5.挡土墙设计解析

1第五讲25.1基本概念挡土墙是用来支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种结构物。1.具体用途：路基修筑时，以下八种情况下可考虑采用挡土墙。①陡坡路段②岩石风化的路堑边坡地段③为避免大量挖方或降低边坡高度的路堑地段④可能产生塌方、滑坡的不良地质路段⑤高填方路段⑥浸水路堤水流冲刷严重或长期浸水沿河⑦为节约用地减少拆迁或少占农田的地段⑧为保护严重建筑物、生态环境或其他重要处32.挡土墙各部分名称：根据挡土墙在路基横断面上的位置，可将它划分为路肩、路堤、路堑墙。此外，还有山坡墙和专门整治滑坡的抗滑挡土墙。（见下图）455.2挡土墙类型及适用范围挡土墙分类方法很多，除按位置之外还可按结构形式、建筑材料、施工方法及所处环境条件分，一般分类以结构形式为主，常见有：重力式、衡重式、悬臂式、扶臂式、加筋土式和锚定板式。还有竖向预应力锚杆，土钉及桩板式。各类挡土墙的结构形式、主要特点及适用范围，见书表6-2。挡土墙类型的选择应根据支挡填土或土体求得稳定平衡的需要，研究荷载的大小和方向、基础埋深、地形地质条件，与其它建筑物的平顺衔接，容许的不均匀沉降，可能发生的地震作用，环保的特殊要求，施工难易和工程的经济性，具体墙形需经上述综合分析比较后确定。65.3挡土墙设计基本资料一、调查、勘测的方法和内容目的:收集设计和施工所需资料，以进行经济合理的设计。依据:参照《公路工程地质勘查规范》规定进行。首先对实地调查的结果及现存的资料进行分析，掌握设置挡墙地段的地形地质概况，大体上确定构造物及其基础的形式和尺寸，然后进行正式的勘测。注意: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，挡墙起讫桩号，路基横断面图，墙趾纵断面图及地质纵横剖面图。调查项目:1、土压力设计所需要参数：γ、c、φ压实度等;2、地基承载能力参数;73、计算稳定性所需参数：基础与地基之间的基底摩擦系数。4、计算基础沉降所需参数（土层种类、厚度、密实度、地下水位高度等）。5、周围环境条件：确定墙型、基础埋深、接头形式。6、沿河挡墙需搜集洪水资料（流量、水位、水深、流速、冲刷）。7、施工条件：确定作业方法。二、挡土墙设计基本资料1、建筑物总体设计资料为了保证挡土墙与路基连接、挡土、水流、防渗排水等要求，需要有下述资料：①建筑物的工程等级及设计标准。②总体布置图，并根据总体布置要求确定挡土墙平面和立面、布置及基本尺寸要求。8③设计、建成正常运营条件下及施工前后各种水位④总体防渗排水要求确定挡土墙需满足的侧向防渗排水要求。2、墙趾地形、地质平面图一般墙布置简单，不必专门为其施测大比例尺（1:500）的工程地质平面图。但下列情况下宜有1:500～1:200的工程地质平面图：①需在纸上研究布置挡土墙的平面位置地段。②需选择不同方向的地形，地质剖面，而现场勘测又不易掌握选择的地段。③挡墙设计牵涉到有关改河、改向、改移公路、拆迁建筑物等路段。3、墙趾地质纵断面图在地形或地基土质纵向起伏变化不大的地段，应有墙趾地质纵断面图，一般采用横纵比例尺一致。94、地质横断面图一般1:200比例尺①断面间距视地形、地质变化情况而定，以能满足设计施工要求为准，复杂情况下横断面间距采用5～10m，基础标高变化不大的采用10～25m，在墙的两端应适当加密，以便确定挡墙起讫位置。②横断面宽度，精度除满足路基设计要求外，要考虑计算土压力的需要，因此，代表性横断面较一般断面宽些。5、挡土墙设计主要物理力学指标一般可通过调查比较，参考已有工程实践经验确定，或选用推荐值。特殊填料如粘土或高挡墙填土，应尽可能由试验取得。锚杆抗拔力，锚板抗拔力，拉筋抗拔力等宜通过拉拔试验取得可靠数据。6、水文资料主要是地面水及地下水资料，应了解其性质和流10量，以便分析采用土的物理力学性质指标，分析静水、动水土压力的影响，争取必要的排水措施。浸水挡土墙应收集的资料：①河床土的粒径，水流的流量、流向，河流的变动和下切情况，以此来确定挡墙基础埋深。②各种水位（枯、丰设计水位）洪水季节洪峰持续时间。7、其它资料（主要确定埋深）①冻结深度，②冲刷深度，③气象、地震和水质对圬工作用等资料。三、常用设计参数1.墙背填土的物理力学性质。H≥5m，原则要求实测，H5m，可查表确定φ、γ。112.墙背摩擦角δ，一般由φ值确定。根据墙背粗糙程度和排水条件由表查取。3.基底摩擦系数μ，由基地粗糙程度、排水条件和土质确定，无试验资料的可查表。δ和μ概念基本相同，但边界条件不同，后者紧密，前者松散。4.拉筋的摩擦系数f*应由试验确定。5.基础承载力，主要是土质地基承载力与地基物理力学性质、地面形态、基础埋深、基底倾斜度有关，可由地质调查，钻探试验以及与既有建筑物对比形态确定。6.建筑材料容重，可查表确定。7.砌体容许应力的设计强度，砼的容许应力与设计强度，均可查表选取。125.4挡土墙的稳定性验算一、挡土墙的破坏形式及强度与稳定性要求1.破坏形式1）由于基础滑动而造成的破坏，2）墙身绕墙趾转动，3）基础产生过大或不均匀沉陷引起墙身倾斜，4）衡重式、折线式因墙身材料强度不够而产生的墙身剪切破坏，5）基础软弱造成土基剪切破坏。2.强度与稳定性要求挡土墙必须具有足够的稳定性和结构强度以承受土压力，设计时应针对上述这几种可能的破坏形式分别验算。13二、稳定性验算（一）抗滑动稳定性验算抗滑动稳定系数：][)(cxycKEfEGK滑动力抗滑力式中：G——墙自重，Ex、Ey——主动土压力Ea的分力F——基底摩擦系数，可由试验确定若Kc[Kc]，应采取抗滑措施，改变尺寸或基础形式重算。（二）抗倾覆稳定性以墙趾为转轴，验算向外转动倾覆的能力。][000KzEzEzGMMKxxyyGy倾覆力矩抗倾覆力矩14若K0[K0]，应采取抗倾覆措施后再算。为保险起见，稳定验算不计墙趾前被动土压力Ep。（三）基底应力及合力偏心距验算为保证挡土墙基底应力不超过地基允许承载力，同时，为避免产生不均匀沉降，应对它进行基底应力验算，并要控制作用于基底的合力偏心距。如下图：NZBe2合力偏心距为：yxxyyGNEGZEZEGZZ15在偏心荷载作用下，基底最大和最小法向应力为：][)61(021BeBEGy基底压应力不得大于地基的容许承载力[σ0]，当考虑主力和附加力组合时，地基容许承载力可提高20％。当按主力计算时，墙踵的基底压应力可超过地基的容许承载力，一般地区最大不得超过30％。当lel＞B／6时，基底的一侧将出现拉应力，考虑到在一般情况下地基与基础间不能承受拉力，故不计拉力而按应力重分布计算基底最大压应力。如下图，基底应力图形将由虚线图形变为实线图形。实线三角形的形心必在的作用线上，故基底压应力三角形的底边长度等于3ZN0于是，有NNZN321max16故最大压应力为：][)2/(3)(2320maxeBEGZNyN（四）墙身截面强度检算1.验算断面的选择一般在墙身底部、1/2墙高和断面急剧变化处，衡重式与填土土压力大致平行的截面(3-3)2.法向应力检算取断面以上的墙重G及土压力E，设二者合力为R，其竖向分力和水平分力为和。TN17作用在截面上的合力偏心距e为:63.011BeB截面上的法向应力为时：61Be时，截面上的最大应力为式中：[σa]——圬工砌体容许的承压应力。183.剪应力检算式中：——圬工容许剪应力，当墙身截面出现拉应力时，应考虑裂缝对受剪面积的折减。三、增加稳定性措施（一）增加抗滑稳定性1.设置倾斜基础（可增大抗滑力，减小滑动力）对一般梯形断面的重力式挡土墙，只进行墙身水平截面的平剪检算。对于衡重式挡土墙的衡重台与上墙连接处，除应进行平剪检算外，还要对倾斜截面进行斜剪检算。水平截面上的剪应力为][沿倾斜基底的抗滑稳定系数Kc为：19通常α0越大越有利，但应考虑挡土墙连地基一起滑动的可能性，为此必须控制地基倾度，要求α0不大于1:5（土质）或1:3（岩质）。为保险起见，还应验算通过墙踵的地基水平面的滑动稳定性。202.采用凸榫基础在挡土墙基础底面设置混凝土凸榫，与基础连成整体，利用榫前土体所产生的被动土压力以增加挡土墙的抗沿稳定性。为了增加榫前被动阻力，应使得前被动土体不超过墙趾。同时，为了防止因设凸榫而增加墙背的主动土压力，应使凸榫后缘与墙踵的连线同水平线的夹角不超过φ角。因此应将整个凸榫置于通过墙趾并与水平线成45-φ/2角线相通过墙踵并与水平线成φ角线所形成的三角形范围内。在设计中，应使在加设凸榫前墙身能保持基本稳定(Kc＞1)，而用凸榫增加其抗滑力以达到所要求的抗沿稳定系数。设榫后的抗滑稳定系数：21按照抗滑稳定性的要求，求得凸榫高度为：3.改善地基如在粘性土地基内掺加碎石夯实以增大摩擦系数。（二）增加抗倾覆稳定性的方法1.展宽墙趾——增大抗倾覆力矩的力臂。图b、c2.改变墙身断面类型。如地面横坡较陡时，衡重式或墙后加设卸荷平台、卸荷板。图a、b、c223.改变墙面及墙背坡度。