公路挡土墙的设计
摘要：公路挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。在路基工程中，挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害。
1．常见挡墙类型的适用性分析
1．1重力式挡墙：对于挡土高度不超过5米的路基挡墙，重力式挡墙常为首选结构。该挡墙形式最为简洁，便于施工，缺点是基底应力不平衡，靠前趾部位的基底应力远大于靠后踵的基底应力。当挡土高度超过5米，重力式挡墙的前趾基底应力有可能超过地基容许承载力，不得已可选用构造稍复杂的衡重式挡墙。
1．2衡重式挡墙：衡重式挡墙的最大优点是可利用下墙的衡重平台迫使墙身整体重心后移，使得基底应力趋干平衡，这样可适当提高挡土高度。但从另一方面来看：衡重式挡墙的构造形式又限制了挡墙基底宽度不可能做得很大(与重力式挡墙相比)，因此就扩散挡墙基底应力而言，衡重式挡墙反不如重力式挡墙。所以采用衡重式挡土墙能够提高的挡土高度也是比较有限的。
1．3钢筋混凝土扶壁式挡墙：可进一步提高挡墙砌筑高度，但挡墙底板必须有足够的宽度，特别在前齿部位。否则基底应力仍很大(见下述两种挡墙稳定验算的对比结果)。该挡土墙耗钢量大，造价顿高；而且墙体均为立模现浇，施工不易。
1．4加筋土挡墙：是一种能适应软土地基砌筑高挡墙的理想结构。它使原本作为挡墙外荷载的墙后填料转化为墙体结构的一部分无疑是一种创造性的突破。加筋土挡墙造价低廉具有良好的经济效益，而且它的装配式构件十分有利于快速施工。尽管加筋土挡墙有诸多优点，但在华南地区城市用得还不多，主要原因是：城市道路敷设地下管线多，与挡墙筋带形成垂直交叉互有干扰。此外，万一今后路面开挖维修管道会影响到挡土墙的安全。
2．挡土墙的选型
2．1材料选择
浆砌片石挡土墙取材容易，施工简便，适用范围比较广泛。山区公路中，石料资源较为丰富，在挡土墙高≤10米时,因地制宜，采用浆砌片石砌筑，可以较好地满足经济、安全方面的要求。
2．2截面形式选择
根据挡土墙结构类型及其特点分析，当墙高<5时，采用重力式挡土墙，可以发挥其形式简单，施工方便的优势。同时，由于山区公路地面横坡比较陡峭，若采用仰斜式挡土墙，会过多增加墙高，断面增大，造成浪费，采用俯斜式挡土墙会比较经济合理。一般在路堑墙、墙趾处地面平缓的路肩墙或路堤墙等情况下，才考虑采用仰斜式挡土墙。当墙高≥5且地基条件较好时，采用衡重式挡土墙，可以有效地减小截面，节省材料。
2．3位置选择
在挖方边坡比较陡峭时，采用路堑挡土墙，可以降低边坡高度，减少山坡开挖，避免破坏山体平衡；在地质条件不良情况下，还可以支挡可能坍滑的山坡土体。
对于采用路肩挡土墙或路堤挡土墙，应结合具体条件考虑，必要时应作技术经济比较。因为路堤挡土墙承受荷载较大，受力条件较为不利，截面尺寸也较大，所以，路堤墙与路肩墙的墙高或截面污工数量较为接近，基础情况相仿时，采用路肩墙比较有利。
3．挡土墙的稳定验算及强度验算
挡土墙的设计应保证其在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。因此在拟定墙身断面形式及尺寸之后，应进行墙的稳定及强度验算。挡墙的验算方法有二种：一种是采用分项安全系数的极限状态法，另一种是总安全系数的容许应力法。目前国内多数应用容许应力法设计挡土墙。下面是采用容许应力法进行挡土墙验算的简介。
3．1滑动稳定验算
挡土墙沿基底的滑动稳定系数Kc应不小于1．3。计算公式为：Kc=(W+Ey)f／Ex式中：W——挡土墙自重，衡重式时，包括衡重台上的土重(KN)，Ex，Ey——主动土压力的水平和垂直分力(KN)，f——基底摩擦系数。
设计中，为增加挡土墙的抗滑稳定性，常将基底做成向内倾斜，以增大滑动稳定系数。基底斜坡坡度一般不超过1：5。
3．2倾覆稳定验算
挡土墙绕墙趾的倾覆稳定系数Ko应不小于1．5。计算公式为：Ko=(WZw+EyZx)／(ExZy)式中：Zx——Ey对墙趾O点的力臂(m)，Zy——Ex对墙趾O点的力臂(m)，Zw——W对墙趾O点的力臂(m)。
3．3基底应力及偏心验算
基底的合力偏心距e。计算公式为：e=B／2一Zn=B／2一(WZw+EyZx-ExZy)／(W+Ey)，在土质地基上，e≤B／5；在软弱岩石地基上，e≤B／5；在不易风化的岩石地基上，e≤B／4。当e≤B／5时，墙趾和墙踵处的法向压应力为：б1，2=(W+Ey)(1±6e／B)／B≤【б】式中，【б】——地基土修正后的容许承载力(KPa)【б】=【бo】+K．Y(B-2)式中，【бo】——地基土的容许承载力(KPa)，K——地基土容许承载力随基础宽度的修正系数，Y．——地基土的天然容重(KN／m3)。
当e>B／6时，基底出现拉应力，考虑到一般情况下地基与基础间不能承受拉力，故不计拉力而按应力重分布计算基底最大拉应力：б．=2(W+Ey)／3Zn≤【б】若出现负偏心，则上式的Zn改为(B—Zn)。
3．4墙身截面强度验算
通常选取一、两个截面进行验算。验算截面可选在基础底面、1／2墙高处或上下墙交界处等。
墙身截面强度验算包括法向应力和剪应力的验算。剪应力包括水平剪应力和斜剪应力两种，重力式挡土墙只验算水平剪应力，而衡重式挡土墙还需进行斜截面剪应力的验算。
4．采取措施
完成了挡土墙截面设计及稳定、强度验算之后，必须采取必要的措施，以保证挡土墙的安全性。
4．1基础加固措施
4．1．1为减少基底压应力，增加抗倾覆的稳定性，在墙趾处伸出一台阶，以拓宽基底。墙趾台阶的宽度不小于20Cm，台阶高宽比可采用3：2或2：1。
4．1．2地基为软弱土层时，可用砂砾、碎石、矿渣或灰土等质量较好的材料换填，以扩散基底压应力，满足设计要求。
4．2排水措施
对于浆砌石挡土墙，应在墙前地面以上设置一排泄水孔。墙较高时，可在墙上部加设泄水孔。泄水孔采用10×10cm的方孔或圆孔，孔眼间距2~3米，上下排泄水孔错开设置。泄水孔进水口应设置反滤材料。
4．3沉降缝与伸缩缝的设置
为避免地基不均匀沉降引起墙身开裂，需按墙高和地基性质的变异，设置沉降缝，同时，为了减少圬工砌体因收缩硬化和温度化作用而产生裂缝，需设置伸缩缝。挡土墙的沉降缝和伸缩缝设置在一起，每隔10~15m设置一道，缝宽23cm，自墙顶做至基底，缝内宜用沥青麻絮、沥青竹绒或涂以沥青的木板等具有弹性的材料，沿墙的内、外、顶三侧填塞，填塞深度不小于15cm。
4．4墙顶与路面的衔接
当墙顶宽大干土路肩宽度时，挡土墙侵入土路肩部分应预留出相当于路面结构厚度部分以铺筑路面。
4．5车辆安全行驶保障措施
对于路肩墙，其墙顶面以下50cm采用C20砼浇筑，并预埋钢筋，在其上设置防撞栏或防撞墙。
5．材料要求
5．1石料须经过挑选，质地均匀，无裂缝，不易风化。
5．2石料的抗压强度应不低于30MPa。
5．3尽量采用较大的石料砌筑，块石应大致方正，其厚度不小于15cm，宽度和长度相应为厚度的1．5~2．0倍和1．5~3．0倍。
5．4采用7．5号砂浆砌筑，10号砂浆勾缝。
6．设计体会
公路挡土墙是路基防护工程的重要组成部分。挡土墙设计时，应进行详细地调查、勘测，确定构造物的形式与尺寸，运用合适的理论计算土压力，并进行稳定性和截面强度方面的验算，采取合理、可行的措施，以保证挡土墙的安全性。
