黎鳳林, 鄭 碩, 楊超煒

(1.湖南科技職業(yè)學院, 湖南 長沙 410004； 2.長沙環(huán)境保護職業(yè)技術學院, 湖南 長沙 410004; 3.湖南大學 土木工程學院， 湖南 長沙 410082 )

0 引言

隨著城市化進程的不斷加快，越來越多的人在城市生活，城市的生態(tài)環(huán)境成為城市化進程中面臨的一大問題，打造“生態(tài)城市”勢在必行。城市建設中的公園、人行道路及綠化景觀等的修建，都會經常遇到復雜的地形、地貌導致的地形高差問題。地形高差的變化會嚴重影響到城市空間的使用，而擋土墻作為一種常用的支擋結構，可有效地解決該問題。傳統(tǒng)的擋土墻雖然可滿足結構支擋的穩(wěn)定性，但其美觀性不足，未能體現(xiàn)生態(tài)文明建設的理念。因此修筑景觀擋土墻成為生態(tài)城市建設的重要部分[1]。

“景觀”是一個具有多重內涵的概念，它既包括運用材料、色彩、質感、建筑、植被、山水等形成的藝術形象，又包括傳統(tǒng)文化民俗、社會風貌的時代精神，即自然景觀與人文景觀的整合[2]。將景觀設計引入傳統(tǒng)城市擋土墻的設計之中，構成獨具特色的景觀擋土墻(如圖1所示)，在城市建設中越來越常見。景觀擋土墻其獨特的性質和功能，使其成為了反映城市風貌的重要組成角色[3]。

圖1 形式多樣的城市景觀擋土墻Figure 1 Various forms of retaining walls in urban landscapes

而目前景觀擋土墻的建設還存在一些問題，比如：景觀缺乏層次感、綠化植被單一、景觀設置突兀等[4-6]。這些問題在一定程度上影響了景觀擋土墻的生態(tài)美化效果。據(jù)此，本文針對景觀擋土墻穩(wěn)定性設計問題的幾個方面，以及景觀設計需要考慮的主要設計因素作相應的介紹。

1 城市景觀擋土墻特性及功能

景觀擋土墻同時具備防護功能和景觀效應，與周圍場地的布置、交通規(guī)劃及景觀綠化等密切相關，其主要特性及功能概括為以下3個方面[3-5]：

a.規(guī)劃城市場地，組織交通線路[7]。景觀擋土墻的建設會受到城市建設場地地貌、高差及大小等限制，這同時也就決定了在城市擋土墻建設的過程中，需要不斷地改變其尺寸和形態(tài)來適應場地的變化。擋土墻不同的高差和形態(tài)特性，可對城市豎向和水平向空間起到分隔作用，使得空間的分布更加合理，利用效率更高。同時擋土墻的分隔作用，在無形中會影響人流和車輛的行駛路線，從而起到組織和規(guī)劃交通路線的作用。

b.改善城市居住環(huán)境的生態(tài)效應。景觀擋土墻在一定程度上起到調節(jié)城市氣候的作用。首先，擋土墻上的植被可凈化空氣、調節(jié)空氣濕度等。擋土墻本身也可阻擋城市噪音，且其空間隔離作用可改變空氣流向，調節(jié)光照區(qū)域等。

c.增強人文氣息的有效手段。景觀擋土墻同時也是一座城市景觀文化藝術形式的表達。擋土墻的墻面、形態(tài)及裝飾性植被，都會根據(jù)當?shù)氐奈幕厣v史背景等采用相應的藝術手法加以表達。例如在墻面上采用浮雕來刻畫歷史故事，采用水景式、花壇式及假山式等藝術形式來賦予擋土墻生機和活力。

2 擋土墻穩(wěn)定性設計

保證擋土墻在使用過程中，在土壓力和外部荷載的作用下具有足夠的穩(wěn)定性至關重要。在城市擋土墻的設計中，其穩(wěn)定性設計應當放在首位，下面將從幾個方面對其作相應介紹[8-9]。

2.1 抗傾覆穩(wěn)定性設計

擋土墻在使用過程中，墻體產生傾覆是造成事故的主要原因。如圖2所示，為擋土墻的受力分析圖。

圖2 擋土墻受力分析Figure 2 Stress analysis of retaining wall

根據(jù)圖2擋土墻的靜力平衡分析，對O點進行彎矩平衡，同時為了保證一定的安全儲備，在對擋土墻進行設計時，保證擋土墻在荷載作用下不發(fā)生傾覆破壞需滿足下式[10]：

(1)

式中:G為墻體自重；x0為G的作用點到O點距離；Eax=Eacos(α+δ)；Eaz=Easin(α+δ)；xf和zf分別為土壓力Ea作用點距離O點水平和垂直距離；δ為擋土墻與墻后填土的摩擦角，其具體取值參見文獻[10]。

當抗傾覆計算不滿足要求時，可通過增大擋土墻截面尺寸，延長墻趾，改變墻背形狀，增大擋土墻墻身重量等措施，使?jié)M足抗傾覆穩(wěn)定性條件。

2.2 抗滑移穩(wěn)定性設計

當作用于擋土墻體的土壓力在水平方向的分量超過墻體底部的抗滑力時，墻體可能會發(fā)生水平方向的移動。同理，對圖2擋土墻進行受力分析，同時為了保證一定的安全儲備，在對擋土墻進行設計時，保證擋土墻不發(fā)生滑動應滿足下式：

(2)

式中:Gn=Gcosα0;Gt=Gsinα0;Ean=Easin(α+α0+δ);Eat=Eacos(α+α0+δ);μ為摩擦系數(shù)，其值與土的類別等相關，具體取值參見文獻[10]。

2.3 擋土墻自身強度設計

對于重要性等級較高的擋土墻或墻身高度較大時，需對應力較大的界面進行強度驗算。如圖3所示，選取擋土墻身與基礎相交處的n-n截面進行應力驗算。

圖3 擋土墻截面應力計算Figure 3 Calculation of retaining wall section stress

對于n-n截面，當軸心受壓時，截面上法向應力為：

(3)

當偏心受壓時，截面上法向應力為：

(4)

截面上剪應力為：

(5)

式中: [σ]、[τ]分別為墻體許用壓應力和剪應力，μ0為摩擦系數(shù)，[σ]、[τ]及μ0具體取值參見文獻[11]和文獻[12]；b′、e′為n-n截面計算寬度和計算偏心距；ΣV′、ΣH′分別為n-n截面以上豎向力與水平力之和。

2.4 地基承載力設計

在荷載作用下，除了要滿足擋土墻自身的強度和穩(wěn)定性外，還需要保證基底承載力滿足要求。

在荷載作用下?lián)跬翂诪槠氖芰顟B(tài)，具體受力分析如圖2所示，可得其基底兩側應力值的大小應滿足以下條件：

(6)

(7)

需要指出的是由式(6)和式(7)所計算出的基底應力應滿足：

(8)

當e>b/6時，基底一部分區(qū)域將存在拉應力，此時基底應力應按照三角形分布來求解[9]。

2.5 圓弧滑動穩(wěn)定性設計

當填土和基底土質量較差時，在外部荷載作用下，擋土墻可能會發(fā)生如圖4所示的整體失穩(wěn)，即產生貫入軟弱土層深處的圓弧滑動面，從而喪失穩(wěn)定性?？刹捎脳l分法進行驗算[8]。

圖4 擋土墻圓弧滑動穩(wěn)定性驗算Figure 4 Check calculation of circular sliding stability of retaining wall

條分法是一種試算方法，即滑面任意假定，通過選用不同的圓心位置和不同的半徑進行試算，實際所求的是與最危險滑面相對應的最小安全系數(shù)。

由于計算復雜且需要大量試算，因此圓弧滑動穩(wěn)定性通常采用軟件進行分析。

綜上所述，現(xiàn)將普通擋土墻的設計流程圖總結，如圖5所示[8-10]：

圖5 擋土墻設計流程Figure 5 Design process of retaining wall

3 城市擋土墻景觀設計

景觀擋土墻作為城市中兼具支護結構及美學特色的構筑物，除了保證其結構穩(wěn)定性[13]，其景觀美學設計同樣重要，下面將對景觀設計方面的設計理論、設計類型、設計形式及構成要素4個方面進行介紹。

3.1 設計基本理論

景觀擋土墻作為城市中兼具支護結構和美學特色的構筑物，在對其進行規(guī)劃設計時，需結合以下3點理論。 ①為確保擋土墻的建設更富有人性化，需結合人的行為學、心理學等方面的理論[6]。根據(jù)人的行為特點及需求、心理感受等因素，來進行擋土墻的規(guī)劃和設計。②由于擋土墻的存在主要是為了解決地形高差等問題，所以需結合外部空間規(guī)劃和搭配理論[4]，從而對擋土墻尺度、擋土墻的垂直及水平距離進行合理的把握。③從自然美學角度出發(fā)[4，14]，需結合園林美學理論中的形式多樣化與整體統(tǒng)一、色彩的搭配與對比等藝術手法，將其與城市中的自然和人文景觀融為一體。

3.2 設計類型

目前常見的景觀擋土墻分為以下幾種： ①傳統(tǒng)擋土墻裝飾型。即采用傳統(tǒng)的瓷磚或其他單板材料進行外墻貼面裝飾處理。②特殊材料砌筑型。其分為規(guī)則材料與不規(guī)則材料兩種：采用蘇波洛克磚、防腐木料等規(guī)則材料砌筑時，多用于廣場或需要與周圍風格融為一體的建筑群中；采用形狀大小各異的石材等不規(guī)則材料砌筑時，多用于為形成自然風光的景區(qū)中。③生態(tài)環(huán)保型。其也屬于特殊材料砌筑型，但相比于景觀作用，更強調生態(tài)環(huán)保的作用，它常常是巖土工程、生態(tài)工程與環(huán)境工程的整合。此類擋土墻多采用環(huán)境友好型材料，在有效護坡的同時，又不破壞原有生態(tài)結構，且在一定程度上起到促進生態(tài)循環(huán)的作用。④垂直綠化型。即利用爬藤類植物來對擋土墻進行綠化，使其起到裝點擋土墻、美化環(huán)境的效果[15]。

3.3 設計形式

根據(jù)擋土墻的受力特性、地基土質、景觀效果、人的精神感受及場地空間等因素，設計出的相適應的擋土墻形式是景觀擋土墻設計的一個重要方面[3-6]。

當城市擋土墻的設計高度較大時(≥2 m)，會使人精神及心理上產生不適的感受。如圖6所示，此時可以將擋土墻沿高度上分成幾段[16]，并在水平方向錯落修筑，在每段擋土墻之間可種植植被，這樣不僅消除了人心理上不良的感受，還增加了觀賞性。另外，擋土墻應盡量修筑成仰斜式，這樣可以使人的視野更加開闊，同時減少心理上壓抑感。

圖6 分段式擋土墻Figure 6 Sectional retaining wall

當擋土墻的基底土質承載力較差時，可將擋土墻分成兩段臺階式修筑。如圖7所示，將原有擋土墻分為兩部分，在擋土墻主體前修筑一段臺階，這樣不僅使擋土墻更加穩(wěn)固，而且加大了基底面積，更有利于基底土體的承載。同時，在伸出的臺階上也可種植植被，增加綠化效果。

圖7 臺階式擋土墻Figure 7 Stepped retaining wall

擋土墻本身具有分隔和圍合城市空間的作用，有時為了給人以空間的緩和感和流動感，可將直線型的擋土墻修筑成曲線形式，同時曲線形式的圍合也可以更加突出所圍建筑物的特點和主題。有時為了襯托主體雕塑等建筑物，可將擋土墻修筑成折線形式，同時也可增加建筑物的韻律感。

3.4 構成要素設計

城市景觀擋土墻的基本設計要素主要有：尺寸、高度、材料、色彩、質感、造型等。由于城市擋土墻的景觀性要求，所以在設計時除了要滿足力學與耐久性的使用要求外，還應注意擋土墻自身的美學表達和與周圍環(huán)境的和諧統(tǒng)一[2-6]。

擋土墻不同的尺寸與高度將空間劃分為不同的格局，不同的布局則會起到不同的視覺效果，或限制視野，或增加了空間的延展性。同時應堅持因地制宜的原則，盡量在原本地形的基礎上進行合適的變化，以免引起視覺疲勞，減少美感。

目前擋土墻常用材料主要有石材、木材、磚瓦、水泥、鋼板等，根據(jù)使用場景、干濕條件的不同?；旌洗钆涫褂?。不同質感的材料將給人以不同的感官效果。青石、片石等大塊石材簡單粗獷，適宜大型景觀；卵石等小型石材更適宜雕刻細節(jié)。木材壘砌的景觀擋土墻更富有山林氣息，但木材與土體的長期直接接觸，自然界的生物風化作用會造成擋土墻承載力降低，從而喪失穩(wěn)定性甚至坍塌。磚瓦近些年在景觀擋土墻中開始流行使用，種類多樣的磚瓦以及多種搭接的方式，越來越受到現(xiàn)代景觀風格的設計師青睞。水泥擋土墻由于材料本身的單調厚重感，欣賞價值較低，因此很少直接作為景觀擋土墻的裸露面，但因其可塑性強，且強度較高、穩(wěn)定性好，目前水泥仿木、仿石雕像愈發(fā)常見，加之彩色水泥的出現(xiàn)，使得水泥在景觀擋土墻中的使用更加廣泛。鋼板是近些年開始使用的擋土墻材料，具有較強的現(xiàn)代感，但應根據(jù)使用要求與環(huán)境，合理控制銹蝕，同時設計時也應考慮光污染。隨著材料科學的發(fā)展，越來越多性態(tài)良好、生態(tài)環(huán)保的人工合成材料相繼出現(xiàn)，原始的天然材料將會慢慢被取代[3]。

不同的質感與色彩也會帶給人不同的視覺享受，粗糙的表面給人以粗獷、自然、質樸的感受；光滑的表面給人以細膩、柔和、高雅的情調，石材讓人感覺到厚重、踏實；木材讓人感覺到溫暖、質樸。暗色使人寧靜，亮色使人愉悅。在實際工程中，應根據(jù)使用目的和情境合理選用。

根據(jù)自然環(huán)境與使用要求的限制，擋土墻常見的平面造型有直線型、曲線型、折線形，常見的立面造型有階梯型、幾何形狀拼湊型等。不同的形式進行合理搭配，會讓人感覺到耳目一新，形成一道亮麗的風景線。

4 結論

本文通過對城市擋土墻穩(wěn)定性設計原理的介紹，以及景觀設計問題的分析，得出以下幾點結論：

a.擋土墻結構的穩(wěn)定性，不僅要考慮墻體自身的穩(wěn)定性與強度問題，還要考慮荷載作用下，墻身與土體的整體穩(wěn)定性。只有各個方面的穩(wěn)定性都滿足條件，才能保證擋土墻的安全性。

b.景觀擋土墻的設計需匯集行為心理學、空間規(guī)劃、自然美學等理論，只有這樣才能使擋土墻與自然風光、人文景觀融為一體，使之更具人性化和美學特色。

c.城市景觀擋土墻有多種設計形式與造型，因此要求設計人員從多方面考慮，且遵循因地制宜、隨環(huán)境靈活變化的原則。只有所建設的擋土墻滿足了使用要求、適應了城市環(huán)境需要、展示了城市特色，才能稱之為合格的景觀擋土墻。