12支挡结构设计与施工总论.

1、支挡结构的定义及分类2、各种挡土墙的特点及适用范围（重点）3、挡土墙设计的基本原则（重点）4、设计阶段与文件组成5、挡土墙设计的前期调查、勘测方法及内容6、挡土墙设计基本资料7、作用于挡土墙上的力系（重点）8、挡土墙设计计算的一般规定（重点）9、墙后填料的选择10、施工的一般规定第十二讲支挡结构设计与施工总论一、支挡结构的定义及分类1支挡结构的定义能够保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构称为支挡结构。2应用支挡结构在各种土建工程中得到广泛的应用，如公路、铁路工程中用于支承路堤或路堑以及隧道洞口的挡土墙，支承桥台台后填土及桥梁两端路基边坡的挡土结构；水利、港湾工程中支挡河岸及水闸的岸墙；民用与工业建筑中地下连续墙的开挖支承等。随着大量土木工程在地形复杂地区的兴建，支挡结构愈加显得重要。支挡结构的设计将直接影响到工程的经济效益及安全。3挡土墙的定义支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的建筑物。4分类1）按设置的位置分为路堑挡土墙、路肩挡土墙、路堤挡土墙、山坡挡土墙、抗滑挡土墙、站台挡土墙、浸水挡土墙等。路堑墙路基路堤墙路基路肩墙路肩墙路基浸水挡土墙山坡挡土墙抗滑挡土墙2）按墙背倾角不同重力式挡土墙悬臂式挡土墙扶臂式挡土墙挡土墙轻型挡土墙锚杆挡土墙锚定板挡土墙路基加固工程加筋土挡土墙土质护堤或干砌片石垛其它加固建筑物浆砌片石补角墙支顶墙、支护墙3）按结构形式挡土墙构造二、各种挡土墙的特点及适用范围重力式1、依靠墙身自重承受土压力的作用。2、一般用浆砌片石砌筑，缺乏石料地区也可用混凝土。3、形式简单，取材容易，施工简便。4、当地基承载力低时，可于墙底设钢筋混凝土基座，以减薄墙身，减小开挖量。半重力式用混凝土灌注，在墙背设少量钢筋，并将墙趾展宽(必要时设少量钢筋)，或基底设凸榫，以减薄墙身，节省圬工。衡重式1、利用衡重台上的填土使全墙的重心后移从而增加墙身的稳定，减少断面尺寸。2、墙胸陡，下墙背仰斜，可降低墙高，减少基础开挖。3、适用于山区、地面横坡陡的路肩墙，也可用于路堑墙(兼作拦挡落石)或路堤墙。托盘式托盘式挡土墙，顶部用钢筋混凝土作成托盘及道碴槽，用于山区路肩挡土墙时，可降低墙高，节省圬工。但对地基承载力要求较高。悬臂式1、采用钢筋混凝土材料，由立臂、墙趾板、墙踵板三部分组成；断面尺寸较小。2、墙高时立臂下部的弯矩大，使用钢筋较多。3、适用于石料缺乏地区及挡土墙墙高不大于6m地段，当墙高大于6m时，可用扶臂式。扶壁式结构与悬臂式相比，实在悬臂式挡土墙的基础上沿墙长方向每隔一定距离加一道扶壁，把墙面板与墙踵板联结起来。在高墙时，较悬臂式经济。板桩式1、在深埋的桩柱间设挡土板拦挡土体；2、适用于土压力大，要求基础深埋，一般高度的挡土墙不能满足要求的情况。既可用于路堑墙，亦可用于路肩墙、路堤墙。锚杆式1、由肋柱、挡板、锚杆组成，依靠锚杆拉力维持挡土墙的平衡。肋柱、挡板可预制。2、适用于石料缺乏、挡土墙高度超过12m，或开挖基础有困难地区，一般较宜用于路堑墙。3、小锚杆挡土墙：锚杆短，适用于岩层边坡覆盖层薄的地段。锚定板1、结构特点与锚杆式相似，只是在锚杆的端部用锚定板固定于稳定区。2、填土易将锚杆压弯，产生次应力。3、适用于路堤、缺乏石料地区。垂直预应力锚杆式1、利用锚杆的竖向预应力，代替墙身的重量作用，抵御土压力，节省圬工。2、适用于岩石地基。加筋土式1、由墙面板和拉筋组成，结构简单，施工方便。2、对地基承载力要求小。3、在铁路工程中对拉筋的使用年限和更换尚在研究中。支挡结构应能保证填土、物料及构筑物本身的稳定。构筑物自身应具有足够的强度，从而可保证结构的安全正常使用。同时，在设计中还应作到经济合理。设计基本原则为：三、挡土墙设计的基本原则(一)保证支挡结构安全正常使用应满足的要求：1．支挡结构不能滑动；——抗滑稳定性检算2．支挡结构不能倾覆；——抗倾覆稳定性检算3．支挡结构不能有过大的沉陷；4．保证墙身具有足够的强度；——墙身截面检算5．保证地基具有足够的强度。——地基应力检算(二)根据工程用途的要求、地形及地质等条件综合考虑，以确定支挡结构的平面布置及其高度；(三)应认真分析地形、地质、填土性质、荷载条件，当地的材料供应及现场地区技术经济各种条件，确定支挡结构类型及截面尺寸；(四)应保证支挡结构设计符合相应规范、条例的要求；(五)在设计中力争使支挡结构与环境协调；(六)应对施工给出指导性意见；(七)为保证支挡结构的耐久性，在设计中应对使用中的维修给出相应规定。支挡结构的设计阶段和文件的组成，均取决于整体工程的设计阶段及对组成文件的要求。有时为了争取工期，也可能早于整体工程的设计阶段。通常可将设计阶段分为以下两种：1．两阶段设计：初步设计和施工设计；2．一阶段设计：施工设计。四、设计阶段与文件组成初步设计阶段：根据设计任务书中确定的主要技术条件，确定支挡结构修建的可行性，对其平面布置、结构类型作出综合考虑，确定最佳方案，并给出工程量及造价的概算。对个别高墙及控制工程提出设计原则。施工设计阶段：最后确定支挡结构的平面布置，选定支挡结构类型、截面形式及构造，决定整个结构的全部尺寸，给出工程数量及造价，对控制工程及独立的高墙作出单独设计。施工设计应给出平面布置图、纵断面图、墙的大样图、相关的一些构造图、工程量及造价计算表以及设计说明书。在必要时应包括基坑的平面图和断面图。一阶段设计如果是一阶段设计时，将上述两设计阶段工作结合起来一次完成。五、挡土墙设计的前期调查、勘测方法及内容调查、勘测的目的：收集设计和施工所需的资料，以进行经济合理的设计。调查、勘测的方法及范围：调查、勘测的方法及范围应根据挡土墙的规模、重要程度和设置的环境来决定。一般情况下，可参照《铁路工程地质勘察规范》的规定进行，首先对实地调查的结果及现存的资料进行分析，掌握设置挡土墙地点的地形、地质概况，大体确定构筑物及其基础的形式和尺寸，然后进行正式勘测。在施工图设计阶段，应收集加密的挡土墙路段的路基横断面图、挡土墙起讫桩号路基横断面图、墙址纵断面图及地质纵、横剖面图。一般的调查项目如下：1．土压力设计参数(如土的分类名称、容重、密实度、内摩擦角等)。应根据工程规模和设计阶段，按经验或土工试验求得。2．地基承载力计算参数。地基调查深度应该根据承载力、沉降、滑坍等可能影响的范围确定，确定剪切参数的范围约为1.5H(H为从基础底面至墙背填土顶面的高度)，而求沉降参数的范围宜为3.0H，如果遇到软弱地层或可能发生滑坍破坏尚须扩大调查范围。3．验算稳定性所需设计参数。应调查确定基础与地基土间的基底摩擦系数。4．计算基础沉降所需参数。应调查土层的种类、厚度、密实度、地下水位的高度及其变化情况等。5．周围环境条件。在确定挡土墙的结构类型、基础埋置深度时，除了对挡土墙的设置位置进行调查外，还应注意其与周围环境的相互影响。不仅要考虑建成之后的影响，还要考虑施工过程中各种条件的相互影响，例如水的化学成分、水位变化对锚定式挡土墙、加筋土挡土墙的影响就特别重要，挡土墙的崩塌事故大都是受集中暴雨的影响使土中水分增加而引起的，故对水位变化和排水条件应认真调查。6．沿河挡土墙应按路基设计要求调查洪水流量、水位、水深、流速、冲刷等资料。7．施工条件。这与施工方式的选择有关，应调查施工现场的地面、作业空间、原有构筑物及地下埋设物的情况；调查施工安全问题及其对周围的影响；以及调查施工中可能出现的噪声、振动、污水、粉尘等可采用的处置办法。挡土墙设计时，应具备的基本资料主要有以下几个方面：1．建筑物总体设计资料2．墙址地形、地质平面图3．墙址地质纵断面图4．地质横断面图5．挡土墙设计主要物理力学指标6．水文资料7．其他资料(1)在冰冻地区应具有冻结深度，地基及填土的冻胀性指标，如冻胀量、冻胀力等资料；(2)墙前无护砌、有冲刷水流作用时，应具有地基土的抗冲性能资料，据以计算冲刷深度，确定墙基埋置深度；(3)气象、地震和水质对圬工作用等资料。六、挡土墙设计基本资料七、作用于挡土墙上的力系作用在挡土墙上的荷载按作用的时间长短及是否随时间改变等可划分为三类：1）永久荷载2）可变荷载3）偶然荷载作用于挡土墙上的永久荷载有：1．挡土墙自重；2．填土作用于墙背上的主动土压力；3．墙前土体作用于墙面上的被动土压力(一般设计中不考虑，但有条件保证墙前土永远存在时方可考虑)；4．填土中的地下水压力或常水位时的静水压力与浮力；5．铁路、公路传来的列车、汽车荷载，或填土上其它工程的超载引起的土压力；6．由以上荷载引起的基底的竖向反力；7．基底的摩擦力。作用于挡土墙上的可变荷载有：1．计算水位的静水压力和浮力；2．水位退落时的动水压力：3．波浪压力；4．冻胀力和冰压力；5．温度荷载；作用于挡土墙上的偶然荷载有：1．地震荷载；2．施工及临时荷载，如起吊机、人群、堆载等。荷载组合：挡土墙设计应根据使用过程中在挡土墙上可能出现的荷载，按承载能力和正常使用极限状态进行荷载效应组合，并取不利的荷载组合进行设计。1）工程中经常遇到的一般情况下的挡土墙，设计中只考虑主要力系(即永久荷载)的影响，2）在浸水和地震等特殊情况下，还应考虑附加力(可变荷载)和特殊力(偶然荷载)的作用。八、挡土墙设计计算的一般规定G——挡土墙每延米自重；x0——挡土墙重心离墙趾的水平距离；α0——挡土墙的基底倾角；α——挡土墙的墙背与水平面的夹角；δ——土对挡土墙墙背的摩擦角；B——基底的水平投影宽度；z——土压力作用点离墙踵的高度；μ——±对挡土墙基底的摩擦系数。（一）、挡土墙设计时的强度与稳定性分析挡土墙设计必须满足的基本要求如下：抗滑安全系数：1．挡土墙的稳定性，应符合下列要求：抗倾覆安全系数式中：P一基础底面的平均压力设计值；[σ]——地基承载力值。2．挡土墙的基底应力应满足：当轴心荷载作用时式中：Pmax——基础底面边缘处的最大压力设计值。当偏心荷载作用时，除满足上式的要求外，尚应符合下式的要求：当基底下有软弱夹层时，应验算下卧层的承载力，并按下式进行地基稳定验算(圆弧滑动面)式中：MR——抗滑力矩；MS——滑动力矩。当滑动面为平面时，稳定安全系数应提高为1.3。3．墙身的强度计算下页为截面正应力计算图。截面正应力计算图Gl——计算截面以上的墙重：Eaz1、Eax1——计算截面以上主动土压力的竖向、水平向的分力；e1——计算截面处的偏心距：B1——计算截面处的截面宽度；x——Gl到计算截面左边的距离；xf1——Eaz1到计算截面左边的距离；zf1——为Eax1到计算截面的高度：f、ftm——砌体或混凝土的抗压、抗拉强度设计值；fv——砌体抗剪强度设计值。对一般挡土墙，必须保证：正应力强度偏心距剪应力强度七、挡土墙设计步骤1、拟定尺寸2、抗滑稳定性检算3、抗倾覆稳定性检算4、挡土墙截面应力检算5、基底应力检算6、断面尺寸变化处的应力检算九、墙后填料的选择为保证挡土墙的安全正常及经济合理，填料的选择也是一项重要工作。选择好的填料，不仅可以使设计更合理，也可以使设计更经济和安全。1）由土压力理论可知，填土重度越大，土压力越大；填土的内摩擦角越大，主动土压力越小。所以应选择重度小，内摩擦角大的填料。一般以块石、砾石、粗砂为好。这样的填料透水性强，抗剪强度稳定，易排水，能显著减少主动土压力。2）粘性土的压实性和透水性都较差，又常具有吸水膨胀性和冻涨性，产生侧向膨胀压力，影响挡土墙的稳定性。当不得不采用粘性土时，应适当混以块石，填土必须分层夯实，保证质量。3）不能采用淤泥、耕土、膨胀粘土、块结粘土为填料。在季节性冻土区，不能用冻胀性材料。对于重要的、高度较大的挡土墙，用粘土作填料是不合适的。由于粘土性能不定，干燥时体积易收缩，而在雨季时易膨胀，交错性的收缩与膨胀，在挡土墙上形成的侧压力无法正确考虑，其数值有时比计算的土压力大许多倍，它会使挡土墙外移，甚至使挡土墙失去作用和毁坏。4）填料计算指标的确定，如填料的重度γ，抗剪强度指标c、φ，填料与墙