第六章 挡土墙设计

第六章挡土墙设计常用挡土墙的类型有：路堑挡土墙、路堤挡土墙、路肩挡土墙、山坡挡土墙、桥头挡土墙。挡土墙的建筑费用较高，路基设计时，应与其他可能方案进行经济比较，择优选定。二、挡土墙的类型按位置、材料、结构形式可分为以下几种：1、按位置：路堑墙、路肩墙、山坡墙；2、按材料：石砌挡土墙、砖砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、加筋挡土墙；3、按结构：重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、柱板式、垛式等。各种挡土墙的特点及适用范围见表6-2。第六章挡土墙设计第二节挡土墙的构造与布置一、挡土墙的构造常用的重力式挡土墙一般由墙身、基础、排水设施和伸缩缝等几部分构成。（一）墙身（1）墙身断面形式及其特点根据墙背的倾斜方向，墙身断面形式可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线和衡重式几种。在其他条件相同时，仰斜墙背所承受的土压力比俯斜墙背小；由于仰斜墙背的倾斜方向与开挖面边坡方向一致，故开挖量和回填量均比俯斜墙背小，仰斜式挡墙适用于作路堑墙及墙趾处地面平坦的路堤墙或路肩墙。第六章挡土墙设计俯斜墙背所承受的土压力较大，俯斜式挡土墙可用陡直的墙面，以减小墙高。俯斜墙背亦可做成台阶形，以增加墙背与填料间的摩阻力。垂直墙背的特点介于仰斜与俯斜墙背之间。若将仰斜式挡土墙的上部墙背改为俯斜，即构成凸形折线式，与仰斜式比较，其上部尺寸有所减小，故断面亦较节省。多用于路堑墙，也可用于路肩墙。若在凸形折线式的上下墙间增设一平台，并采用陡直墙面，即为衡重式断面。（2）墙身断面尺寸A、墙背坡度：俯斜式墙背坡度一般为1：0.15~1:0.4；仰斜式不宜缓于1：0.3；衡重式之上墙背为1:0.25~1:0.45，下墙背在1:0.25左右，上下墙高之比一般采用2：3；第六章挡土墙设计B、墙面：一般为平面，地面横坡较陡时，宜采用垂直墙面或仰斜1：0.05~1:0.20；地面横坡较缓时，可放更缓些，但不宜缓于1：0.4；C、墙顶：墙顶最小宽度，浆砌挡土墙不宜小于0.5米，干砌不宜小于0.6米；浆砌路肩墙顶一般宜采用粗粒石或低强度等级混凝土做成顶帽，厚约0.4米。D、护栏：陡峭地方，需在墙顶设置护栏。护栏内侧边缘距路面边缘的距离，二、三级公路不小于0.75米，四级路不小于0.5米；（二）基础基础设计包括基础类型和确定基础埋置深度两项主要内容。第六章挡土墙设计（1）基础形式大多数挡土墙都是直接砌筑在天然地基上的。为了减少基底应力和增加倾覆稳定性常采用扩大基础；当地面陡峻而地基为完整坚实的岩石时，可采用切割台阶基础；如局部地基软弱，可采用拱形基础跨过。（2）基础埋置深度根据下列要求来确定埋置深度：A、应保证基底土层的容许承载力大于基底可能出现的最大应力；B、应保证基础不受冲刷；C、在季节性冰冻地区，应将基础埋置到冰冻线以下，以防止地基因冻融而破坏。第六章挡土墙设计公路上的一般规定是：（1）设置在土质地基上的挡墙，基底埋深一般应在天然地面以下到少1米；受水冲刷时，应在冲刷线以下至少1米；受冻胀影响时，应在冻结线以下不少于0.25米，并满足最小埋深不小于1米的要求，当冻深超过1米时，仍采用1.25米，但基底应夯填一定厚度的砂砾或碎石垫层，垫层底面亦应位于冻结线以下不少于0.25米；（2）设置在石质地基上的挡土墙，应清除表面风化层，当风化层厚难于全部清除时，可根据地基风化程度及其容许承载力，将基底埋入风化层中；（3）路堑墙基础顶面应低于边沟底面至少0.5米。第六章挡土墙设计（三）排水设施挡土墙的常用排水设施可分为地面排水和墙身排水两部分。地面排水主要是防止地表水渗入墙背土体或地基。主要措施包括：在墙后地面设置排水沟、夯实地表松土，必要时采取封闭处理；对路堑挡土墙墙趾前的边沟予以铺砌加固等。墙身排水主要是为了迅速排除土内积水。其方法是在浆砌挡土墙墙身的适当高度处设置一排或数排泄水孔，泄水孔尺寸一般为15cm*10cm，10cm*10cm，15cm*20cm的矩形孔，或直径为5~10cm的圆形孔。泄水孔的进水口附近应设置粗粒料反滤层，以免孔道阻塞。第六章挡土墙设计（四）沉降缝与伸缩缝为防止墙身因地基不均匀沉降而引起断裂，需根据地基地质条件和墙身、墙身断面变化情况，设置沉降缝；为防止墙身因圬工砌体硬化收缩，或温度变化所产生的温度应力而引起开裂，需设置伸缩缝。设计时，一般将沉降缝和伸缩缝合并设置，统称为伸缩缝。沿路线方向每隔10~15米设一道，缝宽2~3厘米，缝内要填充，填深不宜小于15厘米。二、挡土墙的布置步骤:1、根据地形、地质条件，初步拟定一两个可能的挡土墙类型方案；第六章挡土墙设计2、在路基横断面图上布置挡土墙；3、在墙趾纵断面图上布置挡墙；4、根据初步确定的墙型、墙高、地基及填料的物理力学指标等设计资料进行验算，以确定墙身断面尺寸；5、根据验算结果，选择其中最合理经济的断面作为设计断面；6、根据上述反复计算和调整后得出的断面尺寸方案，绘制挡土墙的横断面图、纵断面图，必要时还需绘制平面图；7、编制设计说明。第六章挡土墙设计第三节挡土墙压力计算一、作用在挡土墙上的力系按作用性质分为主要力系、附加力系和特殊力。A、主要力系包括：挡土墙自重及位于墙上的恒载；墙后土体的主动土压力；基底的法向力和摩擦力；墙前土体的被动土压力；对于浸水挡土墙，主要力系还包括常水位时的静水压力和浮力；B、附加力系是指季节性地作用于挡土墙的各种力。如洪第六章挡土墙设计水时的静水压力和浮力、动水压力、波浪冲击力以及冻胀压力等。C、特殊力是偶然出现的力，如地震力、施工荷载、水流漂浮物的撞击力等。在一般地区，挡土墙设计仅考虑主要力系，在浸水地区还应考虑附加力，而在地震区则应考虑地震对挡土墙的影响。二、一般条件下的库仑主动土压力计算按挡土墙位移的不同，可以形成不同的土压力，当挡土墙向外移动时，土压力随之减少，直到墙后主体沿破裂面下滑而处于极限平衡状态，此时作用于墙背的土压力称为主动土压力；第六章挡土墙设计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；墙处于原来位置不动时，土压力介于两者之间，称为静止土压力。库仑理论的基本假设：A、当挡土墙向前滑移时，墙后土体将形成一个沿墙背和破裂平面向下滑动的破裂棱体，此时土楔体处于主动应力状态；B、墙后土体为均质松散颗粒，粒间仅有摩阻力而无粘结力存在。挡土墙和土楔体都是无压缩或拉伸变形的刚体；C、土楔体刚形成时，土楔在自重与墙背反力及破裂面反力的作用下保持静力平衡，故土体处于极限平衡状态。第六章挡土墙设计路基挡土墙因路基形式和荷载分布的不同，土压力有多种计算图式。以路堤挡土墙为例，按破裂面交于路基面的位置不同，可分为五种图式：破裂面交于内边坡；破裂面交于路基面（含三种情况：交于荷载的内侧、中部、外侧）；破裂面交于外边坡。1、破裂面交于内边坡最大主动土压力计算公式（6-6）~（6-7）；2、破裂角交于路基面（1）破裂面交于荷载中部主动土压力计算公式（6-9）~（6-10）；第六章挡土墙设计（2）破裂面交于荷载外侧计算式（6-11）；（3）破裂面交于荷载内侧计算式（6-12）；3、破裂面交于外边坡计算公式（6-13）~（6-14）；其它类型的挡土墙：当为路肩墙时，把式中的a、b取为0；对于俯斜墙背，倾角取正，垂直取为0，仰斜取为负；当荷载沿路肩边缘布置时，取d=0。计算挡土墙压力首先是确定产生最大压力的破裂面，求出破裂角，但这在事先并不知道，必须进行试算。第六章挡土墙设计试算时，通常先假定破裂面位置通过荷载中心，算出破裂角，与原定相比较，看是否符合，如此反复，最后根据破裂角计算最大主动土压力。三、大俯角墙背的主动土压力——第二破裂面法出现第二破裂面的条件是：墙背或假想墙背的倾角大于第二破裂面倾角；在墙背或假想墙背上产生的抗滑力大于其下滑力，使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑。一般为避免土压力过大，俯斜式挡土墙很少采用平缓背坡，故不易出现第二破裂面。衡重式的上墙或悬臂式挡土墙，因系假想墙背，只要满足第一个条件，即出现第二破裂面。第六章挡土墙设计设计时，首先加以判别；然后再用相应的计算公式。具体做法：先拟定两组破裂面，按相应边界条件公式算出破裂角，以确定第一破裂面的位置；如与假定相符，再按此边界条件相对应的公式计算第二破裂面倾角；如果墙背倾角大于第二破裂面倾角，表明有第二破裂面出现，应按出现第二破裂面的库仑公式计算相应土压力；否则，不会出现第二破裂面，应按一般库仑公式计算土压力。四、折线形墙背的土压力计算对于这类墙背，以墙背转折点或衡重台为界，分成上墙与下墙，分别按库仑方法计算上、下墙的主动土压力，然后取两者的矢量和作为墙的土压力。第六章挡土墙设计（1）上墙土压力计算计算上墙土压力时，不考虑下墙的影响，凸形墙背上墙按俯斜墙背计算其土压力；衡重式挡墙的上墙，由于衡重台的存在，通常将墙顶内缘与衡重台外缘的连线作为假想墙背，假想墙背与实际墙背间的土楔体假设与实际墙背一起移动。计算土压力时，先根据墙背倾角或假想墙背倾角是否大于第二破裂面倾角，判断是否出现第二破裂面，如出现第二破裂面，按第二破裂面的主动土压力公式计算作用于上墙的土压力；如不出现第二破裂面，以实际墙背或假想墙背为边界条件，按一般直线墙背库仑主动土压力计算。（2）下墙土压力计算常用的方法有两种：第六章挡土墙设计A、延长墙背法在上墙土压力算出后，延长下墙墙背交于填土表面，以此面为假想墙背，根据延长墙背的边界条件，用相应的库仑公式计算土压力，并绘出墙背应力分布图，从中截取下墙部分的应力图作为下墙的土压力，将上下墙两部分应力图叠加，即为全墙土压力。此法误差较大，但简易，应用较多。B、力多边形法在墙背土体处于极限平衡条件下，作用于破裂棱体上的诸力，应构成矢量闭合的力多边形。在算得上墙土压力后，就可绘出下墙任一破裂面力多边形。利用力多边形来推求下墙土压力，这种方法叫力多边形法。第六章挡土墙设计五、粘性土土压力计算库仑理论只考虑不具有粘聚力的砂性土的土压力问题，迄今为止，尚无一种切合实际的有效方法进行粘性土的土压力计算。只能以库仑理论为基础计算粘性土主动土压力的近似方法——等效内摩阻角法和力多边形法，计算粘性土的土压力。（1）等效内摩阻角法这种方法在设计粘性土填料的挡土墙时，将内摩阻角与单位粘聚力，换算成较实有内摩阻角值大的等效内摩阻角来代替，然后按砂性土的库仑土压力计算公式计算土压力。等效内摩阻角可以按换算前后土的抗剪强度相等或土压第六章挡土墙设计力相等的原则来计算，一般是把粘性土的内摩阻角增大5~10度，或取等效内摩阻角为30~35度。（2）力多边形法计算公式（6-34）~（6-37）六、不同土层的土压力计算采用近似的计算方法，首先求得上一土层的土压力及其作用点高度，并近以地假定：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仑公式计算，然后截取下一土层的土压应力图形为其土压力。计算公式见（6-38）~（6-39）；七、有限范围填土的土压力计算如果挡土墙修在陡坡的半路堤上，或者山坡土体有倾向第六章挡土墙设计路基的层面，则墙后存在着已知坡面或潜在滑动面，当其倾角陡于由计算求得的破裂面的倾角时，墙后填料将沿着陡坡面下滑，而不是沿着计算破裂面下滑，此时作用在墙上的主动土压力为（6-40）；八、被动土压力计算用库仑土压力理论计算的被动土压力，常常有很大的偏于不安全的误差，因此在许多情况下，式（6-41）是不能采用的。当建筑物的设计要求考虑土的被动抗力时，应对被动土压力的计算值进行大幅度折减。九、车辆荷载换算及计算参数1、车辆荷载换算可将车辆荷载近似地按均布荷载考虑，换算成重度与墙后填料相同的均布土层。第六章挡土墙设计（1）按墙高确定的附加荷载强度进行换算按公式（6-42a）换算；（2）根据破裂棱体范围内布置的车辆荷载换算按公式（6-42b）~（6-43）2、计算参数（1）填料的计算内摩擦角和重度参照表6-6执行；（2）墙背摩擦角参照表6-7执行。第六章挡土墙设计第四节挡土墙设计总则一、挡土墙的荷载组合见表6-8~6-9二、挡土墙的设计原则挡