文波1,2，赵鹏1,3，张俊发1
（1. 西安理工大学，陕西 西安 710048；
2. 陕西省电力设计院, 陕西西安 710054；
3. 陕西省建设厅，陕西 西安 710002）
摘 要： 110 kV略阳变电所由于地形复杂的原因，所区四周全部采用了挡土墙支护结构。挡土墙最高处达到19 m,结合工程实际情况，进行合理分析和计算，并对设计中遇到的问题进行探讨，提出了一些建议。
关键词： 挡土墙;断面设计;土压力计算
1前言
挡土墙是支承路基填土或山坡土体，防止填土或山坡土体失稳，承受侧向土压力的构筑物。目前，国内外所做的挡土墙大多都低于12 m，很少有大于18 m的高挡墙，对于高挡墙中稳定系数（Ko、Kc）等的取值以及构造措施均需重新考虑，因而本文结合110 kV略阳变电所19 m高挡土墙的设计，探讨了其中的某些问题。
2工程概况
110 kV略阳变电所位于略阳县城关镇头重梁上，是略阳电厂电力送出给略阳县城的又一条重要的电力纽带。所址占地约3 360 m2，位于嘉陵江古河道上。随着河流的长期下切及漫长的地质作用，所址区已抬高，原河流相沉积物上覆盖一层粉质粘土。场地地形高低不平，东南向较高，向西渐低，最大坡度约18%，地面相对标高为587~602.75 m。所区四周围墙处均修砌有挡土墙。
3工程地质条件
根据现场调查及野外钻探，拟建场地地层岩性主要为耕土、第四系粉质粘土及细砂，具体为：
① 耕土 Qml:灰黄~灰褐色，厚度0.5 m。层底标高594.90~602.25 m。以耕土为主，含细砂，含植物根系及少量煤屑，松散，稍密，稍湿。
② 粉质粘土Qdl:灰黄~黄灰色，稍湿~湿，硬塑~可塑。含植物根系，土质呈斑块状，铁锰质渲染，含结核，偶见黑色炭屑。该层土压缩模量Es一般值为13.2 MPa，压缩系数a1-2为0.125 MPa-1，为中等压缩性土。本层在场地内分布不均匀，最厚处大于6 m，最薄处仅1 m左右。
③ 细砂混卵石Qal+pl:灰黄~灰绿色，中密，稍湿~湿，砂层中混有石灰质卵石、漂石，次圆或扁平状。
4地基土的物理力学性质
根据室内土工试验结果，层②粉质粘土Qdl的物理力学性质指标见表1。
5挡土墙设计
该变电所经土方计算及场地整平后，可知所区东北角处的挡土墙最高，为19 m；所区西南角处的挡土墙最低，为2m。一般而言，高度低于12 m的挡土墙视为常规挡土墙，其理论和经验较完整和成熟，此处不再赘述。现仅就最高处挡土墙的设计过程给予详细阐述。
5．1挡土墙的结构选型
目前，按照挡土墙断面的几何形状及其受力特点，常见的挡土墙可分为四大类，即：实体重力式墙、半重力式墙、悬臂式墙或T形墙和扶壁式墙。每一种挡土墙形式都有其自身的适用范围和特点。本工程方案设计比较了浆砌块石挡土墙、悬臂式挡土墙及扶壁式挡土墙等结构形式，后两个方案均存在施工难度较大、造价较高等因素；同时，本所址位于陕南地区，所区周围石材较多，开采及运输毛料石很方便。综合各方面的因素，推荐采用浆砌块石挡土墙方案。
断面设计中，计算参数如下：
(1) 挡土墙材料采用MU20毛料石，M7.5水泥砂浆砌筑；
(2) 墙背填土采用粉质粘土回填，其容重为20 kN/m3,浆砌块石容重取22 kN/m3;
(3) 因无地下水影响，且墙体考虑设多层排水孔，故不考虑墙背有水的情况；
(4) 墙背填土为水平，荷载考虑q=1 kN/m2;
(5) 所区地震基本烈度为6度，故不考虑抗震计算。
在断面尺寸及形式上，考虑了两个不同的断面，一个为墙面仰斜，墙背直立的一般实体重力式断面；另一个为加入钢筋混凝土板带的半重力式断面。其断面尺寸分别如图1、2所示。
5．2挡土墙的稳定性
在一般的挡土墙设计中，墙背土压力的计算通常采用库仑(Coulomb)理论。由于库仑理论没有考虑到土的粘聚性，只适用于无粘性土的土压力计算；而在本工程中由于持力层地基土为粉质粘土，所以在应用库仑理论计算土压力时，就需将内凝聚力c和内摩擦角Φ进行适当调整。即把c、Φ值折算为等值内摩擦角ΦD，用折算出的ΦD值代替原来的Φ值。这样就把粘结力概括进Φ值内，之后就可利用库仑公式求解土压力。具体公式为
式中γ——填土容重；
H——墙高；
c——内凝聚力；
q——地表均布荷载（以单位水平投影面上的荷载强度计）；
h0——墙背填土表面活载折算土体高度；
φ——土壤内摩擦角；
φD——土壤等值内摩擦角；
α——墙背与垂直面夹角；
δ——土壤与墙背间的摩擦角，取δ=ΦD/2；
β——墙背填土顶面与水平面的夹角。
在本工程实例中，可知：γ=20 kN/m2,H=19 m,q=1 kN/m2,h0=0.05 m,φ=21.8°,α=0°,β=0°。
将已知数值代入公式(1),即可求得土压力E值，再将E值分解成水平及垂直压力，分别是
(注：一般挡土墙的Kc数值为1.30，由于本挡土墙为高挡墙，为安全考虑，并参考有关资料，定出Kc值为1.50)
式中Kc——滑动稳定系数；
W——墙自重，kN;
Ey——主动土压力垂直向分力，kN;
Ex——主动土压力水平向分力，kN;
f——基底摩擦系数，f=0.50。
倾覆稳定系数按下式计算
(注：一般挡土墙的Ko数值为1.50，由于本挡土墙为高挡墙，为安全考虑，并参考有关资料，定出Ko值为1.80) 
［σ］——地基承载力设计值，［σ］=200 kPa。
计算基底应力时，考虑到结构物的高度和重要性，不允许其发生拉应力，因此，要求σ1,2≥0。
按图1所示截面形式计算出的成果为：
从计算结果可见，此种断面形式不满足要求，需加大断面尺寸。对于重力式挡土墙而言，加大断面尺寸势必增加工程量，因而改用图2所示的半重力式断面挡土墙。同时将挡土墙底部设计成倒台阶式，在台阶处临土面铺设不小于500 mm厚碎石垫层；在挡土墙中部加入钢筋混凝土板带，这样不但不需增加断面尺寸，还可增大基底接触面，提高挡土墙整体稳定性，从而抵抗倾覆和滑动。
同样，抗滑移、抗倾覆稳定系数及基底应力仍按公式(2)、(3)、(4)进行计算。由于基底满铺500 mm厚碎石垫层且截面呈倒阶梯状，因而基底应力满足要求，不需验算。最后的计算结果为：
Kc=1.52＞Kc=1.5，Ko=1.87＞Ko=1.8
可见，计算结果均满足设计要求。
采用这种断面形式的优点在于：
① 在不增大断面尺寸的情况下，增大基底与地基的接触面，可以更有效地提高抗滑力；
② 在挡土墙中部加入钢筋混凝土板带，可增大高挡墙的整体性和稳定性；
③ 挡土墙中下部为仰斜式，可与开挖边坡紧密结合，从而减小主动土压力；
④ 台阶式基底，便于施工，可缩小开挖工作面，加快工期。
6构造措施
从计算过程看，本工程为浆砌块石挡土墙结构，由于高度较大，墙后填料对墙身的推力很大，安全等级要求较高，故对断面形式的选择是否合理将直接影响到结构本身的稳定、安全和造价。考虑到本所址处于陕南地区，年平均降水较大，并且挡土墙高度较大，为使墙后积水易于排出，在墙身纵横双向设置有200 mm×200 mm的泄水孔，间距为3.0 m，以便疏干墙后填料和土层。同时在孔口设置具有反滤作用的粒径为10~40 mm的碎石滤水层，以免泄水孔被堵塞，从而有效地保证泄水畅通。在挡土墙中部设置有一厚度为800 mm的钢筋混凝土板带，以保证结构物整体性，同时其抗震能力也有相应提高。挡土墙底部设置为倒阶梯型，这样不但节省材料，降低造价，还增大了基底摩擦力，提高了工程可靠度。此外，本工程对砌体施工亦提出了具体要求，制定了详细的施工要求和步骤，如挡土墙临土面500 mm范围内必须用非膨胀土回填、填缝砂浆必须饱满、外露面石材必须平整且用1∶2水泥砂浆勾缝、挡土墙需待其强度达到70%以后方可回填土、压实系数需达到0.94等等。
7结语
通过本工程的设计，可以看出，在高挡土墙设计中，不能简单根据库仑(Coulomb)理论及常规挡土墙的经验公式就得出结论，而需根据具体情况选择合适参数及断面形式。
(1) 对于高挡土墙而言，由于其耗材较多，对于周围环境影响较大，因而合理选择挡土墙的形式及墙身截面尺寸以降低材料消耗及挡土墙工程的总造价，就成了挡土墙设计中的关键问题之一。故对于高挡土墙，不宜采用重力式断面，而改为半重力式加倒台阶式断面是切实可行的，可利用其台阶角增大摩擦系数以抵抗倾覆及滑动；
(2) 库仑公式只适用于无粘性土的土压力计算，因而如果持力层为粘性土，就需把内凝聚力C和内摩擦角φ值折算成等值内摩擦角φD（即把粘聚力考虑进去）之后，再利用库仑公式进行计算；
(3) 高挡土墙的稳定系数不能按一般情况选取，而需适当放大。在本工程中，抗滑动稳定系数Kc=1.50，抗倾覆稳定系数Ko=1.80,这样设计出的挡土墙才偏于安全；
(4) 采取必要的构造措施和技术措施，以增加挡土墙的安全性和稳定性；如做好排水和截水设计、控制好墙后回填料的回填种类和填料分层的夯实密实度等。
参考文献：
［1］GBJ7.89,建筑地基基础设计规范［S］.北京:中国建筑工业出版社,1989.
［2］W.C.亨廷顿.土压力和挡土墙［M］.北京:人民交通出版社,1973.
［3］建筑结构设计手册-挡土墙［M］.北京:中国建筑工业出版社,1973.
［4］黄广军,刘昌清,彭宗,龙锦永.高挡土墙的稳定系数［Kc］、［Ko］取值探讨［J］.铁道学报,1998,20(5)．
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