：拱形截面為梯形，砌筑磚為尺寸為240 mm×115 mm×53 mm的實心黏土標準磚，上底寬0.3 m，下底寬0.5 m，高1.0 m，凈跨徑2.0 m，矢高0.3 m，拱形為懸鏈線。拱形后填黏性土，土壓力沿拱形結構高度線性分布[2]，拱形截面底部最大土壓力為3.0 kN/m2。

主要材料特性如表1所示。

表1 主要材料特性表

1.2 計算結果

位移和應力如圖4所示。豎向地基最大位移為55 mm，拱形徑向最大位移為55 mm，徑向位移與跨徑比55/2 000=11/400=0.0275。拱形結構跨中最大壓應力為11.43MPa，與景觀石相接處最大拉應力為34.791kPa。

景觀石相接處最大反力：Fx=197 kN，Fy=0.0396 kN，如圖5所示。計算結果符合設計要求。

圖4 位移和應力

圖5 景觀石拱腳處最大反力

1.3 矩形計算模型

矩形計算模型如圖6所示，用Midas GTSNX有限元軟件計算，實體單元節點數為1 188，單元數為4 726。

拱形截面為矩形水泥穩定土（5%），上底寬0.2 m，下底寬0.2 m，高0.5 m，凈跨徑0.8 m，矢高0.2 m，拱形為懸鏈線。主要材料特性同表1。

圖6 矩形計算模型

豎向地基最大位移為53 mm，拱形徑向最大位移為27 mm，徑向位移與跨徑比27/800=27/800=0.034，如圖7所示。

圖7 豎向位移和徑向位移

土拱跨中最大壓應力、拉應力和景觀石處最大壓應力如圖8所示。土拱跨中最大壓應力為984 kPa，最大拉應力為75 kPa，與景觀石相接處最大拉壓應力為25 kPa。

圖8 土拱跨中最大壓應力、拉應力和景觀石處最大壓應力

景觀石相接處最大反力：Fx=1.97 kN/m2，Fy=2 kN/m2，如圖9所示。

圖9 景觀石拱腳處最大反力

由以上計算可知，水泥穩定土（5%）拱形結構符合設計要求。

經計算，一般的黏性土或沙土，當2個景觀石間距小于60 cm、高度小于50 cm時，不需要設置專門的拱形結構，回填土土體形成的自然土拱即可符合要求。這是現有景觀石間距較小時，不需要設置專門的拱形結構的原因。

2 經濟效益

景觀石生態擋土墻相隔一定距離設置景觀石，景觀石之間的拱形結構拱軸線擬合填土形成土拱的形狀，利用土拱效應提供免費的預應力，將橫向土壓力轉變為縱向推力，從而節約工程材料，提高了安全性能。景觀石生態擋土墻的拱形結構為受壓結構，可利用城市房屋拆遷的建筑磚塊，這些廢棄的建筑磚塊經試驗合格并清理后可以再次使用，每平方米生態擋土墻減少費用30元以上。當2個景觀石間距小于60 cm、高度小于50 cm時，填筑一般的黏性土或沙土，生態擋土墻不需要設置專門的拱形結構，回填土土體形成的自然土拱即可符合要求，生態環保節約工程造價[3]。景觀石態擋土墻種植適合花木生長的種植土覆蓋于整個拱形結構，其上種植花木，將工程結構受力和景觀美化高度融合而發揮生態功能以及與景觀美化融合在一起，發揮巨大的環保效益。同時利用了廢棄的建筑磚塊，環保節能，效益顯著。

3 結語

景觀石生態擋土墻相隔一定距離的設置若干塊景觀石，景觀石與拱形結構結合處切割、開鑿成土拱拱腳的角度，具有結構受力和景觀的雙重功能。

景觀石生態擋土墻每相鄰2塊景觀石之間的拱形結構，拱軸線擬合其后填土形成土拱的形狀，利用土拱效應提供免費的預應力，將橫向土壓力轉變為縱向推力，從而節約工程材料，提高了安全性能。

景觀石生態擋土墻化重為輕、以虛代實，種植土覆蓋于整個拱形結構內外和上部，大面積種植適宜花木，將工程結構受力、景觀美化和生態環保有機融合在一起。