重力式挡土墙结构设计

严阔

水利部河北省水利水电勘测设计研究院，天津市 河北区 300250

摘要总结了重力式挡墙的基本设计步骤，通过具体的设计实例阐述了重力式挡墙的设计过：程。

关键词：重力式挡墙 土压力 稳定计算 抗倾验算

Abstract：Summarizes the basic steps of design of gravity retaining wall design, through the concrete example about the design process of gravity retaining wall.

Keywords: gravity retaining wall earth pressure calculation of stability against overturning checking

1.前言

  挡土墙在水库枢纽、引水枢纽、水电站、渠系建筑物等水利工程中都有着广泛的应用，如水闸的进出口翼墙、岸墙，水库枢纽工程中土石坝与混凝土坝及溢洪道的连接结构，水电站及船闸的翼墙及岸墙，渠系建筑物的桥梁、涵洞等的进出口翼墙等。几乎所有水工建筑物设计都会涉及到挡土墙，其中应用最广泛的是重力式挡土墙。

2.重力式挡墙

    重力式挡土墙以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，它是我国目前最常用的一种挡土墙形式。重力式挡土墙多用浆砌片(块)石砌筑，缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢筋或只在局部范围配置少量钢筋，浆砌块石挡墙较混凝土挡墙经济，而混凝土挡墙耐久性较浆砌石挡墙好。重力式挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材、适应性强，因而应用广泛。

 重力式挡墙根据墙背的倾斜方向分为俯斜、直立和仰斜三种，墙背向外侧倾斜称俯斜，墙背向填土一侧倾斜称仰斜，墙背竖直时称为直立。

3.重力式挡墙的设计步骤

（1）初拟断面

 首先根据工程经验初步拟定重力式挡墙的尺寸，一般俯斜挡土墙背坡取1:0.4～1:0.7，墙后填土强度指标低、低级承载力小或浸水运用条件下应取大值；仰斜挡土墙

背坡一般取1:0.2～1:0.4，另外还要结合开挖边坡、地基、回填等施工条件确定。

为了满足截面强度和抗滑要求，重力式挡墙有时需要设置前趾和后趾，底板的前趾伸出长度及厚度应根据结构稳定要求等确定。

混凝土或钢筋混凝土挡土墙的墙顶宽度不应小于0.3m，砌石挡土墙的墙顶宽度不宜小于0.5m；墙后填土不到顶时，墙顶宽度宜适当放宽。

挡土墙的底板厚度应根据结构强度要求等确定。

混凝土或钢筋混凝土挡土墙的底板厚度不宜小于0.3m，砌石挡土墙的底板厚度不宜小于0.5m，采用桩基础时底板宜加厚；土质地基上的挡土墙底板底部宜设置齿墙，齿墙深度可采用0.5～1.0m。  

挡土墙的分段长度应根据结构和地基条件以及材料特性确定。对于钢筋混凝土挡土墙，当建筑在坚实或中等坚实的土质地基上时，其分段长度不宜大于20m；当建筑在或岩石地基上时，其分段长度不宜大于15m。对于混凝土结构、砌石或混凝土砌体结构的挡土墙，以及建筑在松软土质地基上的钢筋混凝土挡土墙，其分段长度应适当减短。

当挡土墙墙前无水或水位较低而墙后水位较高时，可在墙体内埋设一定数量的排水管。排水管可沿墙体高度方向分排布置，排水管间距不宜大于3.0m。排水管宜采用直径50～80mm 的管材，从墙后至墙前应设不小于3％的纵坡，排水管后应设级配良好的滤层及集水良好的集、排水体。另外，挡土墙墙后填土面应设置排水良好的地表排水设施。

（2）计算作用在挡土墙上的荷载

     作用在挡土墙上的荷载可分为基本荷载和特殊荷载两类。

基本荷载主要有：

1) 挡土墙结构及其底板以上填料和永久设备的自重；

2) 挡土墙墙后填土破裂体范围内的车辆、人群等附加荷载；

3) 相应于正常挡水位、设计洪水位或墙后正常地下水位情况下的土压力；

4) 相应于正常挡水位、设计洪水位或墙后正常地下水位情况下的水重、静水压力和扬压力；

5) 淤沙压力；

6) 相应于正常运行水位、设计洪水位情况下的风浪压力；

7) 冰压力；

8) 土的冻胀力。

特殊荷载主要有：

1) 相应于校核洪水位或墙后地下高水位情况下的土压力；

2) 相应于校核洪水位或墙后地下高水位情况下的水重、静水压力和扬压力；

3) 相应于校核洪水位情况下的风浪压力；

4) 地震荷载；

5) 其他出现机会较少的荷载等。

其中最主要的计算为墙背上土压力计算和作用在挡土墙上的静水压力及扬压力。一般断面的重力式挡土墙都满足库仑理论的假设条件，应按照库仑公式计算主动土压力；静水压力应采用计算；作用在基础底面的扬压力由渗透压力和浮托力组成，应分别计算以得到扬压力。

（3）挡土墙稳定验算

挡土墙是用来承受土体侧压力的构造物，它应具有足够的强度和稳定性。挡土墙可能的破坏形式有：滑移、倾覆、不均匀沉陷和墙身断裂等。因此挡土墙的设计应保证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能力和偏心距不超过容许值。

4.重力式挡土墙设计实例

（1）初拟断面

某水闸出口挡墙建设完成后未投入运用，见图1。挡墙高6m，基础埋置深度为1m，挡墙前地下水位在地面以下0.2m，墙后地下水位在基础底面以上1.5m，挡墙面坡垂直，背坡为1:0.7。

图1  挡墙断面图

（2）计算系数

地基为中砂，地基承载力[R]=300KP，容许应力比[η]=2.5，基底摩擦系数f=0.4。墙后填土为粘性土，填土地面坡度10°，水上等值内摩擦角φ=32°，水下等值内摩擦角φ=28°，墙背摩擦角δ=15°，水上回填土容重取γ=18KN/m3，水上回填土容重取γ=10KN/m3。抗滑稳定系数[Kc]=1.2。挡墙强身采用C15混凝土结构，容重取γ=24KN/m3，抗压强度Ra=8.5MPa，抗拉强度Rl=1.05MPa；允许剪应力[σj]=0.75Mpa，混凝土抗拉强度安全系数取Kl=2.5，抗压强度安全系数取Ka=1.6。

（3）荷载计算

分别计算作用在挡墙上的土压力（按库仑公式）、静水压力、强身自重、基底扬压力，计算简图见图2。并根据计算列出计算表格，见表1。

                       图2 挡墙计算简图

根据荷载的计算结果列出弯矩计算表格，见表1。

                      表1 弯矩计算表

1）抗滑稳定验算

        （满足要求）

2）抗倾稳定验算

     由于地基费岩基，不足抗倾稳定验算。

3）偏心距及地基应力验算

偏心距    （满足要求）

地基应力

平均基底应力   （满足要求）

应力比     （满足要求）

5.结论

文章通过一个具体计算实例简单介绍了重力式挡墙的设计过程。重力式挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材、适应性强，因而应用广泛，是我国目前最常用的一种挡土墙形式，实际设计过程中在满足强度与稳定性的要求条件下应充分考虑就地取材、经济合理、施工养护的方便与安全等方面的因素。