黎鳳林, 鄭 碩, 楊超煒

(1.湖南科技職業(yè)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004； 2.長(zhǎng)沙環(huán)境保護(hù)職業(yè)技術(shù)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410004; 3.湖南大學(xué) 土木工程學(xué)院， 湖南 長(zhǎng)沙 410082 )

0 引言

隨著城市化進(jìn)程的不斷加快，越來(lái)越多的人在城市生活，城市的生態(tài)環(huán)境成為城市化進(jìn)程中面臨的一大問(wèn)題，打造“生態(tài)城市”勢(shì)在必行。城市建設(shè)中的公園、人行道路及綠化景觀等的修建，都會(huì)經(jīng)常遇到復(fù)雜的地形、地貌導(dǎo)致的地形高差問(wèn)題。地形高差的變化會(huì)嚴(yán)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(jié)構(gòu)，可有效地解決該問(wèn)題。傳統(tǒng)的擋土墻雖然可滿足結(jié)構(gòu)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(shè)的理念。因此修筑景觀擋土墻成為生態(tài)城市建設(shè)的重要部分[1]。

“景觀”是一個(gè)具有多重內(nèi)涵的概念，它既包括運(yùn)用材料、色彩、質(zhì)感、建筑、植被、山水等形成的藝術(shù)形象，又包括傳統(tǒng)文化民俗、社會(huì)風(fēng)貌的時(shí)代精神，即自然景觀與人文景觀的整合[2]。將景觀設(shè)計(jì)引入傳統(tǒng)城市擋土墻的設(shè)計(jì)之中，構(gòu)成獨(dú)具特色的景觀擋土墻(如圖1所示)，在城市建設(shè)中越來(lái)越常見(jiàn)。景觀擋土墻其獨(dú)特的性質(zhì)和功能，使其成為了反映城市風(fēng)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(shè)還存在一些問(wèn)題，比如：景觀缺乏層次感、綠化植被單一、景觀設(shè)置突兀等[4-6]。這些問(wèn)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(duì)景觀擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問(wèn)題的幾個(gè)方面，以及景觀設(shè)計(jì)需要考慮的主要設(shè)計(jì)因素作相應(yīng)的介紹。

1 城市景觀擋土墻特性及功能

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

a.規(guī)劃城市場(chǎng)地，組織交通線路[7]。景觀擋土墻的建設(shè)會(huì)受到城市建設(shè)場(chǎng)地地貌、高差及大小等限制，這同時(shí)也就決定了在城市擋土墻建設(shè)的過(guò)程中，需要不斷地改變其尺寸和形態(tài)來(lái)適應(yīng)場(chǎng)地的變化。擋土墻不同的高差和形態(tài)特性，可對(duì)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(shí)擋土墻的分隔作用，在無(wú)形中會(huì)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(yīng)。景觀擋土墻在一定程度上起到調(diào)節(jié)城市氣候的作用。首先，擋土墻上的植被可凈化空氣、調(diào)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(diào)節(jié)光照區(qū)域等。

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

2 擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

保證擋土墻在使用過(guò)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(guān)重要。在城市擋土墻的設(shè)計(jì)中，其穩(wěn)定性設(shè)計(jì)應(yīng)當(dāng)放在首位，下面將從幾個(gè)方面對(duì)其作相應(yīng)介紹[8-9]。

2.1 抗傾覆穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

擋土墻在使用過(guò)程中，墻體產(chǎn)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(duì)O點(diǎn)進(jìn)行彎矩平衡，同時(shí)為了保證一定的安全儲(chǔ)備，在對(duì)擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，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(diǎn)到O點(diǎn)距離；Eax=Eacos(α+δ)；Eaz=Easin(α+δ)；xf和zf分別為土壓力Ea作用點(diǎn)距離O點(diǎn)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(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

當(dāng)抗傾覆計(jì)算不滿足要求時(shí)，可通過(guò)增大擋土墻截面尺寸，延長(zhǎng)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(shè)計(jì)

當(dāng)作用于擋土墻體的土壓力在水平方向的分量超過(guò)墻體底部的抗滑力時(shí)，墻體可能會(huì)發(fā)生水平方向的移動(dòng)。同理，對(duì)圖2擋土墻進(jìn)行受力分析，同時(shí)為了保證一定的安全儲(chǔ)備，在對(duì)擋土墻進(jìn)行設(shè)計(jì)時(shí)，保證擋土墻不發(fā)生滑動(dòng)應(yīng)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(guān)，具體取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[10]。

2.3 擋土墻自身強(qiáng)度設(shè)計(jì)

對(duì)于重要性等級(jí)較高的擋土墻或墻身高度較大時(shí)，需對(duì)應(yīng)力較大的界面進(jìn)行強(qiáng)度驗(yàn)算。如圖3所示，選取擋土墻身與基礎(chǔ)相交處的n-n截面進(jìn)行應(yīng)力驗(yàn)算。

圖3 擋土墻截面應(yīng)力計(jì)算Figure 3 Calculation of retaining wall section stress

對(duì)于n-n截面，當(dāng)軸心受壓時(shí)，截面上法向應(yīng)力為：

(3)

當(dāng)偏心受壓時(shí)，截面上法向應(yīng)力為：

(4)

截面上剪應(yīng)力為：

(5)

式中: [σ]、[τ]分別為墻體許用壓應(yīng)力和剪應(yīng)力，μ0為摩擦系數(shù)，[σ]、[τ]及μ0具體取值參見(jiàn)文獻(xiàn)[11]和文獻(xiàn)[12]；b′、e′為n-n截面計(jì)算寬度和計(jì)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(shè)計(jì)

在荷載作用下，除了要滿足擋土墻自身的強(qiáng)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(cè)應(yīng)力值的大小應(yīng)滿足以下條件：

(6)

(7)

需要指出的是由式(6)和式(7)所計(jì)算出的基底應(yīng)力應(yīng)滿足：

(8)

當(dāng)e>b/6時(shí)，基底一部分區(qū)域?qū)⒋嬖诶瓚?yīng)力，此時(shí)基底應(yīng)力應(yīng)按照三角形分布來(lái)求解[9]。

2.5 圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)

當(dāng)填土和基底土質(zhì)量較差時(shí)，在外部荷載作用下，擋土墻可能會(huì)發(fā)生如圖4所示的整體失穩(wěn)，即產(chǎn)生貫入軟弱土層深處的圓弧滑動(dòng)面，從而喪失穩(wěn)定性?？刹捎脳l分法進(jìn)行驗(yàn)算[8]。

圖4 擋土墻圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性驗(yàn)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(guò)選用不同的圓心位置和不同的半徑進(jìn)行試算，實(shí)際所求的是與最危險(xiǎn)滑面相對(duì)應(yīng)的最小安全系數(shù)。

由于計(jì)算復(fù)雜且需要大量試算，因此圓弧滑動(dòng)穩(wěn)定性通常采用軟件進(jìn)行分析。

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

圖5 擋土墻設(shè)計(jì)流程Figure 5 Design process of retaining wall

3 城市擋土墻景觀設(shè)計(jì)

景觀擋土墻作為城市中兼具支護(hù)結(jié)構(gòu)及美學(xué)特色的構(gòu)筑物，除了保證其結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性[13]，其景觀美學(xué)設(shè)計(jì)同樣重要，下面將對(duì)景觀設(shè)計(jì)方面的設(shè)計(jì)理論、設(shè)計(jì)類型、設(shè)計(jì)形式及構(gòu)成要素4個(gè)方面進(jìn)行介紹。

3.1 設(shè)計(jì)基本理論

景觀擋土墻作為城市中兼具支護(hù)結(jié)構(gòu)和美學(xué)特色的構(gòu)筑物，在對(duì)其進(jìn)行規(guī)劃設(shè)計(jì)時(shí)，需結(jié)合以下3點(diǎn)理論。 ①為確保擋土墻的建設(shè)更富有人性化，需結(jié)合人的行為學(xué)、心理學(xué)等方面的理論[6]。根據(jù)人的行為特點(diǎn)及需求、心理感受等因素，來(lái)進(jìn)行擋土墻的規(guī)劃和設(shè)計(jì)。②由于擋土墻的存在主要是為了解決地形高差等問(wèn)題，所以需結(jié)合外部空間規(guī)劃和搭配理論[4]，從而對(duì)擋土墻尺度、擋土墻的垂直及水平距離進(jìn)行合理的把握。③從自然美學(xué)角度出發(fā)[4，14]，需結(jié)合園林美學(xué)理論中的形式多樣化與整體統(tǒng)一、色彩的搭配與對(duì)比等藝術(shù)手法，將其與城市中的自然和人文景觀融為一體。

3.2 設(shè)計(jì)類型

目前常見(jiàn)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(jìn)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(shí)，多用于廣場(chǎng)或需要與周圍風(fēng)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(shí)，多用于為形成自然風(fēng)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(qiáng)調(diào)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(hù)坡的同時(shí)，又不破壞原有生態(tài)結(jié)構(gòu)，且在一定程度上起到促進(jìn)生態(tài)循環(huán)的作用。④垂直綠化型。即利用爬藤類植物來(lái)對(duì)擋土墻進(jìn)行綠化，使其起到裝點(diǎn)擋土墻、美化環(huán)境的效果[15]。

3.3 設(shè)計(jì)形式

根據(jù)擋土墻的受力特性、地基土質(zhì)、景觀效果、人的精神感受及場(chǎng)地空間等因素，設(shè)計(jì)出的相適應(yīng)的擋土墻形式是景觀擋土墻設(shè)計(jì)的一個(gè)重要方面[3-6]。

當(dāng)城市擋土墻的設(shè)計(jì)高度較大時(shí)(≥2 m)，會(huì)使人精神及心理上產(chǎn)生不適的感受。如圖6所示，此時(shí)可以將擋土墻沿高度上分成幾段[16]，并在水平方向錯(cuò)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(yīng)盡量修筑成仰斜式，這樣可以使人的視野更加開(kāi)闊，同時(shí)減少心理上壓抑感。

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

當(dāng)擋土墻的基底土質(zhì)承載力較差時(shí)，可將擋土墻分成兩段臺(tái)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(tái)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(shí)，在伸出的臺(tái)階上也可種植植被，增加綠化效果。

圖7 臺(tái)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(shí)為了給人以空間的緩和感和流動(dòng)感，可將直線型的擋土墻修筑成曲線形式，同時(shí)曲線形式的圍合也可以更加突出所圍建筑物的特點(diǎn)和主題。有時(shí)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(shí)也可增加建筑物的韻律感。

3.4 構(gòu)成要素設(shè)計(jì)

城市景觀擋土墻的基本設(shè)計(jì)要素主要有：尺寸、高度、材料、色彩、質(zhì)感、造型等。由于城市擋土墻的景觀性要求，所以在設(shè)計(jì)時(shí)除了要滿足力學(xué)與耐久性的使用要求外，還應(yīng)注意擋土墻自身的美學(xué)表達(dá)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(huì)起到不同的視覺(jué)效果，或限制視野，或增加了空間的延展性。同時(shí)應(yīng)堅(jiān)持因地制宜的原則，盡量在原本地形的基礎(chǔ)上進(jìn)行合適的變化，以免引起視覺(jué)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(chǎng)景、干濕條件的不同?；旌洗钆涫褂?。不同質(zhì)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(jiǎn)單粗獷，適宜大型景觀；卵石等小型石材更適宜雕刻細(xì)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(zhǎng)期直接接觸，自然界的生物風(fēng)化作用會(huì)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(kāi)始流行使用，種類多樣的磚瓦以及多種搭接的方式，越來(lái)越受到現(xiàn)代景觀風(fēng)格的設(shè)計(jì)師青睞。水泥擋土墻由于材料本身的單調(diào)厚重感，欣賞價(jià)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(qiáng)，且強(qiáng)度較高、穩(wěn)定性好，目前水泥仿木、仿石雕像愈發(fā)常見(jiàn)，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(kāi)始使用的擋土墻材料，具有較強(qiáng)的現(xiàn)代感，但應(yīng)根據(jù)使用要求與環(huán)境，合理控制銹蝕，同時(shí)設(shè)計(jì)時(shí)也應(yīng)考慮光污染。隨著材料科學(xué)的發(fā)展，越來(lái)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(huì)慢慢被取代[3]。

不同的質(zhì)感與色彩也會(huì)帶給人不同的視覺(jué)享受，粗糙的表面給人以粗獷、自然、質(zhì)樸的感受；光滑的表面給人以細(xì)膩、柔和、高雅的情調(diào)，石材讓人感覺(jué)到厚重、踏實(shí)；木材讓人感覺(jué)到溫暖、質(zhì)樸。暗色使人寧?kù)o，亮色使人愉悅。在實(shí)際工程中，應(yīng)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(jiàn)的平面造型有直線型、曲線型、折線形，常見(jiàn)的立面造型有階梯型、幾何形狀拼湊型等。不同的形式進(jìn)行合理搭配，會(huì)讓人感覺(jué)到耳目一新，形成一道亮麗的風(fēng)景線。

4 結(jié)論

本文通過(guò)對(duì)城市擋土墻穩(wěn)定性設(shè)計(jì)原理的介紹，以及景觀設(shè)計(jì)問(wèn)題的分析，得出以下幾點(diǎn)結(jié)論：

a.擋土墻結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定性，不僅要考慮墻體自身的穩(wěn)定性與強(qiáng)度問(wèn)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(gè)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(shè)計(jì)需匯集行為心理學(xué)、空間規(guī)劃、自然美學(xué)等理論，只有這樣才能使擋土墻與自然風(fēng)光、人文景觀融為一體，使之更具人性化和美學(xué)特色。

c.城市景觀擋土墻有多種設(shè)計(jì)形式與造型，因此要求設(shè)計(jì)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(shè)的擋土墻滿足了使用要求、適應(yīng)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。