基于合理性及经济性的挡土墙选型分析

中国公路工程咨询集团有限公司  北京市  100028 　　摘要：近年来，挡土墙已广泛应用于各类常见地基的建筑物、景观场地和公路、铁路路基的边坡支挡。掌握挡土墙的设计方法为土木工程专业技术人员的必备技能。挡土墙设计往往工程量较大，造价较高，每延米造价可高达数千元。每位挡土墙的工程设计人员必须以高度的社会责任感对待其设计工作，在保证安全性的条件下，尽可能的降低工程造价。挡土墙种类繁多，考虑因素较为复杂，相信每位设计人员在其选型问题上总会感觉无从下手。本文作者对大量工程实例进行分析研究，总结出了一定的规律，探讨了考虑经济性及合理性的挡土墙设计方法。 　　关键词：挡土墙；经济性；合理性 　　 　　 　　引言：鉴于挡土墙已广泛应用于房建、交通工程等工程建设中，使得从事土木工程各专业的设计人员，必须熟练掌握挡土墙的设计技能，以适应工作需要。挡土墙类型众多，设计周期紧张，设计人员往往难以选择合理的挡墙形式。本文作者结合其十余年设计经验，参考大量工程实例，查阅了大量资料，进行大量的数据比对分析，精心编写成此文。希望能对工程技术人员的挡土墙设计工作有一定的帮助作用。 　　1.常见挡土墙类型：（高度＜12）： 　　（1）.仰斜式挡土墙：挡土墙的墙背是仰斜的挡土墙。这时，所计算的土压力为最小，对挡土墙稳定性非常有利。其墙体断面尺寸较小，比较经济。但施工较麻烦。如现场施工边坡为挖方时，选用此种形式较为合理。常用高度为2~10米。 　　（2）.直立式挡土墙：挡土墙的墙背是垂直的挡土墙。此时，墙背后填土产生的土压力水平作用于墙背。此种挡墙为保证稳定性，墙胸要设计成倾斜的。施工较方便。如现场施工边坡为填方时，选用此种形式较为合理。常用高度为2~10米。 　　（3）.俯斜式挡土墙：挡土墙的墙背是俯斜，墙胸为垂直的挡土墙。此时，俯斜墙背上覆盖着墙后填土，所计算的土压力较大，且要分解为竖向及水平向的分力，对基底土质承载力要求较高。优点是稳定性较好，施工较为方便。如现场施工边坡为填方时，选用此种形式较为合理。常用高度为2~10米。 　　（4）.衡重式挡土墙：挡土墙的墙背处有减压平台的挡土墙。墙背在减压平台上部为俯斜式，在减压台下部为仰斜式。墙背的这种构造不但可以有效的降低土压力，也可利用减重台上的填土增加自身的稳定性，及基底压力的均匀性。材料较梯形截面节省15%~25%。常用高度为4~12米。为较高挡墙的首选类型。 　　（5）.悬臂式挡土墙：属于轻型挡土墙，用钢筋混凝土浇筑而成。墙身稳定性靠底板上的填土来保证，施工较为方便。常用高度为2~6米。 　　以上几种挡土墙断面图见下图示： 　　 　　 　　 　　 　　影响挡土墙造价的因素众多，如挡墙自身高度、场地抗震设防烈度、墙背土质、墙定填土处地面荷载、挡墙自身形式等等。有些是不可控因素，如挡墙自身高度、墙定填土处地面荷载、场地设防烈度等等，这些都是挡土墙设计的先决条件，不可改变。而挡墙设计师可以通过改变挡墙形式，改变挡墙后填土材料等方法，尽可能的降低造价。限于篇幅，本文仅从有效降低挡墙墙背土压力、选择和理挡土墙形式两方面进行分析研究。探讨最合理的挡土墙设计方案。 　　2.挡土墙墙背土压力对挡墙经济性的影响： 　　众所周知，挡墙墙背土压力越大，需要的墙体构件体量越大。探讨挡土墙最经济的设计方法，首先应研究如何有效的降低墙背后主动土压力的作用。 　　（1）.墙背填土材料对土压力的影响： 　　墙背填土材料常见为黏性土与砂土（无粘性土）。理论分析与工程实践都已证明，黏性土由于自身粘聚力的存在，可有效的降低墙背的主动土压力。那么是否就可认为黏性填料为最优材料了？答案是否定的。因为这种观念忽略了一个重要因素——地下水。 　　地下水的存在，理论上虽可使土体颗粒的有效重度降低，一定程度上降低了土压力。但实际上黏性土由于吸水膨胀及冻胀性都会导致土压力的增大。且水压力自身的压力效应也非常可观。同时墙背填土内存在地下水的工况，使得挡土墙墙背土压力计算变得十分复杂，大大增加了设计难度与工作量。 　　因而笔者认为，墙背填土采用无黏性透水性良好的填土材料，才是正确的选择。同时还应在挡墙适当位置预留排水孔，并定期检查保证其排水畅通，确保墙背填土内地下水能顺利排出。 　　（2）.墙体形式对土压力的影响： 　　挡土墙设计要经历挡墙自身强度及稳定性（抗倾覆、滑移）验算两个阶段。计算分析表明，墙背的形状直接影响墙后土压力的大小。当墙背为仰斜时土压力较小，俯斜时土压力较大，但俯斜的墙背对稳定性验算有有利作用。当挡墙墙体较高时，稳定性验算较难满足，这时设置减压平台（如衡重式挡墙），可以有效的降低土压力。具体设计时应根据实际情况合理选择墙背形式。 　　3.挡土墙选型经济性比对： 　　常见挡土墙的高度在2~8米间。除衡重式挡土墙多用于4米以上高度，悬臂式挡墙高度一般在6米以下，其余类型的挡墙基本没有高度的限制，可根据现场情况及空间需求、施工工艺、综合造价等因素确定。 　　考虑实际造价影响，为进行比对，现将2~8米的挡墙分为2~4米，4~6米，6~8米三个高度段。对各种类型挡墙，每段均选择一个高度，按其实际做法造价进行综合比对。挡墙做法均参照国标图集《17J008》。 　　挡土墙墙体材料统一按混凝土考虑。其中悬臂式挡墙中的钢筋造价，及各重力式挡墙扩展基础中的钢筋造价，均按等价转换为混凝土的体积，下表中数据已包含在内。 　　对2~4米这一高度段，选择高为3米的挡墙进行比较计算，结果列举如下： 　　 仰斜式 直立式 俯斜式 衡重式 悬臂式 　　工程量 　　（m3/m） 2.48 3 3.08  1.86 　　对4~6米这一高度段，选择高为5米的挡墙进行比较计算，结果列举如下： 　　 仰斜式 直立式 俯斜式 衡重式 悬臂式 　　工程量（m3/m） 6.92 8.16 8.16 7.36 5.16 　　对6~8米这一高度段，选择高为7米的挡墙进行比较计算，结果列举如下： 　　 仰斜式 直立式 俯斜式 衡重式 悬臂式 　　工程量（m3/m） 12.23 14.79 15.63 12.12  　　通过以上数据，可得出以下结论： 　　（1）.从经济性上考虑，悬臂式挡墙虽含钢量较高，但实际造价低于重力式挡墙，且对基底地基承载力要求不高。笔者认为在高度小于6米的挡墙可首选悬臂式挡墙。 　　（2）.如现场施工边坡为挖方，且采用悬臂式挡土墙土方量较大时，可考虑采用仰斜式挡墙。注意此时应注意验算基底承载力是否满足要求。如土质较差则应采用悬臂式挡墙。 　　（3）.直立式挡墙与俯斜式挡墙同高度混凝土用量差别不大，俯斜式挡墙对地基承载力要求更高，除此之外还要看使用上要求墙胸是倾斜还是竖直的。但两者经济性不如仰斜式和衡重式。笔者认为，仅从经济性上考虑，直立式与俯斜式挡墙并不是一个好的选择。 　　（4）.如挡墙高度高于6米，不再适合选择悬臂式挡墙，此时如墙胸为竖直选择衡重式挡墙较为经济。如墙胸为倾斜选择仰斜式较为经济。 　　（5）.如挡墙高度大于10米，其墙背主动土压力较大，衡重式挡墙为首选挡墙形式。 　　4.挡墙高度对造价的影响分析： 　　很明显挡墙高度越高其墙背土压力越大。注意这里说的挡土墙高度是从挡墙基底算起的。具体墙高对挡墙整体造价的影响需计算工程量加以分析。笔者从国标图集《17J008》中选取以下几个高度的挡土墙，结合第3小节中挡墙工程量，分析研究挡墙高度对整体造价的影响。 　　　

　通过以上数据，并结合第3节中挡墙数据，可得出以下结论： 　　（1）.挡墙高度每增加1米，工程量增加约10%~40%。 　　（2）.同样为1米高差，挡墙高度较高时差距更为明显。 　　因而有效降低挡墙高度对挡墙造价十分重要。可降低挡墙高度的措施有： 　　（1）.挡墙基础在地基承载力和冻深满足要求的条件下尽可能浅埋。 　　（2）.如地基承载力无法满足时尽可能选用回填高承载力的分层压实人工填土（如灰土、级配砂石等），注意验算其下卧层满足承载力要求。 　　（3）.合理设置挡墙基底逆坡，逆坡不宜过大，计算需要时，可采取附加钢筋混凝土扩展基础的方式解决稳定与地基承载力不足的问题。 　　结束语（考虑经济性的挡墙选型结论）： 　　综上，在2~12米挡墙选型问题上，结论如下： 　　1.2~6米高的挡墙首选悬臂式挡墙。如使用上要求墙胸倾斜，或现场为挖方、采用悬臂式土方量较大时，采用仰斜式挡墙。 　　2.6~10米高的挡墙，条件允许时优选仰斜式挡墙。如使用上要求墙胸竖直则选用衡重式挡墙。 　　3.10~12米的挡墙，建议采用衡重式挡墙。 　　此外，对于重力式（仰斜式、直立式、俯斜式）挡墙，衡重式挡墙，其墙身材料的选型问题（悬臂式挡墙只能采用混凝土）：因砌筑毛石墙体实际单方造价高于毛石混凝土，且使用条件限制较多（毛石砂浆强度、墙体高度、场地抗震设防类别、挡土墙安全等级等等），笔者建议对于此类挡墙首选毛石混凝土（注意毛石及混凝土最低强度要求）。 　　对于墙背后填土材料，笔者认为应当选用透水性良好的非黏性土，并在挡墙合适位置设置排水孔，保证土体内水及时排出。 　　采取适宜的措施尽可能降低挡墙高度。降低墙背的主动土压力，从而达到降低工程造价的效果。 　　参考文献 　　[1].GB50007-2011   建筑地基基础设计规范 　　[2].国标图集  17J008  挡土墙（重力式、衡重式、悬臂式） 　　[3].建筑地基基础设计方法及实例分析（第二版） 中国建筑工业出版社  2013