防滑凸榫在扶壁式挡土墙中的应用

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摘要：结合工程实际，对凸榫的防滑机理、设计理论及凸榫构造对挡墙稳定性的影响程度进行了探讨。结果表明，增设凸榫可大幅度提高扶壁式挡墙的抗滑性能，但其对抗倾覆能力的提升影响甚微。另外，凸榫的高度对挡土墙抗滑移稳定性的影响最为敏感，设计中可在满足其他构造要求的条件下适当增大凸榫高度以提高其抗滑稳定性。

Abstract： The anti-sliding function and design theory of tenon and the influence degree of tenon structure to the retaining wall's stability were introduced in connection with a practical project. The results show that adding tenon can improve the anti-sliding performance of buttressed retaining wall greatly， but it has little effect on the improvement of the anti-turnover ability. In addition， the height of tenon is more sensitive to the effects of anti-sliding stability of the retaining wall， so the designer can increase the height of tenon properly to improve its anti-sliding ability under the condition of meeting other structure requirements.

关键词：扶壁式挡墙；凸榫；抗滑移安全系数

Key words： buttressed retaining wall；tenon；anti-sliding safety coefficient

中图分类号：TU476.4 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2017）01-0084-04

0 引言

扶壁式挡土墙目前在国内外应用非常广泛，与其他类型的挡土墙相比，其具有节约占地空间、方便施工及美化城市环境等优点。在实际工程中，挡土墙的设计一般涉及到抗倾覆、抗滑移、墙身强度及地基承载力等几个方面的要求，而抗滑移往往是其中的主要控制因素。为提高挡墙的抗滑稳定性，可以采用扩展基础、倾斜基底及增大墙身截面积等技术措施，但这些措施无疑会增加工程造价，加大施工难度。为解决上述问题，设计者通常考虑改变挡墙结构形式，在基底增设防滑凸榫，借助榫前土体的被动土压力来提高其抗滑性能。实践表明，增设凸榫可以大幅度提高挡土墙的抗滑稳定系数，并且可以改善不良地基的地基承载力，具有良好的经济及技术效益。

1 凸榫的抗滑设计原理

防滑凸榫为设置在基础底面的一个凸向土体的榫状凸块，在保证斜截面不被破坏的条件下，该块体与挡墙底板连成整体[1]，利用榫前土体产生的被动土压力来增加挡墙的水平抗滑力，以达到提高挡墙稳定性的目的。根据挡土墙的位移情况及墙后土体所处的应力状态，作用在挡土墙上的土压力可分为静止土压力E0、主动土压力Ea和被动土压力Ep。三种土压力与挡墙位移的关系见图1。试验研究表明，相同条件下产生主动土压力所需的位移量比产生被动土压力所需的位移量要小得多。

表1给出了《加拿大基础工程手册》（1985）[2]中有关达到极限土压力所需的墙移，从表中可以看出，对于砂土而言，达到被动土压力极限状态所需位移一般可达到主动土压力极限状态所需位移量的12～20倍之多。

现以松散砂土及软黏土为例，依据扶壁式挡土墙后发生主动土压力的最大允许值来考虑凸榫前土体能否产生被动土压力，由表1可得，松散砂土达到主动土压力极限状态时的位移为0.005H，而软黏土则为0.02H。由此可得两种土类在不同墙高条件下的墙身位移允许值，见表2。

仅就松散砂土而言，依据表2的结果可得不同高度凸榫的相对变形值Δ/Ht，见表3。

由表3可以看出，不同墙高的凸榫在松散砂土中的相对变形值Δ/Ht均大于0.025，而根据研究结果[3]，挡墙达到被动土压力的位移量为0.02H～0.05H，因此在松散砂土情况下凸榫的相对变形值均能满足榫前产生被动土压力的条件。另外对于粘土而言，由于其允许位移值远大于砂土，因而也较易满足产生被动土压力的条件。由此可得，利用榫前土体的被动土压力来增强挡土墙的抗滑移能力可行的。

3 设计实例

以南京市某中学7m高的扶壁式挡土墙为例，该挡土墙顶宽0.4m，底宽5.0m，埋深1.5m，地震设防烈度为7度，其物理力学参数见表4。

3.1 三种形式挡墙计算结果对比分析

保持其他条件不变，分别将图3所示的不加凸榫、倾斜基底及加凸榫3种情况的计算结果进行对比分析，结果见表5及图4。

由表5可看出，对于相同截面尺寸的扶壁式挡土墙，加防滑凸榫能够明显提高抗滑力性能，一般工况和地震工况的抗滑力及抗滑移安全系数均能提高约70%左右；而设置倾斜基底也可以在一定程度上提高挡墙的抗滑能力，但不如加凸榫的挡墙的抗滑提高效果显著。对于抗倾覆稳定而言，三种形式下的挡土墙抗倾覆安全系数变化不是很大，由此也可以看出，抗滑移能力往往是挡土墙截面的主要控制因素。

3.2 凸榫构造对抗滑移及抗倾覆安全系数的影响

针对加凸榫（图3c所示）的扶壁式挡墙，分别考虑凸榫高度、宽度及位置对其抗滑移及抗倾覆安全系数的的影响，结果如下：

①凸榫高度对抗滑移及抗倾覆安全系数的影响。

保持其他条件不变，分别取凸榫高度Ht=0.5m、0.6m、0.7m、0.8m、0.9m，计算不同高度下的一般工况及地震工况的抗滑移及抗倾覆安全系数，其结果见表6，根据表6的统计结果，可分别绘制凸榫高度对抗滑移和抗倾覆安全系数的影响曲线，见图4和图5。

由表6及图4可看出，凸榫高度从0.5m增大到0.9m的情况下，一般工况的抗滑移安全系数从1.110增加到1.563，增幅高达40.8%；地震工况的抗滑移安全系数从1.047增加到1.479，增幅高达41.2%，由此表明扶壁式挡墙的抗滑安全系数随着凸榫高度的增大而增大，近似于线性增加。对比图3（a）不加凸榫的情况的计算结果，可以看出较小高度的凸榫对扶壁式挡墙的抗滑性能也有较大程度的提高。而对于抗倾覆安全系数而言，由图5可以看出，随着凸榫高度的增加，其呈缓慢增大的趋势，但不如抗滑移安全系数增大得明显。

②凸榫宽度对抗滑移安全系数的影响。

保持其他条件不变，分别取凸榫宽度Bt=0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m，计算不同宽度下的一般工况及地震工况的抗滑移及抗倾覆安全系数，其结果见表7，根据表7统计结果，可分别绘制凸榫宽度对抗滑移和抗倾覆安全系数的影响曲线，见图6和图7。

由表7及图6可看出，凸榫宽度从0.8m增大到1.2m的情况下，一般工况的抗滑移安全系数从1.325增加到1.342，地震工况的抗滑移安全系数从1.254增加到1.267，由此表明，随着凸榫宽度的增大，扶壁式挡墙的抗滑安全系数呈缓慢增加的趋势。同样，随着凸榫宽度的增大，挡墙的抗倾覆安全系数也呈缓慢增加的趋势。

③凸榫位置对抗滑移安全系数的影响。

保持其他条件不变，分别取凸榫距墙趾距离Bt1=0.8m、0.9m、1.0m、1.1m、1.2m，计算不同位置的一般工况及地震工况的挡墙抗滑移安全系数，其结果见表8，根据表8的计算结果，可分别绘制凸榫位置对挡墙抗滑移和抗倾覆稳定的影响曲线，见图8和图9。

由表8及图8可看出，凸榫距墙趾距离从0.8m增大到1.2m的情况下，一般工况的抗滑移安全系数从1.384减小到1.285，地震工况的抗滑移安全系数从1.309减小到1.214，由此表明，随着凸榫距墙趾距离的增大，扶壁式挡墙的抗滑安全系数呈近线性减小的趋势。由图9可以看出，挡墙的抗倾覆安全系数随凸榫距墙趾距离的增大呈缓慢增大的趋势。

④各因素影响程度分析。

由上述分析可知，凸榫高度、宽度及位置对挡墙的抗滑移及抗倾覆稳定性都有着不同程度的影响。为分析各个因素对安全系数影响的敏感程度，可根据以上结果绘制各个因素对安全系数变化率的曲线，如图10和图11所示。从图10可以看出，在所考虑的三种因素中，对扶壁式挡土墙抗滑移安全系数影响最大的是凸榫高度，其次是凸榫位置，凸榫宽度的影响最小。同样，图11表明，凸榫高度对抗倾覆安全系数的变化率影响最大，其次是凸榫宽度，凸榫位置的影响最小。由此说明，在扶壁式挡土墙设计中，凸榫高度往往可以成为主要控制因素，在满足其他构造要求的条件下，适当增大凸榫高度可以显著提高挡土墙的抗滑稳定性，并使抗倾覆稳定性也有缓慢的提升。此外，由于水平地震力的影响，地震工况下的抗滑移及抗倾覆安全系数比一般工况下的安全系数有所减小，但两种工况随凸榫构造的变化趋势是一致的。

4 结语

结合具体工程实际，研究探讨了防滑凸榫的设计原理，与不加凸榫及倾斜基底两种形式的挡土墙在抗滑移及抗倾覆的效果上进行了对比，并考虑了凸榫构造对安全系数的影响，得出结论如下：

①与其他形式的扶壁式挡土墙相比，增设防滑凸榫能大幅度提高其抗滑性能，而凸榫对抗倾覆能力的影响甚微。②挡墙的抗滑移安全系数随凸榫高度、宽度的增大而增大，而随着其距墙趾距离的增大而减小，工程上在设置凸榫时可通过合理调整以上因素来充分发挥其抗滑作用。③凸榫高度的变化对扶壁式挡土墙抗滑性能的影响最为敏感，设计中可在满足其他构造要求的条件下适当增大凸榫高度以增强挡土墙的抗滑稳定性。④考虑到水平地震力的影响，地震工况下的抗滑移及抗倾覆安全系数均比一般工况下的安全系数有所减小，而两种工况下各种因素的变化趋势是一致的。

参考文献：

[1]尉希成.支挡结构设计手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2004：107.

[2]刘国彬，王卫东.基坑工程手册[M].北京：中国建筑工业出版社，2009：94-95.

[3]梅国雄，宰金珉.考虑位移影响的土压力近似计算方法[J]. 岩土力学，2001，22（1）：83-85.

[4]铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册-路基[M].北京：中国铁道出版社，1995：436-437.