６２道路交通
城市道桥与防洪
２０１２年７月第７期
一种悬臂式挡土墙的优化设计及应用研究胡雯
（上海黄浦江大桥建设有限公司，上海２０００９０）
摘要：该文以某市老路拓宽工程为背景，根据实际工程改进悬臂式挡土墙的结构设计，得出一种悬臂式挡土墙的优化设
计—仰斜式悬臂挡土墙。通过对普通悬臂式挡土墙和仰斜式悬臂挡土墙的对比分析，得出在一定的工程条件下，仰斜式悬臂稳定性、地基承载力、材料经济性等方面有较大的优势，从而能为某些在具体情况下的挡土墙优化设计提供挡土墙在土压力、一定的参考。
关键词：仰斜式悬臂挡土墙；路基拓宽；稳定性；对比分析中图分类号：Ｕ４１７．１＋１２
文献标识码：Ｂ
文章编号：１００９－７７１６（２０１２）０７－００６２－０４
０前言
随着经济发展和节能减排的提出，具有轻型
环保节能、经济稳定的悬臂式挡土墙在各类建化、
设工程设计中得到广泛应用，特别是在桥头起坡段、地道敞开段等存在路基高差和用地受限的路段。但是由于悬臂式挡土墙的固有模式和惯性思维，使得在进行悬臂式挡墙设计时造成断面尺寸过大、结构断面固化、不能针对实际工程情况进行优化设计等诸多问题。
老路拓宽项目具有用地受限、现状路基护坡已稳定、沉降控制标准高、不能中断交通等特点。本文即针对老路拓宽的具体情况，利用相关理论优化普通悬臂式挡土墙结构断面尺寸和角度，得出一种悬臂式挡土墙的优化设计———仰斜式悬臂挡土墙。本文旨在针对不同的设计约束条件下，为优化挡土墙设计方法提供一种思路。
泛分布，埋深１．００～２５．８０ｍ，厚度０．９０～１６．８０ｍ（见表１）。软土具含水量高、透水性差、强度低、高压缩性、高灵敏度特征，当其受到震动时，土层结构易受破坏，抗剪强度和承载力随之大幅度降低，引起地面或建筑物下陷。1.2工程难点及特点
（１）该工程为老路拓宽，原老路路基边坡为植
原路基边坡沉降已基本完草防护，防护高４～５ｍ，
成，拓宽路基不能对老路路基大开大挖。
（２）原坡脚南侧紧挨着有一水渠，施工正处于南方多雨期，且征地及临时用地非常困难，如何在现有用地的条件下，不破坏现有水渠及确保拓宽路基的稳定两方面协调统一成为一个难点。
２方案思路
根据周边环境、地质条件及上述工程特点，该项挡土墙设计有两种方案可供选择：重力式挡土墙和悬臂式
圬工挡土墙。经验算此处重力式挡土墙工后沉降较大，考虑较大，对地基承载力要求较高，且运输材料不方便。
到该工程为老路拓宽工程，用地较大，对挡土墙变形要求严格，因此该工程确定用悬臂式挡土墙。此工点的悬臂式挡土墙，墙高Ｈ＝５ｍ，墙后填土重度γ＝１９．０ｋＮ／ｍ３，Ｃ＝０．０ｋＰａ，φ＝３０ｋＰａ，墙背与填土摩擦角δ＝１７．５°，墙身混凝土重度γｃ＝２３．０ｋＮ／ｍ３，墙底摩擦系数ｆ＝０．４。
该工程为老路拓宽工程，且原护坡已沉降稳定，若用普通的直立悬臂式挡土墙（见图１），会造成原护坡的大开挖，不利于老路路基稳定，对现状行车会造成一定的安全隐患。因此在经过现场调研及周密计算情况下，巧妙的优化了悬臂式挡土墙，提出了两个必选方案：
方案一：设计为普通直立式悬臂挡土墙，如图１所示。墙高Ｈ＝５ｍ，墙趾悬挑长１．３ｍ，墙踵悬挑
１概述
某市某立交工程为快速路改建工程，全长
１．６９ｋｍ，主路等级为一级公路兼有城市道路功能。立交主线设计车速８０ｋｍ／ｈ，匝道３０～４０ｋｍ／ｈ。其中立交收费站现有１２条收费车道不能满足未来车流量需求。根据预测流量及实际情况，在立交收费站南北侧各增加一个收费车道。1.1工程地质
根据勘察资料，该工程水埋深较浅，稳定水位埋深为０．７０～５．８０ｍ；该工程特殊岩土主要为软土，包括淤泥、淤泥质土、淤泥质砂，在工程范围广
收稿日期：２０１２－０３－０６作者简介：：胡雯（１９７８－），女，上海，工程师，从事市政工程项目施工管理。
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表1工程地质一览表
锥尖阻力ｑｃ／ＭＰａ
侧摩阻力ｆｓ／ｋＰａ
直剪粘聚力ｃ／ｋＰａ
道路交通６３
岩土分层①１人工填土层①２耕植土层
组成物素填土和杂填土
粉质粘土粘粒、粉粒粉砂粘粒、腐植质粉砂、细砂，含有机
质、腐植物粉砂、细砂，含少量
腐植物
分层厚度／ｍ２．０６～５．１９１．０６～２．８７０．８０～１４．２０６．３０～１０．５０１．１０～１６．８００．９０～９．０００．８０～２２．５０２．００～１７．１０
直剪内摩擦角φ／（°）
承载力基本容许值［ｆａｏ］／ＭＰａ
标贯击数
０．９６０．８１
３９．９５２５．２０
１８．９
９．５８
８０１００～１２０１００
３．４５．９６．６２．８３．８６．５７．４
②１粉质粘土、粘土层
②３粉砂、细砂层
③１淤泥、淤泥质土层
③２淤泥质砂层③３粉砂、细砂层③４中砂层
０．３８１．２７
６．９０１３．４０
１３．３６．７９５０８０１００～１２０１００～１５０
中砂，含少量粘粒
长３．５０８ｍ，底板总长５．６４ｍ。
方案二：基于普通直立式悬臂挡土墙，改变普通直立悬臂式挡土墙的立臂角度，优化为仰斜式悬臂挡土墙，如图２所示。立臂背坡倾斜坡度１：
面坡倾斜坡度为１：０．２０。墙趾悬挑长１．８ｍ，－０．１０，
墙踵悬挑长１．７５５ｍ，底板总长４．５５ｍ。
图1悬臂式挡土墙示意图（单位：mm）
（单位：mm）图2仰斜式悬臂挡土墙示意图
３仰斜式悬臂挡土墙设计
3.1仰斜式悬臂挡土墙计算模式
其受力情况见图３所示。在挡土墙的计算模式中，通常采用朗金理论和库伦理论。朗金理论是根据土体中各点处于平衡状态的应力条件直接求墙背上各点的土压力。要求墙背光滑，填土表面水
平，计算结果偏大。而库仑理论是根据墙背与滑动面间的楔块型处于极限平衡状态的静力平衡条件求总土压力，墙背可以倾斜，粗糙填土表面可倾斜，计算结果主动压力满足要求，而被动压力误差较大。仰斜式悬臂挡土墙与普通直立式悬臂挡土墙的区别主要在于悬臂的斜度较大，因此采用库伦理论作为其计算模式较为合理。首先要选择计算墙面，在悬臂式挡土墙在填土压力的作用下，墙体产生背离填土方向的位移和变形，其值达到一定大小时，墙后填土即处于主动极限平衡状态，此时填土内将产生以墙脚Ｄ点为准的两个滑动面，如图４中ＤＥ面和ＡＣ面。ＡＣ面是底板Ｃ点与立板Ａ点的连接平面，可称为计算墙面，即设想填土
然后通过所产生的主动土压力是作用在ＡＣ面上，
土体ＡＢＣ传递到墙面（即力板背面）ＡＢ上。但是作为计算墙面，ＡＣ面与竖直面之间的夹角β应满
Φ足条件β≤４５°－，其中Φ为填土的内摩擦
２φ角；如若β＞４５°－，则应从Ｃ点作与竖直
２φ的平面ＣＦ作为计算墙面的夹角等于４５°－２
面。
当计算墙面确定以后，就可以按照相关规范进行土压力计算。3.2计算结果
3.2.1墙身尺寸及物理参数
悬臂式挡土墙是由立臂、墙趾板和墙踵板三部分组成，普通悬臂式挡土墙立臂内侧（即墙背）做成竖直面，外侧（即墙面）做成１：０．０２￣１：０．０５的斜
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墙身尺寸墙身高墙顶宽面坡倾斜坡度背坡倾斜坡度墙趾悬挑长ＤＬ
取值５．６００（ｍ）０．５００（ｍ）１：０．２１：－０．１
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表2墙身尺寸及物理参数表
物理参数混凝土墙体容重混凝土强度等级纵筋级别抗剪腹筋等级
取值２３．０００（ｋＮ／ｍ３）
Ｃ３０ＨＲＢ３３５ＨＲＢ３３５２０（ｍｍ）３０．０００（°）１９．０００（ｋＮ／ｍ３）
１．８００（ｍ）裂缝计算钢筋直径０．６００（ｍ）墙后填土内摩擦角０．６００（ｍ）１．２００（ｍ）０．６００（ｍ）０．６００（ｍ）背坡加腋
图3仰斜式悬臂挡土墙受力示意图
墙趾跟部高ＤＨ
墙趾端部高ＤＨ０
墙踵悬挑长ＤＬ１墙踵跟部高ＤＨ１
墙后填土容重墙背与墙后填土摩
擦角地基土容重
修正后地基土容许
承载力
１７．５００（°）１８．０００（ｋＮ／ｍ３）
墙踵端部高ＤＨ２
加腋类型背坡腋宽ＹＢ２背坡腋高ＹＨ２
图4仰斜式悬臂挡土墙计算墙面
１５０．０００（ｋＰａ）
墙趾值提高系数墙踵值提高系数平均值提高系数墙底摩擦系数地基土类型地基土内摩擦角土压力计算方法
１．２１．３１０．４土质地基３０．０００（°）库仑
０．５００（ｍ）０．５５０（ｍ）１．８００（ｍ）１．０００（ｍ）
坡。仰斜式悬臂挡土墙即调整竖直的立臂为具有
可以达到缩小挡墙断面，一定倾角的仰斜式立臂。
缩短挡墙底板，改善土压力情况等优点。
经过多次试算及比选，最后确定仰斜式悬臂挡土墙墙身尺寸及物理参数如表２所列。3.2.2土压力计算（见图5）
计算高度为５．６００（ｍ）处的库仑主动土压力。按假想墙背计算得到：第１破裂角：３２．２００（°），Ｅａ＝１３７．６１０（ｋＮ），Ｅｘ＝１０１．２４３（ｋＮ），Ｅｙ＝９３．２０１（ｋＮ），作用点高度Ｚｙ＝１．７８９（ｍ），计算后发现第二破裂面不存在。
墙身截面积＝７．１３６（ｍ２），重量＝１６４．１１９ｋＮ。整个墙踵上的土重＝７４．０７６（ｋＮ），重心坐标（０．７２７，－３．２７５）（相对于墙面坡上角点）；墙踵悬挑板上的土重＝４８．１２９（ｋＮ），重心坐标（０．９１０，－３．４１５）
墙趾板上的土重＝１６．２００（相对于墙面坡上角点）；
（相对于趾点力臂＝０．９００（ｍ））。（ｋＮ）
3.2.3滑动稳定性验算
基底摩擦系数＝０．４００，采用防滑凸榫增强抗滑动稳定性。滑移力＝１０１．２４３（ｋＮ），抗滑力＝１８５．２５７（ｋＮ），滑移验算满足：Ｋｃ＝１．８３０＞１．３００。3.2.4倾覆稳定性验算
验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性，倾覆力矩＝
防滑凸榫尺寸ＢＴ１
防滑凸榫尺寸ＢＴ
防滑凸榫尺寸ＨＴ０．５００（ｍ）
墙趾埋深
１．１００（ｍ）
图5仰斜式悬臂挡土墙土压力及破裂面图
１８１．０９５（ｋＮ·ｍ），抗倾覆力矩＝１０７０．２６１（ｋＮ·ｍ），
倾覆验算满足：Ｋ０＝５．９１０＞１．５００。3.2.5地基应力及偏心距验算
基础为天然地基，验算墙底偏心距及压应力。作用于基础底的总竖向力＝３４７．５９６（ｋＮ），作用于墙趾
ｍ），基础底面宽度下点的总弯矩＝８８９．１６５（ｋＮ·
Ｂ＝４．５５５（ｍ），偏心距ｅ＝－０．２８１（ｍ），基础底面合力作用点距离基础趾点的距离Ｚｎ＝２．５５８（ｍ）。基底压
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应力：趾部＝４８．１１１（ｋＰａ），踵部＝１０４．５１１（ｋＰａ），最大应力与最小应力之比＝１０４．５１１／４８．１１１＝
作用于基底的合力偏心距、２．１７２。基于上述计算，
墙趾处地基承载力、墙踵处地基承载力、地基平均承载力等各项指标均能满足要求。3.2.6墙趾板强度计算
标准值：作用于基础底的总竖向＝３４７．５９６（ｋＮ），
·ｍ）。设计作用于墙趾下点的总弯矩＝８８９．１６５（ｋＮ
值：作用于基础底的总竖向力＝４１７１１５（ｋＮ），作用于墙趾下点的总弯矩＝１０６６．９９８（ｋＮ·ｍ）。最大裂缝宽度为：０．０４３（ｍｍ）。3.2.7墙踵板强度计算
标准值：作用于基础底的总竖向力＝３４７．５９６作用于墙趾下点的总弯矩＝８８９．１６５（ｋＮ·ｍ）。（ｋＮ），
设计值：作用于基础底的总竖向力＝４１７．１１５（ｋＮ），作用于墙趾下点的总弯矩＝１０６６．９９８（ｋＮ·ｍ）。最大裂缝宽度为：０．０１４（ｍｍ）。加腋根部最大裂缝宽度为：０．０２９（ｍｍ）。3.2.8立墙截面强度验算
通过对距离墙顶１．２５ｍ、２．５ｍ、３．７５ｍ、５．０ｍ处的计算，发现最不利处为距离墙顶５．０ｍ处，截面剪力Ｑ＝９６．５７１（ｋＮ），截面弯矩Ｍ＝１５２．０３０（ｋＮ·ｍ）。截面抗剪验算满足，不需要配抗剪腹筋，最大裂缝宽度为：０．０３５（ｍｍ）。
式挡土墙完全可以胜任特殊情况下的防护支挡。
通过与优化前的普通直立式悬臂挡土墙的对比发现有以下结果。
（１）在老路拓宽条件下，仰斜式悬臂挡土墙，
底板缩短、土稳定性好的优点。具有占地少、
（２）优化后的防护形式能减少原护坡的开挖范围。即减少了护坡开挖量，又增加了老路施工安全性。4.2建议
本文即针对老路拓宽的具体情况，利用相关理论优化普通悬臂式挡土墙结构断面尺寸和角度，得出一种仰斜式悬臂挡土墙。经计算验证，优化后仰斜式悬臂挡土墙具有体积小，稳定性好等优点，特别适用于桥接坡处及老路拓宽受地形路段的路基支挡，以节省占地，对道路拓宽及桥梁工程的挡土墙设计施工提供了参考。
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４结论及建议
4.1结论
采用以上计算模式可以看出经过优化的仰斜
!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!（上接第５１页）
通信管道需要考虑光、电缆切改数量；（６）（７）现状电力缆沟新建过路预埋支管时，除新建支管长度、钢筋数量以及电缆井个数外还需要考虑接现状缆沟数量；
（８）位于道路交口位置的路灯电缆需考虑按新建电缆长度、电缆割接以及过路套管工程量。
针对不同改造工程需要设计人与建设单位、施工图预算单位以及施工单位紧密配合，如有疏漏及时调整，避免为工程后续工作造成不便。
４结论
天津港南疆路建设期约１５ａ，由于当时建设
工期紧，竣工资料整理不充分，为本次改造前的调
研工作带来很大困难，接到设计任务后，首先布置物探测量，结合物探资料，联合各管理单位深入调查，实地确认，必要时要求现场刨验，为准确设计、施工提供可靠依据。
通过该工程的设计工作，笔者了解到，类似旧区改造的最大制约因素是现状地下管线资料的收集，希望设计人员在接到此类工程时深入细致调研，走访各家管理单位。对于缺少竣工资料的大型现状地下设施，在施工前做好必要的现场刨验，在充分了解现状的基础上开展设计工作，以有效提高施工质量，缩短工期，节省工程投资为根本原则，并做到及时施工配合，保质保量完成工程建设。