挡土墙抗震设计的要点分析

【关键词】挡土墙；抗震设计；要点 

　　挡土墙被广泛应用到交通、水利、桥梁等工程，用于稳定路面，防止水流冲刷，保护建筑物或整治塌方、滑坡等路基病害。但是，挡土墙很容易受到地震的影响，在地震中因侧向土压力的增加而产生变形、侧向移动、沉降甚至坍塌，尤其是近些年来，地壳活动的剧烈和人类活动频繁，导致了地震灾害的频发，挡土墙也受到了极大破坏。例如： 2001我国新疆、青海交界处的昆仑山中发生8.1级地震，青藏公路（国道109线）受到严重破坏，路面出现多处破裂。挡土墙的破坏造成的不仅是经济损失，更是人员的伤亡，所以应当受到高度重视。 

　　一、我国挡土墙抗震设计规范存在的不足 

　　目前，我国公路挡土墙的抗震设计主要以《公路工程抗震设计规范》为依据。但是，随着经济的高速增长和科学技术的发展，该规范仍未进行调整，故而其内容稍显落后，存在一些不足，无法满足现阶段公路建设发展的需要。 

　　1.挡土墙的稳定性及抗震强度验算 

　　挡土结构的强度抗震验算中需要考虑地震作用沿高度的分布，考虑多种负荷。但是，我国现行的规范仅依靠有限的震害经验和试验，对挡土墙地震作用沿高度分布系数做出规定，如以重力式挡土结构为目标，只有在达到12米的临界点时才考虑放大效应，12米以下则不予考虑；在进行验算时，只考虑垂直路线走向的水平荷载，对与地震荷载相关的水的浮力、土的重力及结构重力等不予考虑。 

　　2.挡土结构稳定性计算 

　　地震土压力是地震主动土或被动作用在挡土墙上的压力，是挡土结构稳定性计算中的最主要因素。我国对此采用库仑公式进行计算，考虑到了土的内摩擦角j 、容量g 及填土与抢呗的摩擦角d ，但是对粘性土或者具有一定粘性土质的土的粘性没有考虑。此外，对于验算、计算原理相通，具有相同功能（约束一侧土体滑动）的挡土墙和桥台，规范将其分为两章，分别按各自的公式计算，在一定程度对挡土墙抗震设计造成了不便。 

　　3.挡土墙材料的选择与处理 

　　规范中对挡土墙选用材料规定不明确。如规定不能采用干砌片石作为一级或高速公路挡土墙的建筑材料，而其他等级公路可采用该材料，但要控制高度，一般而言，“烈度为8度时，挡土墙不宜超过5米；烈度为9度时，挡土墙不宜超过3米。”但对于其他土的性质和处理没有明确要求。在对路基进行填方时，要选择压实度符合规范的材料，如粘性土、碎石土、卵石土等；若选用了砂性土，则要对其压实，同时要对边坡进行加固。 

　　二、挡土墙抗震设计的要点分析 

　　挡土墙的抗震设计主要有两大方面：验算本身的强度和验算抗滑移抗倾覆的稳定性，主要是指地震土压力，这也是挡土墙的抗震设计要点。 

　　1.本身强度 

　　本身强度是指挡土墙自身抗震强度的设计，主要包括以下内容： 

　　1.1地基土的刚度 

　　一项研究“不同挡土墙位置下的水平位移的均方根响应随着不同地基土刚度的变化规律”显示：“墙顶的水平位移均方根响应比墙底的均方根响应要大，但都随着地基土刚度的较小而成非线性增加”，说明“基础土越软，则地震过程中挡土墙结构的水平位移均方根响应将越大”，与实际地震中的挡土墙的位移变形是一致的。 

　　1.2墙高 

　　挡土墙设计尺寸对抗震设计也会有影响。有关学者对此进行了研究，以4m、6m、1Om的三组挡土墙为例进行计算，分析其对挡土墙的随机地震响应的影响。“首先用静力法来设计三组挡土墙，墙顶宽度都为0.5米，基底和墙后填土及挡土墙的材料属性同计算模型” 。 

　　该项研究结果显示“水平位移的均方根响应随墙高变化很显著，挡土墙越高，则地震时的位移均方根响应越大”。 

　　以扶壁式挡土墙为例。扶壁式挡土墙依靠墙身自重和踵板上方填土的重力来保证其结构稳定，适用于地震地区。扶壁式挡土墙墙高一般在9—10m左右，段长度不宜大于20m，一般为1/4—1/2墙高；变截面随高度逐渐向后加厚（或等厚式）。墙面板宽度和墙底板的厚度与扶肋间距成正比，墙面板顶宽不得小于0.2m，可采用等厚的垂直面板。墙踵板宽一般为墙高的1/4—1/2，且不小于0.5m。墙趾板宽宜为墙高的1/20—1/5，墙底板板端厚度不小于0.3m；扶壁式挡土墙的墙面板、墙踵板按矩形截面受弯构件计算配筋。 

　　此外，挡土墙自身容重，墙背倾角等因素也会影响挡土墙自身强度，对随机地震响应也会产生影响，但其影响不是很大。 

　　2.地震土压力 

　　挡土墙以及地下箱型结构、桥台等一些简单结构之所以在地震中受到破坏，往往是由地震土压力的增加所致。地震土压力是挡土墙抗震设计的必要考虑要点。方法M-O 法和Eurocode-8充分考虑了地震土压力，且考虑到了位移，较为合理，是目前应用较为广泛的设计方法。地震土压力对于挡土墙的抗震设计至关重要。 

　　扶壁式挡土墙的土压力计算采用的是库伦土压力法。计算公式如下： 

　　Kq=（Gb+Eya）∕Exh≥1.5 

　　Kh=（G1+Ey）μ∕Ex≥1.3 

　　（G为墙体自重，G1为墙体自重加上墙后土的重量，b为基底倾覆点与墙体形心水平距离，a为基底倾覆点与土压力作用点距离，Ex、Ey为土压力的水平、竖直分力，h为土压力形心作用点与基底垂直距离，μ为挡土墙基底摩擦系数）也可采用朗金土压力法。 

　　目前，拟静力分析方法是大多数国家相关规范所采用的方法，日本规范物部一冈部（M一O）公式的地震土压力计算方法则是应用较广泛的地震土压力计算方法。该方法对地震主动土压力和被动土压力进行计算（同时需要考虑土的粘聚力、容量及超载等影响因素）。 

　　对临水的挡土墙进行设计的时候，地震时对水产生的动水压力也应当在考虑范围内，则此时动力水压表示为（假设动水压力方向与基础惯性方向一致）：、 

　　（H表示墙的高度， 表示填土容量，a 表示地面加速度比） 

　　Euro code-8 规范是第一个将位移法运用于挡土墙抗震设计中的规范，详细介绍了挡土墙的结构、基础及岩土等方面的设计，其关于挡土墙总承受力的计算公式表示为： 

　　（H表示墙的高度，K表示土压力系数， 表示静水压力， 表示动水压力， 表示地震初值加速度的系数） 

　　3.随意性参数 

　　在我国目前仍然主要是采用定值法，以安全系数为度量指标，相对落后；其他很多国家的抗震设计规范则开始采用位移法，应有广泛且颇有成效。但是仍存在一些问题，它“将土性参数视为确定性的常量，没有考虑挡土墙体系中实际存在的不确定性，导致在工程中某些挡土墙按定值法估计的安全系数是足够的，而投入使用后却很快发生了破坏”，即忽视了其他变量及其随意性。挡土墙方针设计除常规设计考虑因素外，还应考虑基底土、墙背填土、挡土墙弹性模量，基底、墙背填土、挡土墙密度，基底土泊墙背、填土泊、挡土墙泊松比等随机参数。所以，目前兴起了一种可靠度理论，采用可靠度设计方法，即考虑随机参数，代替定值设计方法，对完善岩土工程挡土墙抗震设计意义重大，也将成为其要点设计的主要发展趋势。 

　　对挡土墙抗震进行设计时，要实行弹性设计，即“保证在地震时位移控制在允许的范围内”，同时还要“保证挡土墙出现位移时对相邻的设计或者结构不会产生危害”，注重其实际情况和变化。 

　　结语： 

　　挡土墙抗震设计是保障建筑质量和人们生命安全的重要内容，应当受到极大重视。通过对比国外经验，我国的挡土墙抗震设计应在原设计的基础上，借鉴国外优秀方法和规范，采用位移法，考虑随机参数，尽可能的简化设计计算量，避免重复验算或遗漏，从而提高挡土墙设计结构的可靠性。 

　　参考文献： 

　　[1] 成语. 中外挡土墙抗震设计思路对比[J]. 科技创业家. 2013（01）