城市擋土墻設(shè)計(jì)及景觀研究

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。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，其具體取值參見文獻(xiàn)[10]。

當(dāng)抗傾覆計(jì)算不滿足要求時(shí)，可通過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，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(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)，石材讓人感覺到厚重、踏實(shí)；木材讓人感覺到溫暖、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(jìn)行合理搭配，會(huì)讓人感覺到耳目一新，形成一道亮麗的風(fēng)景線。

4 結(jié)論

本文通過對(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。