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建筑論文-連拱空箱式擋土墻結(jié)構(gòu)形式的探討
摘要： 連拱空箱式擋土墻是一種適用于在軟土地基上建造高擋墻的新型結(jié)構(gòu)。它在墻身部位采用了拱型和T型結(jié)構(gòu)，受力明確，各種筑墻材料能夠充分發(fā)揮其力學(xué)特性，做到既合理又經(jīng)濟。關(guān)鍵詞： 擋土墻 設(shè)計
本文首先對軟土地基上常見的各類擋土墻進行簡要的適用性分析，并舉連拱空箱式擋土墻實例進行穩(wěn)定驗算，而后將驗算結(jié)果與在同等條件下（即擋土高度和設(shè)計參數(shù)均一致）的鋼筋混凝土扶壁式擋墻計算實例進行對比，結(jié)果證明：連拱空箱式擋土墻在軟弱地基上的適應(yīng)性遠勝于鋼筋混凝土扶壁式擋墻。此外：它造價低廉、筑墻材料多樣化以及一旦發(fā)生事故可進行有效的補救都是其獨到之處。
1 前言
蘇州市地處長江下游沖積平原，地貌形態(tài)上屬河流堆積地貌區(qū)。地基土質(zhì)以亞粘土和粘土為主，地下水位高，一般地基承載力約在120~180(KPa) ，最大也不超過240(KPa)。在軟弱地基上砌筑高擋墻不外乎有兩種選擇：其一、采用樁基礎(chǔ)或其它加固地基措施。其二、選擇合理的擋墻結(jié)構(gòu)。本文的探討范圍僅限于后者。此外，就擋墻外形而言，又可分為擋墻外墻面垂直或仰斜兩種。在同等擋土條件下采用外墻面垂直的擋墻基底反力大，且穩(wěn)定性亦較差，而外墻面仰斜的則要好得多（這也要看仰斜角的大�。�。因此在公路擋土墻中普遍采用的是外墻面仰斜的擋土墻。但是用于城市道路的擋土墻卻是以外墻面垂直型居多，這是因為：其一、該型式擋墻占地面積小，可節(jié)約寶貴的城市用地。其二、外墻面垂直的擋墻在外觀上與周圍城市建筑物更顯得和諧統(tǒng)一。
本文所討論的擋土墻均系指建造在軟土地基上且外墻面為垂直的擋土墻。
2 常見擋墻類型的適用性分析
2.1 重力式擋墻
對于擋土高度不超過5米的路基擋墻，重力式擋墻常為首選結(jié)構(gòu)。該擋墻形式最為簡潔，便于施工，缺點是基底應(yīng)力不平衡，靠前趾部位的基底應(yīng)力遠大于靠后踵的基底應(yīng)力。當擋土高度超過5米，重力式擋墻的前趾基底應(yīng)力有可能超過地基容許承載力，不得已可選用構(gòu)造稍復(fù)雜的衡重式擋墻。
2.2 衡重式擋墻
衡重式擋墻的最大優(yōu)點是可利用下墻的衡重平臺迫使墻身整體重心后移，使得基底應(yīng)力趨于平衡，這樣可適當提高擋土高度。但從另一方面來看：衡重式擋墻的構(gòu)造形式又限制了擋墻基底寬度不可能做得很大（與重力式擋墻相比），因此就擴散擋墻基底應(yīng)力而言，衡重式擋墻反不如重力式擋墻。所以采用衡重式擋土墻能夠提高的擋土高度也是比較有限的。
2.3 鋼筋混凝土扶壁式擋墻
可進一步提高擋墻砌筑高度，但擋墻底板必須有足夠的寬度，特別在前齒部位。否則基底應(yīng)力仍很大（見下述兩種擋墻穩(wěn)定驗算的對比結(jié)果）。該擋土墻耗鋼量大，造價頗高；而且墻體均為立�，F(xiàn)澆，施工不易。
2.4 加筋土擋墻
是一種能適應(yīng)軟土地基砌筑高擋墻的理想結(jié)構(gòu)。它使原本作為擋墻外荷載的墻后填料轉(zhuǎn)化為墻體結(jié)構(gòu)的一部分無疑是一種創(chuàng)造性的突破。加筋土擋墻造價低廉具有良好的經(jīng)濟效益，而且它的裝配式構(gòu)件十分有利于快速施工。盡管加筋土擋墻有諸多優(yōu)點，但在我蘇南城市用得還不多，主要原因是：城市道路敷設(shè)地下管線多，與擋墻筋帶形成垂直交叉互有干擾。此外，萬一今后路面開挖維修管道會影響到擋土墻的安全。
3 連拱空箱擋土墻計算實例
3.1 設(shè)計參數(shù)及實例
為使連拱空箱擋土墻可與同等條件下的鋼筋混凝土扶壁式擋土墻進行比較，在本計算實例中連拱空箱擋土墻的高度、底板寬度以及其它設(shè)計參數(shù)均（除若干需補充的項目外）取自“文獻1.”（第808頁）鋼筋混凝土扶壁式擋土墻計算實例，如下：
擋墻墻高H＝10(m)，墻底寬B＝5.33(m)，墻前覆土深度h＝1(m)
墻背填料容重γ0＝18(KN/m3)，水泥混凝土容重γ1＝25(KN/m3)
漿砌塊石容重γ2＝23(KN/m3)，預(yù)制蓋板容重γ3＝20(KN/m3)
內(nèi)摩擦角φ＝35°，外摩擦角δ＝φ/2，墻背傾角α＝0°
基底摩阻系數(shù)f＝0.4
墻后活載：汽車－超20級（見“文獻1.”換算土層高度h0＝0.59m）
抗滑動和抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)：Kc >1.3，Km >1.5
3.2 墻體自重計算
墻體自重合力作用點位置：Z1＝6365.86/1929.87＝3.299(m)
單位寬度（沿墻縱向1米）墻體平均自重力：W＝1929.87/3.8＝507.86(KN)
注：“文獻1.”（第811頁）鋼筋混凝土扶壁式擋墻自重力 N＝974.34(KN)比本例連拱空箱式擋土墻大了近一倍。
3.3 墻背土壓力計算
土壓力作用面及基底滑動面，補充設(shè)計參數(shù)如下：
墻背高 H'＝H＋0.7＝10.7(m) （計入齒坎高）
基底計算寬度 B'＝B－0.1＝5.23(m) （偏保守取值）
基底滑動面傾角 α0＝arctg（0.7/5.23）＝7.623345°
其余設(shè)計參數(shù)同前，以下按庫侖公式計算土壓力：
3.6 墻體結(jié)構(gòu)受力分析
墻后土壓力作用在預(yù)制水泥砼無鉸拱上并傳遞至隔墻，在一個標準計算單元內(nèi)：拱座、隔墻和前墻組合成一個垂直安置的T型梁，該T型梁下端固定，上端自由，鋼筋配置在拱座內(nèi)并延伸至齒坎，拱座為現(xiàn)澆水泥砼。前墻因僅受壓應(yīng)力而無拉應(yīng)力力（或者很�。�，故可采用漿砌塊石或其它砌塊，而不必考慮配筋。
底板結(jié)構(gòu)計算和配筋可參照鋼筋砼扶壁式擋墻。限于篇幅，墻體配筋計算及其它結(jié)構(gòu)計算均省略。
3.7 局部構(gòu)造
（1）管線布置。因城市道路管線多，預(yù)制蓋板的設(shè)置高度必須考慮到管線的安放位置。一般郵電、通訊電纜可安放在預(yù)制蓋板上，其余如煤氣、自來水等可利用隔墻作支墩，與預(yù)制蓋板并列或置于蓋板以下。
（2）泄水孔和通風(fēng)孔。泄水孔用于排出空箱內(nèi)積水，不必多言。通風(fēng)孔有兩個作用：其一、若空箱內(nèi)有煤氣管道穿過，可及時排出可能因管道泄漏產(chǎn)生的可燃氣體。其二、若是該擋墻用作河駁岸，則可始終保持河水位與空箱內(nèi)水位一致，避免因河水位變化造成空箱內(nèi)、外水位落差。因為：當空箱內(nèi)水位高于河道水位時，駁岸自重力增加，地基可能因為超載導(dǎo)致駁岸不安全；而當空箱內(nèi)水位低于河道水位時，空箱內(nèi)形成浮托氣囊，同樣可能導(dǎo)致駁岸失穩(wěn)。
（3）檢修通道。考慮檢修通道的目的是便于在擋墻竣工后可進入空箱內(nèi)進行觀察和維修，如：拱波是否有損壞，墻體是否有裂縫或不均勻沉降，以及管道是否漏水漏氣等。拱波在預(yù)制時需預(yù)埋爬梯鋼筋，這樣在檢修時只需揭開拱波頂端預(yù)制蓋板即可順爬梯進入空箱內(nèi)。
（4）預(yù)制構(gòu)件。城市道路路基擋墻一般位于人行道部位較多，預(yù)制蓋板上部主要是人行道路面及少量覆土，人行活載較小。若經(jīng)計算允許，可直接購買（或預(yù)定）現(xiàn)成的建筑預(yù)應(yīng)力空心樓板，既方便又經(jīng)濟。
拱波的預(yù)制可挖出凹型地模，按計算寬度分塊間隔先澆筑第一批拱波，待初凝后填充間隔澆筑第二批，非常方便。
隔墻和前墻的取材具有多樣性：如采用水泥砼砌塊或磚砌體等。必須注意的是隔墻部位的砌塊應(yīng)上下錯縫砌筑，這樣可避免在土壓力作用下形成通縫剪切。
4 連拱空箱式擋土墻的優(yōu)越性
4.1 擋土墻自重力可調(diào)范圍大
在擋墻外形尺寸基本選定的情況下，擋墻的自重力可通過以下幾種方法進行調(diào)整：改變箱內(nèi)填料高度、改變隔墻或前墻厚度、改變墻體砌筑材料或改變相鄰隔墻間距等。擋土墻自重力的可調(diào)性意義很大：墻體過重固然對抗滑穩(wěn)定有利，但卻不能適用于軟土地基。再比較一下上述兩種擋墻實例的驗算結(jié)果：盡管采用的土壓力計算公式有所不同，計算得兩個主動土壓力值卻非常接近，然而兩種擋墻的自重力或前趾基底應(yīng)力都要相差近一倍。擋墻設(shè)計的合理思路應(yīng)該是：首先從墻體構(gòu)造上應(yīng)盡可能增加穩(wěn)定因素，如基底做成向后傾斜或加齒坎等增加抗滑力；使墻體重心后移增加抗傾力矩，然后在滿足穩(wěn)定的前提下盡可能地減輕墻體自重力，使之與軟土地基相適應(yīng)。這對于實體擋墻來說，減輕自重十分不易，而對于連拱空箱式擋土墻卻是可行的。
4.2 擋墻失穩(wěn)后的補救
通常擋土墻在失穩(wěn)后是很難補救的，而連拱空箱式擋土墻則是例外。擋墻從失穩(wěn)到破壞一般不會在瞬間發(fā)生，頃刻崩潰，總是有一段時間上的持續(xù)過程，這就為采取補救措施爭取了時間。當發(fā)現(xiàn)擋墻有傾覆或滑動位移后，立即揭開預(yù)制蓋板，向空箱內(nèi)加入壓重填料，以增加抗傾覆力矩和增大基底摩阻力來恢復(fù)擋墻的穩(wěn)定。當然，這種補救措施應(yīng)該是在地基承載力容許的前提下才能奏效，否則另當別論。
向空箱內(nèi)加入壓重填料應(yīng)避免填料可能對前墻產(chǎn)生的較大側(cè)向力，方法有：在填料間分層放置加筋帶（其原理同加筋土擋墻）。或者在填料中摻入水泥、石灰等凝固劑。
壓重填料應(yīng)在相鄰空箱內(nèi)同時放，或控制加入量輪流放，絕對不能加足一個箱體后再加下一個，這樣做將導(dǎo)致?lián)鯄v向基底應(yīng)力不平衡和底板承受非正常的扭曲變形。
4.3 施工較簡便和經(jīng)濟效益好
連拱空箱式擋土墻雖然構(gòu)造較復(fù)雜些，但是施工操作還是比較簡單的。如前墻和隔墻均為垂直墻，相對比俯斜或仰斜面墻好做。拱波預(yù)制也不必很講究外觀和尺寸的精度。只有底板和拱座需立�，F(xiàn)澆并扎鋼筋較復(fù)雜些。
按我市當前行情測算連拱空箱式擋土墻比扶壁式擋墻節(jié)省經(jīng)費約20％，不過這里沒有考慮地基加固經(jīng)費，對于軟土地基而言，扶壁式擋墻還應(yīng)計入地基加固費用。
5. 結(jié)束語
（1）連拱空箱式擋土墻主要適用于建造高擋墻，對于較矮的擋墻還是以構(gòu)造盡可能簡單為好。
（2）設(shè)計連拱空箱式擋土墻必須著重考慮基底的抗滑構(gòu)造，只有增強了基礎(chǔ)的抗滑性才有可能減輕墻體自重力，經(jīng)濟效益也越好。
（3）拱座的配筋還不成熟，現(xiàn)有的配筋理論是針對鋼筋與水泥混凝土的組合作用。對于鋼筋與漿砌片石的組合作用、鋼筋與磚砌體的組合作用是否存在某種變異尚不清楚，有待于進一步實驗論證。
如有不當之處，懇請專家、同行批評指正。
6．參考文獻
交通部第二公路勘察設(shè)計院．公路設(shè)計手冊《路基》（第二版）．人民交通出版社．1996年5月。
公路路基設(shè)計規(guī)范（JTJ 013－86）．1986年。
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