第六章 挡土墙设计.doc

第六章 挡土墙设计
　　　　　　　　发表日期：2008-6-10
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§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NR>NG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、Ⅴ
  2．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/A
  2）偏心作用：
    e=B/2-ZN
    当e≤B/6：

    当e>B/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=γHc A
  2.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.锚定板设计
  2.锚定板挡土墙的整体稳定性（与拉杆长度有关）
    滑动面的假定：
  1)群锚理论－土墙假定
  2)双拉杆设计理论－折线滑动面假定
§6-7 加筋土挡土墙
一、构造
    墙面的平面线形可采用直线、折线和曲线。
    筋带一般应水平布设并垂直于面板。
    横断面形式一般应采用矩形。
    加筋体填料压实度要满足规定。
    墙面的平面线形可采用直线、折线和曲线。
    筋带一般应水平布设并垂直于面板。
    横断面形式一般应采用矩形。
    加筋体填料压实度要满足规定。
    加筋土挡土墙设置沉降缝，其间距对土质地基为10-30m、岩石地基可适当增大。
    沉降缝、伸缩缝宽度一般为1-2cm，可采用沥青板、软木板或沥青麻絮填塞。
    墙高大于20m时，应进行特殊设计。
    加筋土桥台： 整体式、内置组合式、外置组合式
二、加筋土挡土墙结构计算
    内部稳定性：筋带在拉力作用下的断裂破坏和砌体拉拔破坏
    外部稳定性：地基应力、基底滑移和倾覆
  1.活动区与稳定区
    简化破裂面：最大拉力点连线
  2.加筋挡土墙（筋带受力计算）
  1）加筋体自重对I层筋带产生的拉力Th
  2）加筋体上路堤填土对I层筋带产生的拉力Tf
  3）车辆荷载对I层筋带产生的拉力Tc
  3.筋带设计断面
  1）筋带设计断面面积
  2）筋带长度
  4.总体平衡法验算
    基础底面承载力
    基底抗滑移
    整体抗倾覆