擋土墻在山區(qū)公路中的應用

林木路（省道市政公路橋）汝河大橋至付店段的改造工作始于汝陽區(qū)汝河大橋大橋以北（林木路西側k21.260）。途經城關、下竹林、下店、新華、上店、江莊、西葛、18盤、混亂石盤、八盤、巴溝坪、斜河、馬廟、付店，終點為付店市（k6.000），全長33.965公里（比原里程短6.1公里）。由于本工程位于洛陽南部深山區(qū)，局部填、挖地段為了減少土石方工程量和占地面積，防止水流沖刷路基以及大填大挖破壞自然環(huán)境而設置了多種形式的擋土墻。主要采用了俯斜式路肩墻、仰斜式路肩墻、俯斜式路堤墻、俯斜式路肩墻、衡重式路肩墻、加筋土擋墻共計15處/1015m。1擋土墻的分類及選用公路擋土墻是用來支承路基填土或山坡土體，防止填土或土體變形失穩(wěn)的構造物。在路基工程中，擋土墻可用以穩(wěn)定路堤和路塹邊坡，減少土石方工程量和占地面積，防止水流沖刷路基，并經常用于整治坍方、滑坡等路基病害。擋土墻的形式多種多樣，按其結構特點，可分為：石砌重力式、石砌衡重式、加筋土輕型式、砼半重力式、鋼筋砼懸臂式和扶壁式、柱板式、錨桿式、錨定板式及垛式等類型；按所處路基橫斷面上的相應位置，又可劃分為：路肩墻、路堤墻及路塹墻；按所處的環(huán)境條件，又可分為：一般地區(qū)擋墻、浸水地區(qū)擋土墻及地震地區(qū)擋土墻。在臨木路擋墻設計中我們根據實際情況進行了擋土墻的選型。主要采用了俯斜式路肩墻、仰斜式路肩墻、俯斜式路堤墻、俯斜式路肩墻、衡重式路肩墻、加筋土擋墻共計15處/1015m，本工程涵蓋擋墻形式較多，有必要對擋墻設計的一般性問題進行分析及總結。2支撐墻設計的基本數據和設計參數2.1擋墻地段構造物擋土墻設計時，必須具備以下資料：路線平、縱、橫數據，地質資料（包括工程地質勘察報告、工程物探報告），相應擋墻地段構造物一覽表等。另外，為規(guī)范成圖及方便擋土墻驗算我們借助專用計算機輔助設計系統(tǒng)《HARD2000》，該軟件的擋土墻設計功能齊全，成圖美觀，具備對設計參數修改及擋墻驗算功能并在我市南部山區(qū)數條公路擋土墻設計、施工中得到實施。2.2參數的選擇2.2.1背材料的物理力學性質對于山嶺重丘二、三級公路的擋土墻設計，當缺乏試驗數據時，填料的計算內摩擦角及容重可參照表1選用：2.2.2c石砌墻背、排水不良時，為填土與墻背間的摩擦角δ應視墻背的粗糙程度及排水條件確定。無試驗資料時可參考下列數據選用：（1）墻背光滑、排水不良時，δ=0；(2）混凝土墻身時，δ=（0～1/2）φ；（3）一般情況、排水良好時，δ=（1/2～2/3）φ；（4）臺階形的石砌墻背、排水良好時，δ=2/3φ。在臨木公路擋土墻設計時，考慮到當地情況，設計時我們選用了δ=1/2φ2.2.3基本系數基底摩擦系數f應依據基底粗糙程度、排水條件和土質確定。2.2.4采用計算機技術，驗算擋墻設計的技術以前計算地基容許承載力大部分參照《公路設計手冊·路基》及有關設計規(guī)范規(guī)定選取，本次我們借助專用計算機輔助設計系統(tǒng)《HARD2000》，根據所選參數進行驗算，這對擋墻設計極為重要，可以實事求是的計算承載力，免得亂套規(guī)范，對施工單位要求過高而不能達到。2.2.53支撐墻的準備3.1分布的原則漿砌片石擋土墻取材容易，施工簡便，適用范圍比較廣泛。山區(qū)公路中，石料資源較為豐富，在擋土墻高≤10米時，因地制宜，采用漿砌片石砌筑，可以較好地滿足經濟、安全方面的要求。3.2仰斜式擋土墻根據擋土墻結構類型及其特點分析，當墻高<5時，采用重力式擋土墻，可以發(fā)揮其形式簡單，施工方便的優(yōu)勢。同時，由于山區(qū)公路地面橫坡高差大，若采用仰斜式擋土墻，會過多增加墻高，斷面增大，造成浪費，采用俯斜式擋土墻會比較經濟合理。一般在路塹墻、墻趾處地面平緩的路肩墻或路堤墻等情況下，才考慮采用仰斜式擋土墻。當墻高≥5且地基條件較好時，采用衡重式擋土墻，可以有效地減小截面，節(jié)省材料。3.3擋土墻與路堤墻的配合在挖方邊坡比較陡峭時，采用路塹擋土墻，可以降低邊坡高度，減少山坡開挖，避免破壞山體平衡；在地質條件不良情況下，還可以支擋可能坍滑的山坡土體。對于采用路肩擋土墻或路堤擋土墻，應結合具體條件考慮，必要時應作技術經濟比較。因為路堤擋土墻承受荷載較大，受力條件較為不利，截面尺寸也較大，所以路堤墻與路肩墻的墻高或截面污工數量較為接近，基礎情況相仿時，采用路肩墻比較有利。在臨木路設計中我們因地制宜在K35+040～K35+520段左側設兩段路肩墻，主要為防止路堤邊坡侵占西局水庫庫容；在K40+480～K40+600高填方段，左右側設加筋土擋墻，其它地段也相應采用了合適的形式。4填土及地基作用擋土墻設計的經濟合理，關鍵是正確地計算土壓力，確定土壓力的大小、方向與分布。土壓力計算是一個十分復雜的問題，它涉及墻身、填土與地基三者之間的共同作用。計算土壓力的理論和方法很多。由于庫倫理論概念清析，計算簡單，適用范圍較廣，可適用不同墻背坡度和粗糙度、不同墻后填土表面形狀和荷載作用情況下的主動土壓力計算，且一般情況下計算結果均能滿足工程要求，因此庫倫理論和公式是目前應用最廣的土壓力計算方法。對于當前計算機程序來說，無論自己編寫的還是專業(yè)軟件都以此為基礎。在此，不多贅述。5墻身截面強度驗算擋土墻的設計應保證其在自重和外荷載作用下不發(fā)生全墻的滑動和傾覆，并保證墻身截面有足夠的強度、基底應力小于地基承載力和偏心距不超過容許值。因此在擬定墻身斷面形式及尺寸之后，應進行墻的穩(wěn)定及強度驗算。墻身截面強度計算的方法有兩種：一種是采用分項安全系數的極限狀態(tài)法，其設計原則是：荷載效應不利組合的設計值小于或等于結構抗力效應的設計值。另一種是總安全系數的容許應力法。目前國內多數應用容許應力法設計擋土墻。容許應力法主要要對抗滑穩(wěn)定系數Kc驗算、抗傾覆穩(wěn)定系數Ko驗算、基底的合力偏心距e。驗算下面是采用容許應力法進行擋土墻驗算的簡介。墻身截面強度驗算及采用《HARD2000》軟件和套用規(guī)范兩斷面尺寸比較通常選取一、兩個截面進行驗算?！禜ARD2000》軟件可對每個均有橫斷面數據的截面進行驗算。墻身截面強度驗算包括法向應力和剪應力的驗算。剪應力包括水平剪應力和斜剪應力兩種，重力式擋土墻只驗算水平剪應力，而衡重式擋土墻還需進行斜截面剪應力的驗算。以下為臨木路某段重力式擋墻驗算書：基本參數擋墻形式：重力式擋墻上墻高(m):6.0000下墻高(m):0.0000上墻仰>0(俯<0)角:16.6992下墻仰>0(俯<0)角:0.0000衡重臺寬(m):0.0000衡重臺內側邊緣與墻體外側邊緣之距(m):0.0000擋墻底寬(m):3.1000等代土層厚(m):0.7239填土坡度:1.0000墻底坡度:0.1622填土高(m):0.0000填土容重(kN/m3):18.0000布載長度(m):6.1400布載邊距(m):0.0000墻體每延米重(kN/m):350.9800路基全寬(m):12.0000墻體縱向分段長度(m):9.0000墻體重心距其外側左下角的水平距離(m):1.4750荷載等級:汽-20掛-100填料內摩擦角(度):30.0000墻背與填料間的摩擦角(度):15.0000基底摩擦系數:0.4000基底承載力(Kpa):200.0000主動土壓力計算結果全墻主動土壓力x向分量(KN)Ex=150.9061全墻主動土壓力y向分量(KN)Ey=93.1988全墻主動土壓力x向坐標(m)Zx=-0.6583全墻主動土壓力y向坐標(m)Zy=2.1944上墻破裂角(度)a1=26.8823驗算結果抗滑穩(wěn)定系數:2.3766抗傾覆穩(wěn)定系數:2.9082基底最大壓應力:146.9965從以上計算成果可看出，該程序在保證安全的情況下可按調整各設計參數使擋墻斷面減小，以減少圬工體積，節(jié)約工程建設資金。6設計支撐墻時應采取措施采取措施措施完成了擋土墻截面設計及穩(wěn)定、強度驗算之后，必須采取必要的措施，以保證擋土墻的安全性。6.1臺階，以拓寬基底6.1.1為減少基底壓應力，增加抗傾覆的穩(wěn)定性，在墻趾處伸出一臺階，以拓寬基底。墻趾臺階的寬度不小于20cm，臺階高寬比可采用3:2或2:1。6.1.2地基為軟弱土層時，可用砂礫、碎石、礦渣或灰土等質量較好的材料換填，以擴散基底壓應力，滿足設計要求。6.2反濾層的設置對于砌石擋土墻，瀉水孔按梅花型布置，泄水孔采用10×10cm的方孔或圓孔間距為3m，上下錯列設置；瀉水孔后設置反濾層。最下一層瀉水孔應高出地面或常水位30cm。泄水孔進水口應設置反濾材料。6.3工體裂縫成因為避免地基不均勻沉降引起墻身開裂，需按墻高和地基性質的變化，設置沉降縫，同時，為了減少圬工砌體因收縮硬化和溫度化作用而產生裂縫，需設置伸縮縫。擋土墻的沉降縫和伸縮縫設置在一起，每隔10～15m設置一道，沉降縫寬2cm，中間填浸瀝青板，外側20cm填塞瀝青麻筋。6.4錨固鋼筋設置對于路肩墻，其墻頂面護墻尺寸為：200×40×60(cm），擋土墻頂預埋墻式護欄錨固鋼筋Φ28，每根鋼筋長90cm,鋼筋錯列設置，間距30cm,插入墻身50cm。每個墻式護欄設7根鉚固鋼筋。墻式護欄外涂紅白相間的條紋標識。7塊石的選擇與整地7.1石料須經過挑選，質地均勻，無裂縫，未風化，石料的抗壓強度不應低于30MPa，所用片石厚度不應小于15cm（禁用卵形和薄片），用作鑲面的片石應選擇表面較平整、尺寸較大者，并應稍加修整。所用塊石形狀大致方正，上下面大致平整，厚度20～30cm，寬度約為厚度的1.0～1.5倍，長度約為厚度的1.5～3.0倍（若有峰楞銳角，應予敲除）。塊石用作鑲面時，應有外露面四周向內稍加修鑿；后部可不修鑿；但應略小于修鑿部分。8該項目的體驗8.1填料擋土墻設計參數的選取因用于計算主動土壓力的庫倫理論較適用于砂性土，而對于粘性土的壓力計算會存在一定的誤差，所以對于以粘性土做填料的擋土墻計算，設計參數如填料的內摩擦角等的取值應相對保守。由于庫倫理論是一種簡化的土壓力計算方法，所以對于以砂性土做填料的擋土墻，設計參數也應根據實際情況取相對保守值。8.2系數選擇在本次設計中我們對墻高≥10m的擋土墻，設計時將安全系數提高20%，以保證其安全性。8.3擋土墻體設計出于美觀和施工方便的考慮，一段擋土墻通常都采用一個墻面坡。對于山區(qū)公路擋土墻，采用較陡的墻面坡，可有效減小墻高，節(jié)省材料。臨木路設計時，重力式擋土墻（俯傾式）、衡重式擋土墻墻面坡取1:0.05或為直坡，仰斜式擋土墻的墻面坡取1:0.25，均能滿足設計要求。8.4衡重式路肩擋土墻頂寬度隨墻高的變化仰斜式擋土墻的墻背坡一般不超過1:0.3。俯斜式擋土墻的墻背坡一般取1:0.25，隨著墻高增加，墻頂寬度相應增大。對于衡重式路肩擋土墻，當墻高≤8m時，上墻背坡取1:0.25，墻高>8m而≤10m時，上墻背坡取1:0.3；下墻背坡取1:0.25。若為路堤墻，則上墻背坡應相應加大。8.5穩(wěn)定性驗算的注意公式對于俯斜式擋土墻，由于所受土壓力較大，所以設計時應注意其穩(wěn)定和抗傾覆的