悬壁式挡土墙受力分析

悬壁式挡墙由于胸坡壁立， 常用于码头、站场路肩墙。其外型呈倒“ T”型， 由立壁、趾板和踵板组成。踵板上回填土的重量有助于增加挡土墙的稳定性;趾板使抗倾覆作用力的力臂加长， 力矩增大， 也对稳定有利。只需根据弯矩和剪力计算， 对墙身适当配筋， 可实现墙身轻型化， 并且断面简单， 施工方便， 而且便于工场化生产，是一种经济合理的结构 。在城市铁路设中， 常采用悬壁式挡土墙作为路肩墙， 以节约用地。但由于轻型挡土墙的墙身在土压力的作用下会产生较大的变形， 因此作用在墙背上的土压力计算更加困难， 目前在设计时仍采用朗金理论， 或按相同边界条件的库仑公式计算， 两种方法所得的土压力相差不大。但这两种方法都不能考虑挡土墙与地基之间的相互作用， 以及墙身变形等因素的影响， 得出的土压力与实际情况差别较大。

有限元法可以将挡土墙与墙后填土作为整体来分析， 从而可以考虑墙体与填土之间的相互作用， 以及由于墙身变形引起的土压力的非线性分布等问题， 在理论上更为完善。

悬壁式挡土墙计算模型

采用有限元法，将悬壁式挡土墙简化为刚性连接的两段梁，填土与挡土墙间采用无厚度的接触面单元来模拟土与挡土墙间的摩擦。

边界条件为：两侧x方向约束，底部xz方向约束。

计算模型如图2所示。计算宽度为60m，深度为30m；路堤填土高度4m，分4层填筑，每层1m；边坡坡度为1∶1，挡墙埋深1m.挡墙基础为二灰砂砾石，宽6m，深1.7m；挡土墙立壁高5m，宽30cm；趾板宽1m，踵板宽2m，厚度分别取5、10、15、20、30cm进行计算，不考虑挡墙厚度变化引起的重量变化。采用弹塑性模型、摩尔—库仑屈服准则，采用Anasys5.4进行计算。

悬壁式挡土墙计算结果

朗金理论计算结果

根据朗金理论计算得到作用在立壁上的土压力及基底应力，并考虑趾板和踵板上的土层的自重可得到立壁、趾板和踵板处的弯矩和剪力。立壁的最大弯矩为27.32kN·m/m，最大剪力为26.87kN/m；趾板的最大弯矩为28.33kN·m/m，最大剪的力为57.92kN/m；踵板的最大弯矩为-9.04kN·m/m，最大剪力为-19.05kN/m。

有限元法计算结果

土墙立壁的墙身剪力和墙身弯矩图。从图4中可见，按朗金理论计算所得的剪力和弯矩远小于有限元计算所得的剪力与弯矩值。这是由于墙后填土达到主要极限平衡状态所需的位移量较大，墙身的变形较小，墙后填土远不能达到主动极限平衡状态。从图3中可见，墙身的位移在靠近墙底处是偏向填土方向的，进一步造成了墙身下部的剪力值增大。图5为趾板和踵板的剪力与弯矩图。需要注意的是踵板的最大剪力出现在远离立壁一端，而按朗金理论计算所得的最大剪力出现在靠近立壁一端。

两种方法计算结果对比

表1为按朗金理论和用有限元法所得的计算结果对比表，取相同位置的数值进行比较。由表1可见，两种方法所得的结果之间有很大的差别，在挡墙厚度为30cm的情况下，按朗金理论所得的结果普遍偏小，特别是立壁和趾板的剪力和弯矩，相差2倍以上，这就必然造成结构物的安全储备不足。

悬壁式挡土墙的墙身截面较小，刚度相对较弱，在荷载作用下会产生较大的变形，这就必然会造成作用在挡墙上的应力的重新分布。按传统的设计方法计算挡土墙的受力时不考虑挡土墙的变形，不考虑挡土墙与地基的相互作用，甚至不考虑立壁、趾板和踵板连接处的力矩平衡。所得的结果和实际情况必然会有很大的差别。采用有限元法进行计算可以考虑这些因素的影响，而且可以考虑由于填土、地基、挡土墙三者刚度的变化对挡土墙受力的影响。其它的一些轻型挡土墙，如扶壁式挡土墙、锚杆挡土墙、锚钉板挡土墙等均存在这一问题。

悬壁式挡土墙结论

1.朗金法与有限元法所得的悬壁式挡土墙的受力情况有很大的差别，特别是墙厚为30cm时结果相差几倍，而且是朗金法计算所得结果较小，造成结构物存在安全隐患。

2.有限元法可以综合考虑挡土墙与填土、地基之间的相互作用，所得结果更接近实际情况。建议设计单位以有限元为基础进行轻型挡土墙的结构设计。

由底板和固定在底板上的直墙所组成的挡土结构。直墙受力状态与悬臂梁相似。是钢筋混凝土挡土墙中最常用的型式之一。悬臂式挡土墙的构造型式有丄形及L形两种（见图1）。墙体的稳定性主要依靠底板上的填土重量维持。直墙靠填土一侧常做成略为倾斜， 外侧做成铅直， 当填土高度不大时， 也可做成等厚度。底板一般做成变厚度， 即底面成水平， 板厚自直墙处向两边减薄。底板宽度由稳定计算决定，一般为墙高的0.6～0.8倍。通过调整外底板（直墙以外部分）和内底板（直墙以内部分）的长度，可改善稳定条件和基底的压力分布。各部分的厚度和配筋根据强度计算确定。墙后需做排水设备， 每隔一定距离设伸缩沉陷缝。如有防渗要求，缝内应设止水。墙身不宜过高，超过6～8米往往不经济。

悬壁式挡土墙与卸荷式挡土墙

在悬壁式挡土墙墙壁上向挡土墙填土方向增加一个悬挑板A，如图6所示，悬挑板上土自重通过悬挑板对挡土墙墙壁产生抗倾覆力，实际上悬挑板上的填土与挡土墙成为一个共体，称之为卸荷式挡土墙。

（1）在同等条件下卸荷式挡土墙较悬壁式挡土墙在挡土墙墙壁根部之处弯矩要小，相应的可以减小挡土墙墙壁及底板的厚度和配筋。

（2）同等条件下卸荷式挡土墙墙壁所承受的倾覆力矩小，从而可减小挡土墙底板的宽度，这不仅可以减少土方开挖量而且在现场条件限制悬壁挡土墙底板的宽度时可考虑运用卸荷式挡土墙。

（3）由于卸荷式挡土墙底板宽度的减小应注意验算底板的抗滑和地基承载力。

（4）在实际设计中悬挑板上填土通过悬挑板对挡土墙墙根部产生的弯矩可适当折减，因为悬挑板下填土如密实对悬挑板会有一定的支承力，为了不使悬挑板受力过大，即悬挑板过厚，也应控制悬挑板的宽度和h值。

悬壁式挡土墙与扶壁式挡土墙

当悬壁式挡土墙墙身较高或墙后有很大土压力时，可在墙后间隔设置竖直扶壁，以加强墙与底板的连接，减少墙身的弯矩与剪力，称之为扶壁式挡土墙（如图7）。

扶壁式挡土墙和悬壁式挡土墙相似，一般用于墙身高度大于l0m的挡土墙。此时立壁挠度较大，为了增强立壁的抗弯性能，常沿挡土墙的纵向一定距离设置一道扶壁，所以称为扶壁式挡土墙。扶壁间填土可增加抗滑和抗倾覆能力。底板厚度可取H/14～H/12，扶壁与扶壁中心线间距S应取0.3～0.6H；扶壁与挡土墙末端距离不应小于0.4S，并且不应小于200mm。墙身及墙踵可作为三边固定的板用有限元方法进行优化设计。

依护坡的功能可将其概分为两种：(A)仅为抗风化及抗冲刷的坡面保护工，该保护工并不承受侧向土压力，如喷凝土护坡，格框植生护坡，植生护坡等均属此类，仅适用于平缓且稳定无滑动之虞的边坡上。(B)提供抗滑力之挡土护坡，大致可区分为：(a)刚性自重式挡土墙(如：砌石挡土墙，重力式挡土墙，倚壁式挡土墙，悬壁式挡土墙，扶壁式挡土墙)，(b)柔性自重式挡土墙(如：蛇笼挡土墙，框条式挡土墙，加劲式挡土墙)，(c)锚拉式挡土墙(如：锚拉式格梁挡土墙，锚拉式排桩挡土墙)。