挡土墙设计之小结
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【捕要】：介绍了挡土墙的设计对挡土墙的结构选型、材料选择、合理的断面设计以及对影响挡土墙安全性的各种因素进行了分析，提出挡土墙设计施工中都要贯穿安全、经济、合理的设计原则。
【关键词】：挡土墙 设计 稳定计算 结构计算
中图分类号：TU2 文献标识码：A 文章编号：
挡土墙在水库枢纽、引水枢纽、水电站及各种渠系建筑物和市区段的河海堤防等水利工程中有着广泛应用，在几乎所有的水工建筑物设计中都会涉及到挡土墙的设计。广泛的应用和运用条件复杂是挡土墙的两个显著特点。在工作中碰到了很多种型式的挡土墙，为此参考了大量的资料，现就设计中的一点体会进行一下小结。
1 挡土墙的设计
1.1 挡土墙型式和断面的设计
挡土墙除可按结构型式划分为重力式、悬臂式、扶臂式、空箱式、板桩式等外，又可按材料的选用分为砖砌，毛石、混凝土和钢筋混凝土等几种。实际情况中的选用应根据工程需要、土质情况、材料供应、施工技术及造价等因素合理选择。
1.1.1 重力式挡土墙
重力式挡土墙多采用混凝土和浆砌石建造，在石料丰富的地区采用浆砌石挡土墙较混凝土挡土墙经济，混凝土挡土墙耐久性较浆砌石挡土墙好。重力式挡土墙靠墙体自身的重量平衡外力以满足稳定要求。由于其结构简单、施工方便、取材容易，造价经济而得到广泛应用。
根据墙背倾角的不同，重力式挡土墙可分为仰斜、竖直和俯斜三种。按主动土压力大小，重力式挡土墙要优先采用仰斜挡土墙，竖直次之，俯斜少用。仰斜式的墙后填土较困难，不易压实，不便施工，用于护坡时较为合理，俯斜式挡土墙墙后填土易压实，利于防渗，且便于施工。当墙后允许开挖边坡较陡，或为获得较好的水流条件，可以采用由俯斜到仰斜过渡的扭曲翼墙。重力式俯斜挡土墙墙后坡比一般经验尺寸为1：0.4～1：0.7，当墙后填土强度指标低、地基承载力低或浸水运用条件下，坡比应取大值，反之取小值。仰斜挡土墙墙后坡比一般为1：0.2～1：0.4。仰斜挡土墙墙后坡比还应结合施工中的开挖边坡、地基岩性、回填等施工条件加以确定。重力式挡土墙的顶宽一般为40～60cm。底宽约为墙高的1/2～l/3，墙高较小且填土质量好的墙，初算时底宽可取墙高的l/3。为了增大墙底的抗滑能力，基底可做成逆坡，亦可加上齿脚。重力式挡土墙的缺点是由于体积和重量较大，在土地基上往往由于受地基承载力的限制，不能太高；在岩基上虽然承载力不是控制条件，但高的重力式挡土墙由于断面大，材料耗费较多，亦不经济。一般高度控制在6m以下较为经济。
l.1.2 悬臂式挡士墙
悬臂式挡土墙由断面较小的立墙和底板组成。墙体内设置钢筋承受拉应力，故墙身截面较小，属于轻型钢筋混凝土结构，其稳定性主要靠底板以上填土重来保证。可以在较高范围内使用。悬臂式挡土墙在水工建筑物中应用最为广泛，8m以下高度范围内应用最多，过矮亦不经济。
悬臂式挡土墙分立墙、趾板和踵板三部分。水工建筑物中悬臂式挡土墙临水面多做成垂直面，填土面多做成1：0.05～1：0.07的斜坡面。立墙顶宽一般不小于20cm，以便浇筑混凝土，立墙底宽由结构计算决定。底板长度由稳定计算决定，底板和立墙的长度比值取决于地基岩性、填土强度指标及墙前后水位等条件，一般比值为0.6～0.8，对地基土质及填土强度指标低的浸水挡土墙，其底板长度与立墙高度之比有时可大于1。立墙前趾板长度一般取底板总长度的0.15～0.30倍。底板一般做成变厚度的，底面做成水平，顶面则自立墙处向两边倾斜，底板靠立墙处的厚度常取为墙高的1/14～1/10，底板前后边缘厚度一般不小于20cm。
1.1.3 扶臂式挡士墙
当墙高大于10m时竖墙所受的弯矩和产生的挠度都较大，为了经济合理适宜采用扶臂式。通过扶臂间填土来增加抗滑和抗倾覆能力，以维持自身稳定。扶臂式挡土墙在大型水利水电工程中有较为广泛的应用。
扶臂式挡土墙由墙面板、前趾板、踵板和扶臂四部分组成。扶臂式挡土墙的底宽B与墙高H之比一般为0.6～0.8，其比值大小取决于地基条件、填土强度指标及墙前后水位等情况。根据经验，扶臂间距净宽L约为（0.3～0.5）Ｈ，扶臂间距的确定还应考虑具体施工条件。对高度10m左右的扶臂式挡土墙，其扶臂间距一般为３～４.５ｍ。对高度超过１５ｍ的扶臂式挡土墙，其扶臂间距也应相应加大。扶臂式挡土墙的分缝位置，可结合挡土墙的分段长度，扶臂间距等进行确定。分缝位置可以在两扶臂之间，也可以在两扶臂跨中。扶臂厚度ｂ根据经验一般采用（１/６～１/８）Ｌ，并要考虑便于施工及扶臂背弯曲拉筋的布置。墙面板的厚度主要取决于墙高、扶臂间距、填土强度指标及墙前后水位等条件，为便于施工，对于高墙不宜小于０.６ｍ。踵板的厚度ｄ约为墙高的１/１２，前趾板长度约为（０.１５～０.３）Ｂ，最大厚度应与踵板厚度相适应。
1.2 挡土墙的稳定计算
挡土墙的稳定计算包括抗滑稳定计算，抗倾覆稳定计算和地基承载力计算。挡土墙的截面尺寸一般按试算法确定，即先根据挡±墙的工程地质、填土性质以及墙身材料和施工条件等凭经验初步拟定截面尺寸，然后进行计算。如不满足要求，则修改截面尺寸或采取其他措施。特别需注意的是当挡土墙建在在软弱地基上时，如果基底应力过大，超过地基承载能力，或前后趾应力大小过大，将会产生地基下沉，进而导致挡土墙下沉破坏。因此，计算时应注意土的压缩性。在不同运用条件下，作用于墙上的荷载主要有：墙体自重、填土重，土压力，水压力，活荷载以及墙底反力和墙面埋入土中部分所受被动土压力，后者一般可忽略不计，其结果偏于安全。在设计计算中，挡土墙的截面和底宽一般由抗滑稳定计算控制。
1.3 挡士墙的墙结构计算
挡土墙的结构计算主要就是结构应力分析，而挡土墙的应力分析应根据结构布置型式、尺寸、受力特点及工程地质条件进行。重力式、半重力式挡土墙底板的前趾可简化为固定在墙体上的悬臂板，按受弯构件进行计算，墙底及墙身截面变化处应按偏心受压构件核算截面应力；悬臂式挡土墙的前趾和底板可简化为固支在墙体上的悬臂板，按受弯构件计算，墙身可按固支在底板上的悬臂板按受弯构件计算，或按偏心受压构件核算截面应力；在结构计算中，以上几种挡土墙计算比较简单，好多参考书上都有例题，在此不再赘述。而扶臂式挡土墙的结构应力分析就相应比较复杂，扶臂式挡土墙由于墙面板和踵板的结构计算方法不同，一般分为替代荷载截条法和三面固端板法两种。在美国W.C.亨廷顿编著的《土压力与挡土墙》及《铁路工程设计手册（挡土墙）》中推荐替代荷载截条法并附有例题。三面固端板法在《水工钢筋混凝土结构》（水利电力出版社）一书中仅做一般简要方法提示。
对于混凝土挡土墙来说，可根据弯矩和剪力计算根部的截面大小来决定配筋的多少。在构造上可按钢筋混凝土悬臂板设计，根部截面厚，端部截面薄，钢筋的用量可根据内力包络图的结果，取上部钢筋量少，下部钢筋量大。挡土墙的断面选择，应考虑经济配筋率。但是为便于施工或根据构造要求或为满足裂缝开展容许宽度的要求，事实上不一定都要严格满足经济配筋率的要求，如对半重力式挡土墙等结构，由于稳定和构造等要求断面尺寸较大，按一般方法进行配筋计算出的钢筋量很少，此时受力钢筋可不受最小配筋率限制。可按少筋混凝土结构进行配筋计算。
2 工作中的设计实例
在南水北调中线一期工程天津干线天津市2段末端控制性建筑物外环河出口闸的挡土墙设计中，设计墙高大约10m，根据上面挡土墙型式及断面设计的设计分析，综合比较，挡土墙采用钢筋混凝土扶臂式挡土墙。现已建设完成。
3 结语
挡土墙设计应结合实际工程的具体条件认真分析，采用合理的挡土墙型式来解决工程的实际问题。
挡土墙无论从选型还是在具体设计或施工中都要贯穿着安全、经济、合理的原则。