连拱空箱式挡土墙结构形式的探讨
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摘要：连拱空箱式挡土墙是一种适用于在软土地基上建造高挡墙的新型结构。它在墙身部位采用了拱型和T型结构，受力明确，各种筑墙材料能够充分发挥其力学特性，做到既合理又经济。
关键词：挡土墙 设计
本文首先对软土地基上常见的各类挡土墙进行简要的适用性分析，并举连拱空箱式挡土墙实例进行稳定验算，而后将验算结果与在同等条件下（即挡土高度和设计参数均一致）的钢筋混凝土扶壁式挡墙计算实例进行对比，结果证明：连拱空箱式挡土墙在软弱地基上的适应性远胜于钢筋混凝土扶壁式挡墙。此外：它造价低廉、筑墙材料多样化以及一旦发生事故可进行有效的补救都是其独到之处。
1 前言
苏州市地处长江下游冲积平原，地貌形态上属河流堆积地貌区。地基土质以亚粘土和粘土为主，地下水位高，一般地基承载力约在120~180(KPa) ，最大也不超过240(KPa)。在软弱地基上砌筑高挡墙不外乎有两种选择：其一、采用桩基础或其它加固地基措施。其二、选择合理的挡墙结构。本文的探讨范围仅限于后者。此外，就挡墙外形而言，又可分为挡墙外墙面垂直或仰斜两种。在同等挡土条件下采用外墙面垂直的挡墙基底反力大，且稳定性亦较差，而外墙面仰斜的则要好得多（这也要看仰斜角的大小）。因此在公路挡土墙中普遍采用的是外墙面仰斜的挡土墙。但是用于城市道路的挡土墙却是以外墙面垂直型居多，这是因为：其一、该型式挡墙占地面积小，可节约宝贵的城市用地。其二、外墙面垂直的挡墙在外观上与周围城市建筑物更显得和谐统一。
本文所讨论的挡土墙均系指建造在软土地基上且外墙面为垂直的挡土墙。
2 常见挡墙类型的适用性分析
2.1 重力式挡墙
对于挡土高度不超过5米的路基挡墙，重力式挡墙常为首选结构。该挡墙形式最为简洁，便于施工，缺点是基底应力不平衡，靠前趾部位的基底应力远大于靠后踵的基底应力。当挡土高度超过5米，重力式挡墙的前趾基底应力有可能超过地基容许承载力，不得已可选用构造稍复杂的衡重式挡墙。
2.2 衡重式挡墙
衡重式挡墙的最大优点是可利用下墙的衡重平台迫使墙身整体重心后移，使得基底应力趋于平衡，这样可适当提高挡土高度。但从另一方面来看：衡重式挡墙的构造形式又限制了挡墙基底宽度不可能做得很大（与重力式挡墙相比），因此就扩散挡墙基底应力而言，衡重式挡墙反不如重力式挡墙。所以采用衡重式挡土墙能够提高的挡土高度也是比较有限的。
2.3 钢筋混凝土扶壁式挡墙
可进一步提高挡墙砌筑高度，但挡墙底板必须有足够的宽度，特别在前齿部位。否则基底应力仍很大（见下述两种挡墙稳定验算的对比结果）。该挡土墙耗钢量大，造价颇高；而且墙体均为立模现浇，施工不易。
2.4 加筋土挡墙
是一种能适应软土地基砌筑高挡墙的理想结构。它使原本作为挡墙外荷载的墙后填料转化为墙体结构的一部分无疑是一种创造性的突破。加筋土挡墙造价低廉具有良好的经济效益，而且它的装配式构件十分有利于快速施工。尽管加筋土挡墙有诸多优点，但在我苏南城市用得还不多，主要原因是：城市道路敷设地下管线多，与挡墙筋带形成垂直交叉互有干扰。此外，万一今后路面开挖维修管道会影响到挡土墙的安全。
3 连拱空箱挡土墙计算实例
3.1 设计参数及实例
为使连拱空箱挡土墙可与同等条件下的钢筋混凝土扶壁式挡土墙进行比较，在本计算实例中连拱空箱挡土墙的高度、底板宽度以及其它设计参数均（除若干需补充的项目外）取自“文献1.”（第808页）钢筋混凝土扶壁式挡土墙计算实例，如下：
挡墙墙高H＝10(m)，墙底宽B＝5.33(m)，墙前覆土深度h＝1(m)
墙背填料容重γ0＝18(KN/m3)，水泥混凝土容重γ1＝25(KN/m3)
浆砌块石容重γ2＝23(KN/m3)，预制盖板容重γ3＝20(KN/m3)
内摩擦角φ＝35°，外摩擦角δ＝φ/2，墙背倾角α＝0°
基底摩阻系数f＝0.4
墙后活载：汽车－超20级（见“文献1.”换算土层高度h0＝0.59m）
抗滑动和抗倾覆稳定系数：Kc >1.3，Km >1.5
3.2 墙体自重计算
墙体自重合力作用点位置：Z1＝6365.86/1929.87＝3.299(m)
单位宽度（沿墙纵向1米）墙体平均自重力：W＝1929.87/3.8＝507.86(KN)
注：“文献1.”（第811页）钢筋混凝土扶壁式挡墙自重力 N＝974.34(KN)比本例连拱空箱式挡土墙大了近一倍。
3.3 墙背土压力计算
土压力作用面及基底滑动面，补充设计参数如下：
墙背高 H'＝H＋0.7＝10.7(m) （计入齿坎高）
基底计算宽度 B'＝B－0.1＝5.23(m) （偏保守取值）
基底滑动面倾角 α0＝arctg（0.7/5.23）＝7.623345°
其余设计参数同前，以下按库仑公式计算土压力：
3.6 墙体结构受力分析
墙后土压力作用在预制水泥砼无铰拱上并传递至隔墙，在一个标准计算单元内：拱座、隔墙和前墙组合成一个垂直安置的T型梁，该T型梁下端固定，上端自由，钢筋配置在拱座内并延伸至齿坎，拱座为现浇水泥砼。前墙因仅受压应力而无拉应力力（或者很小），故可采用浆砌块石或其它砌块，而不必考虑配筋。
底板结构计算和配筋可参照钢筋砼扶壁式挡墙。限于篇幅，墙体配筋计算及其它结构计算均省略。
3.7 局部构造
（1）管线布置。因城市道路管线多，预制盖板的设置高度必须考虑到管线的安放位置。一般邮电、通讯电缆可安放在预制盖板上，其余如煤气、自来水等可利用隔墙作支墩，与预制盖板并列或置于盖板以下。
（2）泄水孔和通风孔。泄水孔用于排出空箱内积水，不必多言。通风孔有两个作用：其一、若空箱内有煤气管道穿过，可及时排出可能因管道泄漏产生的可燃气体。其二、若是该挡墙用作河驳岸，则可始终保持河水位与空箱内水位一致，避免因河水位变化造成空箱内、外水位落差。因为：当空箱内水位高于河道水位时，驳岸自重力增加，地基可能因为超载导致驳岸不安全；而当空箱内水位低于河道水位时，空箱内形成浮托气囊，同样可能导致驳岸失稳。
（3）检修通道。考虑检修通道的目的是便于在挡墙竣工后可进入空箱内进行观察和维修，如：拱波是否有损坏，墙体是否有裂缝或不均匀沉降，以及管道是否漏水漏气等。拱波在预制时需预埋爬梯钢筋，这样在检修时只需揭开拱波顶端预制盖板即可顺爬梯进入空箱内。
（4）预制构件。城市道路路基挡墙一般位于人行道部位较多，预制盖板上部主要是人行道路面及少量覆土，人行活载较小。若经计算允许，可直接购买（或预定）现成的建筑预应力空心楼板，既方便又经济。
拱波的预制可挖出凹型地模，按计算宽度分块间隔先浇筑第一批拱波，待初凝后填充间隔浇筑第二批，非常方便。
隔墙和前墙的取材具有多样性：如采用水泥砼砌块或砖砌体等。必须注意的是隔墙部位的砌块应上下错缝砌筑，这样可避免在土压力作用下形成通缝剪切。
4 连拱空箱式挡土墙的优越性
4.1 挡土墙自重力可调范围大
在挡墙外形尺寸基本选定的情况下，挡墙的自重力可通过以下几种方法进行调整：改变箱内填料高度、改变隔墙或前墙厚度、改变墙体砌筑材料或改变相邻隔墙间距等。挡土墙自重力的可调性意义很大：墙体过重固然对抗滑稳定有利，但却不能适用于软土地基。再比较一下上述两种挡墙实例的验算结果：尽管采用的土压力计算公式有所不同，计算得两个主动土压力值却非常接近，然而两种挡墙的自重力或前趾基底应力都要相差近一倍。挡墙设计的合理思路应该是：首先从墙体构造上应尽可能增加稳定因素，如基底做成向后倾斜或加齿坎等增加抗滑力；使墙体重心后移增加抗倾力矩，然后在满足稳定的前提下尽可能地减轻墙体自重力，使之与软土地基相适应。这对于实体挡墙来说，减轻自重十分不易，而对于连拱空箱式挡土墙却是可行的。
4.2 挡墙失稳后的补救
通常挡土墙在失稳后是很难补救的，而连拱空箱式挡土墙则是例外。挡墙从失稳到破坏一般不会在瞬间发生，顷刻崩溃，总是有一段时间上的持续过程，这就为采取补救措施争取了时间。当发现挡墙有倾覆或滑动位移后，立即揭开预制盖板，向空箱内加入压重填料，以增加抗倾覆力矩和增大基底摩阻力来恢复挡墙的稳定。当然，这种补救措施应该是在地基承载力容许的前提下才能奏效，否则另当别论。
向空箱内加入压重填料应避免填料可能对前墙产生的较大侧向力，方法有：在填料间分层放置加筋带（其原理同加筋土挡墙）。或者在填料中掺入水泥、石灰等凝固剂。
压重填料应在相邻空箱内同时放，或控制加入量轮流放，绝对不能加足一个箱体后再加下一个，这样做将导致挡墙纵向基底应力不平衡和底板承受非正常的扭曲变形。
4.3 施工较简便和经济效益好
连拱空箱式挡土墙虽然构造较复杂些，但是施工操作还是比较简单的。如前墙和隔墙均为垂直墙，相对比俯斜或仰斜面墙好做。拱波预制也不必很讲究外观和尺寸的精度。只有底板和拱座需立模现浇并扎钢筋较复杂些。
按我市当前行情测算连拱空箱式挡土墙比扶壁式挡墙节省经费约20％，不过这里没有考虑地基加固经费，对于软土地基而言，扶壁式挡墙还应计入地基加固费用。
5. 结束语
（1）连拱空箱式挡土墙主要适用于建造高挡墙，对于较矮的挡墙还是以构造尽可能简单为好。
（2）设计连拱空箱式挡土墙必须着重考虑基底的抗滑构造，只有增强了基础的抗滑性才有可能减轻墙体自重力，经济效益也越好。
（3）拱座的配筋还不成熟，现有的配筋理论是针对钢筋与水泥混凝土的组合作用。对于钢筋与浆砌片石的组合作用、钢筋与砖砌体的组合作用是否存在某种变异尚不清楚，有待于进一步实验论证。
如有不当之处，恳请专家、同行批评指正。
6．参考文献
交通部第二公路勘察设计院．公路设计手册《路基》（第二版）．人民交通出版社．1996年5月。
公路路基设计规范（JTJ 013－86）．1986年。