第六章挡土墙设计

第六章挡土墙设计发表日期：2008-6-10阅读次数：239次§6-1概述一、挡土墙的用途挡土墙定义：用来支撑天然边坡或人工填土边坡以保持土体稳定的建筑物。按照设置位置，挡土墙可分为：路肩墙、路堤墙、路堑墙和山坡墙等类型。1.作用：1）路肩墙或路堤墙：设置在高填路堤或陡坡路堤的下方，防止路基边坡或基底滑动，确保路基稳定，同时可收缩填土坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积，以及保护临近线路的既有重要建筑物。2）滨河及水库路堤挡土墙：在傍水一侧设置挡土墙，可防止水流对路基的冲刷和浸蚀，也是减少压缩河床或少占库容的有效措施。3）路堑挡土墙设置在堑坡底部，用于支撑开挖后不能自行稳定的边坡，同时可减少挖方数量，降低边坡高度。4）山坡挡土墙设在堑坡上部，用于支挡山坡上可能坍滑的覆盖层，兼有拦石作用。2.挡土墙构造：1）墙背，墙面(也称墙胸)，墙趾，墙踵，墙背倾角α。2）按墙背的倾角方向分：俯斜：墙背向外侧倾斜时，为俯斜墙背，α为正；仰斜：墙背向填土一侧倾斜时，为仰斜墙背，α为负；垂直：墙背铅垂时，为垂直墙背，α为零。墙背分：直线形墙背、折线形墙背。二、挡土墙类型1.重力式挡土墙1）特点：圬工量较大，型式简单，施工方便，就地取材，适应性较强。2）墙背型式：直线形：普通重力式挡土墙，断面型式最简单，土压力计算简便。衡重式挡土墙：凭借于墙身自重稳定。不带衡重台的折线形：则介于两者之间。2.锚定式挡土墙包括：锚杆式和锚定板式两种。1）锚杆式挡土墙：组成：主要由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱联接，另一端被锚固在稳定岩层或土层中。特点：墙后侧压力由挡土板传给立柱，由锚杆与岩体之间的锚固力，即锚杆的抗拔力，使墙获得稳定。适用：墙高较大、石料缺乏或挖基困难地区，具有锚固条件的路基挡土墙，一般多用于路堑挡土墙。2）锚定板式挡土墙结构形式与锚杆式基本相同。锚杆的锚固端改用锚定板，埋入墙后填料内部的稳定层中，依靠锚定板产生的抗拔力抵抗侧压力，保持墙的稳定。适用：缺乏石料的地区，同时它不适用于路堑挡土墙。特点：构件断面小，工程量省，不受地基承载力的限制，构件可预制，有利于实现结构轻型化和施工机械化。3．薄壁式挡土墙包括：悬臂式和扶壁式两种主要型式。1）悬臂式挡土墙由立壁和底板组成，具有三个悬臂，即立壁、趾板和踵板。2）扶壁式挡土墙：当墙身较高时，沿墙长每隔一定距离筑肋板(扶壁)联结墙面板及踵板，称为扶壁式挡土墙。特点：墙身断面较小，结构的稳定性不是依靠本身的重量，而主要依靠踵板上的填土重量来保证。适用：自重轻，圬工省，适用于墙高较大的情况，但需使用一定数量的钢材，经济效果较好。4.加筋土挡土墙加筋土挡土墙是由填土、填土中布置的拉筋条以及墙面板三部分组成。拉筋材料通常为镀锌薄钢带、铝合金、高强塑料及合成纤维等。墙面板一般用混凝土预制，也可采用半圆形铝板。特点：在垂直墙面的方向，按一定间隔和高度水平地放置拉筋材料，然后填土压实，通过填土与拉筋间的摩擦作用，把土的侧压力传给拉筋，从而稳定土体。加筋土挡土墙属柔性结构，对地基变形适应性大，建筑高度大，适用于填土路基。结构简单，圬工量少，与其它类型的挡土墙相比，可节省投资30％-70％，经济效益大。§6-2挡土墙土压力计算一、作用在挡土墙上的力系1.按力的作用性质分为：1）主要力系：经常作用于挡土墙的各种力。(1)挡土墙自重及位于墙上的衡载；(2)墙后土体的主动土压力；(包括作用在墙后填料破裂棱体上的荷载，简称超载)(3)基底的法向反力及摩擦力；(4)墙前土体的被动土压力。浸水挡土墙：在主要力系中包括常水位时的静水压力和浮力。2）附加力：季节性作用于挡土墙的各种力。例如洪水时的静水压力和浮力、动力压力、波浪冲击力、冻胀压力以及冰压力等。3）特殊力：偶然出现的力。例如地震力、施工荷载、水流漂浮物的撞击力等。2.设计：按最不利的组合作为依据。二、一般条件下库伦主动土压力计算1.土压力分类主动土压力：当挡土墙向外移动时(位移或倾覆)，土压力随之减少，直到墙后土体沿破裂面下滑而处于极限平衡状态，作用于墙背的土压力称主动土压力；被动土压力：当墙向土体挤压移动，土压力随之增大，土体被推移向上滑动处于极限平衡状态，此时土体对墙的抗力称为被动土压力；静止土压力：墙处于原来位置不动，土压力介于两者之间，称为静止土压力。2.设计：按墙背土体达到主动极限平衡状态，取一定的安全系数，以保证墙背土体的稳定。3.破裂面：路堤挡土墙：按破裂面交于路基面的位置不同，可分为5种：破裂面交于内边坡、荷载的内侧、荷载的中部、荷载的外侧、外边坡。三、大俯角墙背的主动土压力——第二破裂面法1．概念：墙背俯斜很缓，墙背倾角很大，如折线形挡土墙上墙墙背，衡重式挡土墙上墙的假象墙背，破裂棱体并不沿墙背或假想墙背滑动，而是沿着土体的另一破裂面滑动。Ex=f(αi，θi)2.出现条件：1)墙背或假想墙背的倾角α′必须大于第二破裂面的倾角αi，即墙背或假想墙背不妨碍第二破裂面的出现；2)在墙背或假想墙背面上产生的抗滑力必须大于其下滑力，即NRNG使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑；3.计算过程：1）根据边界条件，计算破裂棱体(包括棱体上的荷载)的重量G；2）从力三角形求Ex方程式；3）求Ex的最大值及相应的破裂角αi和θi；4）求主动土压力Ea的作用点。四、折线形墙背土压力衡重式挡土墙：上墙、下墙上墙：同前下墙土压力计算方法：延长墙背法、力多边形法五、粘性土土压力计算1．等效内摩擦角法将内摩擦角φ与单位粘聚力c，换算成较实有φ值为大的“等效内摩擦角”φD，按砂性土的公式计算土压力。换算原则：土的抗剪强度相等或土压力相等。方法：把粘性土的内摩擦角值增大5°～10°或采用等效内摩擦角φD为30°～35°。2．力多边形法(数解法)六、不同土层的土压力计算首先求得上一土层的土压力及其作用点高度。并近似地假定：上下两土层层面平行；计算下一土层时，将上一土层视为均布荷载，按地面为一平面时的库伦公式计算，然后截取下一土层的土压应力图形为其土压力。七、有限范围填土的土压力计算注意：挡土墙在陡坡的半路堤上，或者山坡土体有倾向路基的层面，则墙后存在着已知或潜在滑动面，当其倾角陡于由计算求得的破裂面的倾角时，墙后填料将沿着陡破面(或滑动面)下滑，而不是沿着计算破裂面下滑。§6-3挡土墙设计一、挡土墙的布置挡土墙的布置：路基横断面图和墙趾纵断面图1.位置的选定2.纵向布置：(1)挡土墙的起迄点、墙长和衔接方式。(2)伸缩缝与沉降缝的位置。(3基础。(4)泄水孔的位置(数量、间隔和尺寸)。3．横向布置墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处，以及其它必须桩号处的横断图上进行。4．平面布置个别复杂的挡土墙，作平面布置，绘制平面图。二、挡土墙的构造常用的重力式挡土墙：墙身、基础、排水设施和伸缩缝等部分组成。1.墙身构造1)墙背重力式挡土墙的墙背：仰斜、垂直、俯斜、凸形折线和衡重式等型式。2)墙面墙面一般为平面，其坡度应与墙背坡度相协调。3)墙顶墙顶最小宽度，浆砌挡土墙不小于50cm，干砌不小于60cm。4)护栏在地形险峻地段，或过高过长的路肩墙的墙顶应设置护栏。2．基础1)基础类型扩大基础：台阶高度按加宽部分的抗剪、抗弯拉和基础材料的刚性角的要求确定。钢筋混凝土底板：厚度由剪力和主拉应力控制。换填：扩散基底压应力，使之均匀地传递到下卧软弱土层中。台阶基础：减少基坑开挖和节省圬工。2)基础埋置深度（土质地基）：(1)无冲刷时，应在天然地面以下至少1m；(2)有冲刷时，应在冲刷线以下至少1m；(3)受冻胀影响时，应在冻结线以下不少于0.25m。当冻深超过1m时，采用1.25m，但基底应夯填一定厚度的砂砾或碎砾石垫层，垫层底面应位于冻结线以下不少于0.25m。3．排水设施设置墙身泄水孔，排除墙后水。干砌挡土墙不设泄水孔。汇水孔的尺寸：5cm×10cm、10cm×10cm、15cm×20cm的方孔直径为5-10cm的圆孔孔眼间距：2-3m，（浸水挡土墙孔眼间距一般1.0-1.5m），孔眼上下错开布置。4．沉降缝与伸缩缝1）目的：为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，需根据地质条件的变异和墙高、墙身断面的变化情况设置沉降缝。为了防止圬工砌体因收缩硬化和温度变化而产生裂缝，应设置伸缩缝。2）布设：沉降缝与伸缩缝合并设置，每隔10-15m设置一道；缝宽2-3cm，缝内用胶泥填塞，沥青麻筋或涂以沥青的木板等具有弹性的材料，填深不宜小于0.15m；当墙后为岩石路堑或填石路堤时，可设置空缝。干砌挡土墙，缝的两侧应选用平整石料砌筑，使成垂直通缝。三、挡土墙的荷载的计算方法1．挡土墙的荷载荷载种类：恒载、可变荷载、温度或施工荷载。荷载组合：Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ、Ⅴ2．挡土墙的设计原则按“分项安全系数极限状态”法进行。挡土墙设计分承载力极限状态和正常使用极限状态。四、挡土墙稳定性验算1.抗滑稳定性验算基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力。2.抗倾覆稳定性验算抵抗墙趾向外转动倾覆的能力。五、基底应力及合力偏心距1.基础底面的压应力：1）轴心作用：P=N/A2）偏心作用：e=B/2-ZN当e≤B/6：当eB/6：不考虑地基拉应力，应力重新分布。并且总应力的作用线通过应力图的重心。2.基底合力偏心距3.地基承载力抗力轴心作用：p≤f偏心作用：p≤1.2f六、墙身截面强度验算控制断面：墙身底部、墙高、上下墙交界处1.强度计算式中：--设计轴向力（kN）；--轴向力偏心影响系数；--挡土墙构件计算截面积（m2）；--材料极限抗压强度（kPa）；--轴向力偏心影响系数。2.稳定计算3.当超过容许偏心距规定时，还可以考虑利用弯曲极限强度RWL进行验算或确定截面尺寸。式中：W—截面系数（m3）。当挡土墙长度取1延米为计算单位；A=1×B，则上式为：4．正截面直接受剪时验算七、增加挡土墙稳定性的措施1.增加抗滑稳定性的方法设置倾斜基底、采用凸榫基础2.增加抗倾覆稳定性的方法展宽墙趾、改变墙身断面类型、改变墙面及墙背坡度§6-4浸水路堤挡土墙土设计水对墙的影响：1．土压力减小；2．砂性土的内摩擦角浸水后不变，粘性土浸水后抗剪强度降低；3．墙背与墙面受到静水压力水平一致，互相平衡；有水位差时，则墙身受到推力；4．墙外水位骤然降落，墙后暴雨下渗在填料内出现渗流时，填料受到渗透动水压力，渗水性填料动水压力略而不计；5.抗倾覆及抗滑动稳定性减弱。一、浸水挡土墙土压力计算1.填料为砂性土容重：浮容重内摩擦角：不变破裂面：平面二、静水压力、动水压力、上浮力1.静水压力P=γHcA2.上浮力P=CγV§6-5地震地区挡土墙土设计设计裂度为8度以上的地震区，进行地震强度和稳定性验算。一、地震荷载的计算水平地震力Ps式中：—综合影响系数（0.25）—水平地震系数地震角θs：挡土墙重与水平地震力的合力，与竖直线的夹角。二、地震作用下的土压力采用一般库伦土压力公式计算。三、地震作用下挡土墙的验算方法与重力式挡墙相同。四、一般防震措施1．采用重心低的墙身断面形式。2．基础置于坚硬的均质土层上。3．挡土墙宜采用浆砌片(块)石、混凝土和钢筋混凝土修筑。4．墙体应以垂直通缝分段，每段长度不宜超过15m。5．严格控制砌筑质量。6．墙后填料，并做好排水设施。§6-6轻型挡土墙一、悬臂式挡土墙（一）悬臂式挡土墙的构造及适用条件（二）悬臂式挡土墙设计1.土压力计算（采用朗金理论）墙上（墙趾处）的总土压力朗金土压力系数当β=0时：2.底板宽度计算1）夹块宽度2）踵板宽度3）趾板宽度3.底板厚度计算结构要求、截面强度要求4.立壁厚度计算1）结构要求2）计算立壁弯矩及剪力3）厚度计算5.墙身稳定性及基底应力验算（同前）二、锚杆挡土墙（一）构造与布置墙面分为板柱式（板和柱组成）和板壁式（板）锚杆分为楔缝式（小锚杆）和灌浆锚杆（大锚杆）（二）锚杆挡墙设计1.主动土压力计算2.挡土板内力计算3.立柱的内力计算4.锚杆：1)锚杆截面设计2)锚杆长度设计3)锚杆与立柱的连接三、锚定板挡土墙（一）锚定板挡土墙的构造（二）锚定板挡土墙设计1.锚