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摘要：随着我国市场经济的飞速发展和国民经济的不断深入，全国人民生活水平步入了一个崭新的阶段，土木工程随着时代的发展也得到兴建。在工程的建设中，支挡结构是其重要的一环且在各种土木工程建筑中得到广泛适用，如市政公、铁路，水利建筑、民用建筑等都得以体现出其具有的重要性。本文从力学的基本理论着手讨论，在对于软土地基挡土墙的结构上进行优化设计，供参考，如有不足之处，望大家指正。
关键词：软土地基；挡土墙；优化设计
一、软土地基挡土墙设计中应注意的问题
1.挡土墙类型的选取
挡土墙的应用范围比较广，挡土墙的类型也比较多，因此挡土墙设计中其类型的选取是非常重要的。而类型的选取是要根据工程地质、水文地质、冲刷深度、荷载作用情况、环境条件、施工条件、工程造价等因素决定的。除此之外，环境和社会的效益也是挡土墙类型选择的重要依据，这对于大型的挡土墙更加重要。设计人员对于挡土墙的设计业要考虑与自然环境的协调。
2.挡土墙工程的不确定性
挡土墙施工完成后，其质量是很难检验的，主要是由于挡土墙属于隐蔽工程。挡土墙与人们的生活密切相关，如果施工质量出现问题，那么会造成无法预估的损失。因此，在挡土墙设计时，各类型挡土墙的施工的可行性以及施工质量的可靠性必须给以考虑。例如，浆砌片石挡土墙施工质量取决现场施工人员的专业素质以及现场的监控。总而言之，设计人员也应该对挡土墙的时效性提起重视。
3..挡土墙防渗和排水设计
挡土墙背后填土容易在雨季或者地面大量渗水时积水，这时，如果挡土墙排水有问题的话，会导致墙后的地下水位上升，从而使得墙背的静水压力有所增大，以及由于含水量的增加而导致粘性回填土产生膨胀力。例如，挡土墙高为6m时，地下水位上升，且升至墙高的三分之一时，那么作用在挡土墙上的总压力将会增大，大约百分之四十七左右，总压力是随着水位的上升而增大的，因此，水位如果再上升，总压力同样也会增大且速度越来越快；再加上积水的存在导致地基软化以及墙体受力恶化，最终造成挡土墙被破坏。因此，应该对地下水对挡土墙的不利影响应该进行消除。首先，大量的地面水要进行排除。将墙后的填土表面做成缓坡，这有助于很好的进行排水。其次，把用粘土夯实的防水层铺筑在填土表面上，其中用粘土夯实的防水层的厚度大约30㎝，或者为防止地面水渗入填土中采用混凝土或水泥砂浆做成散水坡，而如果墙后有山坡时，在坡下设置截水沟这也是必不可少的。总之，在挡土墙的设计时，选择合适的挡土墙类型要结合实际进行；挡土墙计算时，考虑的因素有：摩擦角、计算荷载、场地地下水对挡土墙的不利影响；在设计时，还要对不确定性因素进行分析。本文结合工程实例，做出挡土墙的优化设计分析，仅供参考。
二、工程概况
下图为某一学校学生公寓位于学生宿舍楼的北侧。原地形为边坡地带,北临一大型水塘。南高北低,最大高差达7 m,坡度最大处约30°。根据这一地形环境,需在塘边建一长72 m高5 m的挡土墙。经推土平整后做为该公寓建筑场地。如下图1。
学生公寓为一六层砖混结构房屋。建筑面积为5300m2。施工工期为10个月(含施工准备期)。挡土墙计划工期30 d。要求按时竣工,不得延误。根据公寓建筑场地的平面布置要求,挡墙紧邻水塘,而此地形很不規则,坡度大,塘沿地势低,基本与水面持平,且不便于大型施工设备进出场。塘沿表层为约3 m厚的淤泥软土,其下是强风化岩石。
三、对于挡土墙的具体优化设计
1.方案确定
①挡墙形式
根据工程要求,挡墙设计高度为5 m。在确定挡墙形式时首先考虑了采用重力式毛石挡墙。这一形式虽然有施工简便,墙体材料价格低等方面的优点。但由于墙身较高,墙体较厚,不仅导致墙体工程量大,而且由于墙体重量大基础须落至淤泥层下的岩土层。这样就需进行围堰排水施工,由此施工难度加大,导致工期难以保证,同时还会使投资大大增加,故此方案予以排除。第二考虑采用钢筋混凝土扶臂式挡墙,但同样会遇到水中围堰施工的问题。第三拟采用钢筋混凝土锚杆式挡墙,虽可不进行水下作业,但原场地属20年内大量回填土,土质松软,找不到适宜锚固层。又施工期正值雨季且承建单位尚无此作业经验,此方案也只好放弃。
②挡墙布置及构造
挡墙的平面布置如图1所示。考虑到围堰排水困难,设计时将挡墙底板置于淤泥软土层上,但经初步计算,不能满足抗滑移要求。于是决定采用群桩支承。桩上端嵌入挡墙底板,下端穿越淤泥层入风化岩层500 mm,桩长约2.5 m。桩间淤泥层部位用毛石挤紧,保证群桩整体性好。在进行桩身设计时,先考虑了钢筋混凝土桩。
③挡墙受力分析与结构设计要点
3.3.1受力分析
挡墙除了承受自重、桩反力外主要承受墙背主动土压力,按库仑公式主动土压力大小为:Ea=0.5γ·h2tg2(45-Φ/2)=0.5×18.6×52×tg235°=114 kN/m。此处没有考虑地面荷载,一是公寓离挡墙有10 m之距,二是公寓采用的是沉管灌注桩基础且为端承桩,而桩尖距地表约10 m深,故地表荷载可以忽略。受力图见图4。群桩承受竖向偏心荷载和水平荷载作用。至挡墙底板算起,竖向总荷载为421kN/m,对群桩中心由于偏心产生的弯矩M=177.8 kN·m。
3.3.2结构设计计算要点
挡墙结构计算选取1 m带宽进行。桩有效直径取10mm。整体倾覆力矩为M倾=273.6 kN·m。抗倾覆力矩为M抗倾=968.1 kN·m>1.5M倾,挡墙抗倾覆性能要求。挡墙抗滑移方面,因基础底板与桩嵌固,桩间有片石挤压等,已构成复合地基。故滑移面取至底板下2 m,则滑移面正压力N=421+18×2.0×4.2×1.0=712 kN,F抗滑=f·N=0.25×712=178 kN>1.3×114 kN=148 kN,满足要求。单桩抗剪强度[Q]=[τ]·A=9×0.785×1002=70.7 kN>Q=2.7 kN,满足要求。
总结
综上所述，我们看出由于软土地基挡土墙其自身的特殊性，在通常的工程建设中经常遇到一些难以满足其稳定性的设计施工问题，因此，对于软土地基挡土墙的优化结构设计以及不同类型的结构选型是必不可少的，不但可以增强其工程的稳定性而且还可以降低一定施工成本费用。本文通过在实例中的实际工程工作原理以及工程设计特点和工程计算，在以混凝土撑梁式挡墙为例的基础上,进行了一系列的优化设计和计算，与各位同仁设计人员交流。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。
关键词：软土地基；挡土墙；优化设计
一、软土地基挡土墙设计中应注意的问题
1.挡土墙类型的选取
挡土墙的应用范围比较广，挡土墙的类型也比较多，因此挡土墙设计中其类型的选取是非常重要的。而类型的选取是要根据工程地质、水文地质、冲刷深度、荷载作用情况、环境条件、施工条件、工程造价等因素决定的。除此之外，环境和社会的效益也是挡土墙类型选择的重要依据，这对于大型的挡土墙更加重要。设计人员对于挡土墙的设计业要考虑与自然环境的协调。
2.挡土墙工程的不确定性
挡土墙施工完成后，其质量是很难检验的，主要是由于挡土墙属于隐蔽工程。挡土墙与人们的生活密切相关，如果施工质量出现问题，那么会造成无法预估的损失。因此，在挡土墙设计时，各类型挡土墙的施工的可行性以及施工质量的可靠性必须给以考虑。例如，浆砌片石挡土墙施工质量取决现场施工人员的专业素质以及现场的监控。总而言之，设计人员也应该对挡土墙的时效性提起重视。
3..挡土墙防渗和排水设计
挡土墙背后填土容易在雨季或者地面大量渗水时积水，这时，如果挡土墙排水有问题的话，会导致墙后的地下水位上升，从而使得墙背的静水压力有所增大，以及由于含水量的增加而导致粘性回填土产生膨胀力。例如，挡土墙高为6m时，地下水位上升，且升至墙高的三分之一时，那么作用在挡土墙上的总压力将会增大，大约百分之四十七左右，总压力是随着水位的上升而增大的，因此，水位如果再上升，总压力同样也会增大且速度越来越快；再加上积水的存在导致地基软化以及墙体受力恶化，最终造成挡土墙被破坏。因此，应该对地下水对挡土墙的不利影响应该进行消除。首先，大量的地面水要进行排除。将墙后的填土表面做成缓坡，这有助于很好的进行排水。其次，把用粘土夯实的防水层铺筑在填土表面上，其中用粘土夯实的防水层的厚度大约30㎝，或者为防止地面水渗入填土中采用混凝土或水泥砂浆做成散水坡，而如果墙后有山坡时，在坡下设置截水沟这也是必不可少的。总之，在挡土墙的设计时，选择合适的挡土墙类型要结合实际进行；挡土墙计算时，考虑的因素有：摩擦角、计算荷载、场地地下水对挡土墙的不利影响；在设计时，还要对不确定性因素进行分析。本文结合工程实例，做出挡土墙的优化设计分析，仅供参考。
二、工程概况
下图为某一学校学生公寓位于学生宿舍楼的北侧。原地形为边坡地带,北临一大型水塘。南高北低,最大高差达7 m,坡度最大处约30°。根据这一地形环境,需在塘边建一长72 m高5 m的挡土墙。经推土平整后做为该公寓建筑场地。如下图1。
学生公寓为一六层砖混结构房屋。建筑面积为5300m2。施工工期为10个月(含施工准备期)。挡土墙计划工期30 d。要求按时竣工,不得延误。根据公寓建筑场地的平面布置要求,挡墙紧邻水塘,而此地形很不規则,坡度大,塘沿地势低,基本与水面持平,且不便于大型施工设备进出场。塘沿表层为约3 m厚的淤泥软土,其下是强风化岩石。
三、对于挡土墙的具体优化设计
1.方案确定
①挡墙形式
根据工程要求,挡墙设计高度为5 m。在确定挡墙形式时首先考虑了采用重力式毛石挡墙。这一形式虽然有施工简便,墙体材料价格低等方面的优点。但由于墙身较高,墙体较厚,不仅导致墙体工程量大,而且由于墙体重量大基础须落至淤泥层下的岩土层。这样就需进行围堰排水施工,由此施工难度加大,导致工期难以保证,同时还会使投资大大增加,故此方案予以排除。第二考虑采用钢筋混凝土扶臂式挡墙,但同样会遇到水中围堰施工的问题。第三拟采用钢筋混凝土锚杆式挡墙,虽可不进行水下作业,但原场地属20年内大量回填土,土质松软,找不到适宜锚固层。又施工期正值雨季且承建单位尚无此作业经验,此方案也只好放弃。
②挡墙布置及构造
挡墙的平面布置如图1所示。考虑到围堰排水困难,设计时将挡墙底板置于淤泥软土层上,但经初步计算,不能满足抗滑移要求。于是决定采用群桩支承。桩上端嵌入挡墙底板,下端穿越淤泥层入风化岩层500 mm,桩长约2.5 m。桩间淤泥层部位用毛石挤紧,保证群桩整体性好。在进行桩身设计时,先考虑了钢筋混凝土桩。
③挡墙受力分析与结构设计要点
3.3.1受力分析
挡墙除了承受自重、桩反力外主要承受墙背主动土压力,按库仑公式主动土压力大小为:Ea=0.5γ·h2tg2(45-Φ/2)=0.5×18.6×52×tg235°=114 kN/m。此处没有考虑地面荷载,一是公寓离挡墙有10 m之距,二是公寓采用的是沉管灌注桩基础且为端承桩,而桩尖距地表约10 m深,故地表荷载可以忽略。受力图见图4。群桩承受竖向偏心荷载和水平荷载作用。至挡墙底板算起,竖向总荷载为421kN/m,对群桩中心由于偏心产生的弯矩M=177.8 kN·m。
3.3.2结构设计计算要点
挡墙结构计算选取1 m带宽进行。桩有效直径取10mm。整体倾覆力矩为M倾=273.6 kN·m。抗倾覆力矩为M抗倾=968.1 kN·m>1.5M倾,挡墙抗倾覆性能要求。挡墙抗滑移方面,因基础底板与桩嵌固,桩间有片石挤压等,已构成复合地基。故滑移面取至底板下2 m,则滑移面正压力N=421+18×2.0×4.2×1.0=712 kN,F抗滑=f·N=0.25×712=178 kN>1.3×114 kN=148 kN,满足要求。单桩抗剪强度[Q]=[τ]·A=9×0.785×1002=70.7 kN>Q=2.7 kN,满足要求。
总结
综上所述，我们看出由于软土地基挡土墙其自身的特殊性，在通常的工程建设中经常遇到一些难以满足其稳定性的设计施工问题，因此，对于软土地基挡土墙的优化结构设计以及不同类型的结构选型是必不可少的，不但可以增强其工程的稳定性而且还可以降低一定施工成本费用。本文通过在实例中的实际工程工作原理以及工程设计特点和工程计算，在以混凝土撑梁式挡墙为例的基础上,进行了一系列的优化设计和计算，与各位同仁设计人员交流。
注：文章内所有公式及图表请用PDF形式查看。