浅析铁路重力式挡土墙设计方法

蒋 亮，王 园，黄 苹

(1.中国建筑东北设计研究院有限公司;2.东北大学硕士研究生)

0 引言

基础设施建设作为社会经济发展的基础，正随着我国经济的腾飞而快速发展。在基础设施建设中，不管是港口、水利、园林，还是公路、铁路都离不开挡土墙的身影，可见挡土墙的重要程度。在铁路建设中，其线路经过地形多比较复杂，挡土墙应用更为普遍。其中重力式挡土墙又由于其造价低、形式简单、取材容易而应用最广。重力式挡土墙的基本设计思路是先拟定墙身断面形式及尺寸，这个步骤正是体现一位工程师的创造性一步;再计算出墙所受的荷载;最后进行检算，包括抗滑稳定性检算、抗倾覆稳定性检算、墙身截面强度检算、基底应力及偏心距检算等。如果检算不满足条件或者过于安全，应重新拟定墙身截面尺寸，再重复上述设计步骤。这样设计对于设计人员的经验要求比较高，很难做到快速设计。故本文对铁路上形式简单、高度比较低又无特殊要求的重力式挡土墙的设计过程及快速设计进行探讨。

1 挡土墙尺寸初步拟定及设计荷载计算

1.1 截面选取

初步拟定内容包括：墙顶宽度、墙背和墙胸的坡度、墙底宽度和坡度。通常可由《铁路工程设计技术手册—路基》初步确定。由于仰斜式挡土墙抗滑及抗倾覆稳定性均比较令人满意，故如果没有什么特殊要求的情况下该类型应作为首选。值得注意的是，同一地段断面形式不宜过多，以免造成施工困难或者影响美观。

1.2 设计荷载计算

计算设计荷载前，首先应将轨道和列车荷载通过换算土柱法转化成静荷载，换算方法参照《铁路路基支挡结构设计规范》中的附录A。

根据规范要求，挡土墙上的力一般可只考虑主力。主力中需要着重计算的是作用在墙上的土压力。由于墙前土压力发挥作用需要较大的位移，这在工程上是不允许的，并且重力式挡土墙通常埋深比较浅，故从安全可靠的角度考虑挡土墙前的被动土压力可以不计算，仅当基础埋置较深且地层稳定、不受水流冲刷和扰动破坏时，可采用被动土压力的作用。作用在墙背的主动土压力一般按库仑土压力公式计算。当破裂面与路基面相交时，破裂棱体的面积S随着挡土墙及破裂面位置而变化，但都可归纳为一个表达式

式中

A0、B0中参数见《铁路工程设计技术手册—路基》挡土墙设计部分。

当边界条件确定后，A0、B0为常数，并可从破裂棱体的几何关系求得。

《铁路工程设计技术手册—路基》中给出了不同边界条件下的库仑主动土压力计算公式。在具体计算时，由于无法预知破裂面的位置，一般是先假设破裂面位置，然后按此情况下的公式计算出破裂角θ，再根据几何关系来校核假设是否正确。若假设不合理，则需选用另外的破裂面位置重新计算，直至校核合理。最后可根据附表中公式可计算土压力的大小，方向和作用点位置。

2 挡土墙的检算

2.1 检算基本方法步骤

重力式挡土墙受力分析简图如图1所示。

图1 挡土墙受力分析简图

(1)挡土墙稳定性检算

重力式挡土墙的稳定性检算主要内容及要求见表1。

表1 挡土墙稳定性检算要求

式中：∑N为作用基底上的总垂直力，kN;∑EX为土压力的总水平分力，kN;EP为墙前土压力的水平分力，kN;f为基底与地层间的摩擦系数。

②挡土墙抗倾覆稳定系数检算

①挡土墙抗滑动稳定系数检算

式中：∑MY为稳定力系对墙趾的总力矩，kN·m;∑M0为倾覆力系对墙趾的总力矩，kN·m。

③挡土墙偏心距检算

基地合力偏心距为

式中：e为基底合力的偏心距，m，当为倾斜基底时，为倾斜基底合力的偏心距;B为基底宽度，m，倾斜基底为其斜宽;ΣN为作用于基底上的总垂直力，kN。

④基底压应力检算

式中：σ1为挡土墙趾部的压应力，kPa;σ2为挡土墙踵部的压应力，kPa;C为作用于基底上的垂直分力对墙趾的力臂，m。

(2)挡土墙截面强度检算

强度检算通常仅选取一、两个墙身截面进行强度捡算，例如基础顶面、基底、1/2墙高处、墙身变截面处等截面。检算内容及要求见表2。

表2 挡土墙强度检算要求

2.2 快速确定截面途径分析

进行检算的过程我们都已经明确了，但是如果某一项检算不合格该就需要修改截面，但具体从哪个方面来修改是需要设计经验的，这对于经验不足的设计人员来说是有些困难的。下面我们通过一个计算实例来总结重力式挡土墙截面尺寸的确定思路。

算例：挡土高度6 m，填土重度γ=19 kN·m-3，填土内摩擦角φ=45°，墙背与墙后填土摩擦角δ=22.5°，墙后填土坡线及换算土柱尺寸等条件见图2。对各检算项目进行检算，检算结果见表3。

图2 挡土墙检算原始条件

从表3中数据分析可得如下结果：当挡土墙抗滑动稳定系数不满足要求时，采取增大墙顶宽度、增大墙底宽度、增加墙背倾角等措施时效果明显。这也正验证了公式(2)，通过增大基底压力可以增加抗滑力。增加墙背倾角能提高抗滑动稳定系数，经计算分析得知其原因是增加墙背倾角虽然会降低基底摩擦力，但却大幅降低了墙后土压力的水平分力，达到提高抗滑稳定系数效果。当然也可以设法提高摩擦系数，或者加设防滑凸榫来增大基底摩擦力，来满足抗滑稳定要求。

当抗倾覆稳定系数不满足要求时，可采取的措施有，增大墙底宽度、增加墙背倾角或者加设墙趾。原理可从公式(3)中分析得出，通过增加稳定力系对墙趾的总力臂，来增加稳定力系对墙趾台阶的总力矩，这样就增加了抗倾覆稳定系数。

从表3中还可以看出，当偏心距或者墙底最大压应力不满足验算要求时，均可通过增加墙底宽度、加设墙趾台阶或者调整墙背倾角来使其满足验算要求。

表3 挡土墙检算结果

3 结束语

重力式挡土墙的设计除必须满足强度与稳定性的要求，还应考虑就地取材、经济合理、施工养护的方便与安全等因素，因此在设计过程中，设计经验是非常重要的。笔者对重力式挡土墙的设计过程进行概述并对截面确定方法做出归纳总结，希望对缺少设计经验的工程设计人员有所帮助。

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［1］郝瀛.铁道工程［M］.中国铁道出版社，2000.

［2］铁路路基支挡结构设计规范［M］.中国铁道出版社，2006.

［3］铁路路基设计规范(TB10001-2005)［S］.中国铁道出版社，2005.

［4］铁路工程设计技手册 路基.铁道部第一勘测设计院［M］.中国铁道出版社，1995.