挡土墙抗滑凸榫设计

王洪波

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215123）

挡土墙抗滑凸榫设计

王洪波

（悉地（苏州）勘察设计顾问有限公司，江苏 苏州 215123）

结合工程实际，研究挡土墙抗滑凸榫的工作原理及工程设计。利用凸榫的被动土压力有效抵挡挡土墙的滑动力，同时由于凸榫对地基的嵌固作用，一定程度上提高地基抗倾覆力。通过对比分析，可以得知凸榫设计构造简单，抗滑效果好，经济效果佳等特点。

挡土墙；凸榫；抗滑稳定；被动土压力

0　引言

随着城市建设的发展，空间交通、道路景观要求已成为一个重要的发展方向，空间交通的构筑中道路结构体系要求渐高。滨河道路、空间道路无一不涉及到道路支挡结构，挡土墙是重要的支挡结构之一。在荷载作用下，挡土墙的设计一般要求满足抗倾覆、抗滑移、墙身强度、地基承载力几个方面的要求。城市建设中挡土墙受空间制约、墙前无法设置支撑结构，墙后荷载多样化，挡土墙的滑动稳定常常成为挡墙结构断面的主要控制条件。增加挡墙的抗滑稳定性，采用凸榫是一种非常有效的抗滑措施。

凸榫设计在挡土墙设计中一直没有引起足够的重视，对凸榫设计理论不是很清晰，在凸榫设计中往往存在种种偏差，不能很好地利用凸榫的特性。故对挡土墙凸榫的工作原理与设计要点进行详解。

1　凸榫的抗滑原理

凸榫是挡土墙在基础底面设置的一个与底板连成整体的榫状凸体。利用凸榫前土体的被动土压力，增加挡土墙抗滑稳定性。

大量的模型实验、原型观测和理论研究表明，相同条件下，被动土压力大于静止土压力，静止土压力大于主动土压力，且产生被动土压力的位移大于产生主动土压力所需的位移，见图1。即ep＞eo＞ea，相应的介于ea和eo之间的土压力称为位移主动土压力，用ea（δ）表示［1］。

图1　土压力与位移关系曲线

如图1所示，在相同的位移时，所需的被动土压力ep要大于主动土压力ea。主动土压力极限状态一般较易达到，而达到被动土压力极限状态则需要较大的土体位移。

表1和表2分别给出了《加拿大基础工程手册》和《欧洲岩土设计规范Eurocode 7》（BS EN1997-1:2004）达到极限土压力所需的墙体变位。由表中可以看出，达到被动土压力极限值所需的位移一般而言较达到主动土压力极限所需的位移要大很多，前者可达后者的15～50倍。

挡土墙凸榫如能利用好榫前的被动土压力，可以有效减少滑动位移，将是非常有效的一种抗滑措施。

2　凸榫的设计

2.1凸榫的布置范围

为使榫前被动土压力能够完全形成，墙背主动土压力不致因设置凸榫而增大，必须将整个凸榫置于过墙趾与水平成角线及通过墙踵与水平成角线所包围的三角形范围内［2］，见图2。

表 1发挥主动土压力所需的位移（根据《加拿大基础工程手册》）

表 2发挥主动土压力所需的位移（根据《欧洲岩土设计规范Eurocode 7》）

图2　凸榫基础

凸榫位置、高度和宽度必须符合下列要求：

凸榫前侧距墙趾的最小距离BT1min

式中：B为挡土墙底板宽；Kc为加凸榫前挡土墙计算抗滑稳定系数：Ex为作用于挡土墙全部水平荷载之和；μ为为挡土墙底面与地基土间的摩擦系数；σ1为为墙趾处基底压应力（见图2）；φ为防滑凸榫底面处地基土的内摩擦角。

由此可以得知，凸榫的设计需放置在工作区才能避免不必要的损失。

2.2凸榫高度的确定

挡土墙未设置凸榫前，抗滑力主要由基底摩擦力承担。

在图2中基底设凸榫后，挡土墙抵滑动稳定主要由三部分组成。Br和BT2的基底抗滑摩擦力及凸榫前被动土压力σp。BT1在榫前只有被动土压力，无摩擦阻力。

砂土地基或中小型工程粘性土地基在未加榫前的挡土墙抗滑稳定验算:

式中:Kc为计算抗滑稳定安全系数；∑G为作用于挡土墙基底全部竖向荷载之和；Ex为作用于挡土墙全部水平荷载之和；μ为挡土墙底面与地基土间的磨擦系数。

这时抗滑力μ∑G＝KcEx。

［Kc］为加凸榫后的抗滑稳定系数，加凸榫后抗滑力为T=［Kc］Ex，抗滑力增加值为:

加凸榫后挡土墙基底摩擦阻力的抗滑力:

凸榫承担的抗滑力为：

凸榫的抗滑力由榫前被动土压力承担：

由此可得：

式中：［Kc］规范规定的抗滑稳定安全系数，一般规定不小于1.3。

σ1、σ2、σ3分别为墙趾、墙踵及凸榫前缘处基底压应力；σp为凸榫前的被动土压应力，按式（9）计算。

由此分析可知，在基底宽度一致时，凸榫在设置范围内越靠近墙趾，（B-BT1）越大，加凸榫后的基底可利用摩擦力越大，在满足抗滑要求的前提下可减少凸榫承担的抗滑力从而优化凸榫结构断面。

2.3凸榫的宽度［3］

按截面上的弯矩计算：

按截面上的剪力求解：

式中：［σwl］为凸榫的容许弯曲拉应力；［σj］为凸榫的容许剪应力；K为凸榫强度设计安全系数，一般工程k取值为1.0。

取两者计算结果的大值做为凸榫设计结果。需要注意的是挡墙底面加入凸榫后，凸榫与墙踵、墙趾形成的夹角有角度的限制，详见图2。

3　凸榫设计实例

新建道路临河设置挡土墙。挡土墙根据受力荷载和地质情况分段采用扶壁式挡土墙和重力式挡土墙两种结构。工程断面见图3～图5。

图3　工程断面图（单位：cm）

图4　重力式挡墙（单位：cm）

图5　扶壁式挡墙（单位：cm）

工程条件：

场地环境：一般地区；

墙后填土内摩擦角：20.000°；

墙后填土粘聚力：15.000 kPa；

墙后填土容重：19.400 kN/m3；

墙背与墙后填土摩擦角：10.000°；

墙底摩擦系数：0.350。

计算结果见表3。

表3　计算结果

由表3可知，抗滑往往成为挡墙截面的主要控制条件。采用凸榫后，抗滑力、抗倾覆均有提高。

4　凸榫研究结论

综上所述，在挡土墙底部设置凸榫，由于凸榫的被动土压力作用，增强了挡土墙的抗滑和抗倾覆性能，提高了地基的稳定性，减小挡土墙断面，节省工程投资，提高经济效益。为此，在不良地基条件下可优先考虑设置凸榫。

［1］刘国彬，王卫东.基坑工程手册［M］.北京:中国建筑工业出版社，2009.

［2］铁道部第一勘测设计院.铁路工程设计技术手册-路基［M］.北京:中国铁道出版社，1995.

［3］交通部第二公路勘察设计院，公路路基设计手册［M］.北京:人民交通出版社，1996.

U417.1+1

B

1009-7716（2016）01-0029-03

10.16799/j.cnki.csdqyfh.2016.01.010

2015-09-22

王洪波（1968-），女，河南安阳人，高级工程师，从事道路设计工作。