第三章-悬臂式及扶壁式支挡结构

新型支挡结构新型支挡结构第三章悬臂式与扶壁式支挡结构设计与计算本章内容第二节悬臂式支挡结构构造第三节悬臂式支挡结构力学分析模型和土压力计算第四节悬臂式支挡结构设计第五节扶壁式支挡结构构造第六节扶壁式支挡结构设计第七节悬臂式（扶壁式）支挡结构制作与施工第八节算例第一节概述第一节概述3.1.1发展和类型悬臂式和扶壁式挡土墙是一种轻型、新型支挡结构。它依靠墙身自重和墙底板以上填筑土体（包括荷载）的重力维持挡土墙的稳定，其主要特点是厚度小、自重轻，挡土高度较高，而且经济指标也比较好，适用于石料缺乏和地基承载力较低的填方地段。通过工程实践证明，该结构具有良好的社会效益和经济效益。悬臂式挡土墙由立臂（墙面板）和墙底板（包括墙趾板和墙踵板）组成，如图3-1，其立臂为固结与墙底板的悬臂板。当悬臂式挡土墙墙高大于6m时，立臂下部弯矩增大，耗用钢筋较多，且变形不易控制因此，一般沿墙长方向，每隔一定距离加设扶壁，使立臂与墙踵板相互连接起来，这种结构形式称为扶壁式挡土墙（如图3-2），主要由立臂、墙踵板、墙趾板和扶壁组成。3.1.2结构和力学特点悬臂式挡土墙的结构稳定性是依靠墙身自重和墙踵板上方填土的重力来保证的，而且墙趾板也显著的增加了抗倾覆稳定性，并大大减小了基底应力，因此，悬臂式挡土墙的整体稳定性与墙底板的宽度有关，增大墙底板宽度，可以提高挡土墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性，减少基地应力。悬臂式挡土墙主要特点是构造简单，施工方便，墙身断面较小，墙身断面较小，污工量省，占地较少，自身重量轻，可以较好的发挥材料的强度性能，常用于填方路段作路肩墙或路堤墙使用。悬臂式挡土墙在城市道路中，也可以采用装配式，主要包括帽石、墙面板、现浇混凝土基础及天然地基等部分，其中帽石、墙面板及钢筋混凝土基础等均可按定型进行设计。由于墙面板的高度、结构尺寸及配筋等均采用定型化设计，解决了十分复杂繁琐的检算和配筋工作，给设计及施工都带来的便利有以下几点：第一，墙面板可以在预制构件厂或基地集中进行预制，既能保证制作质量，提高工作效率，又可以降低工程造价；第二，施工中采用机械化施工程度较高，可以连续快速作业，保证施工质量，提高施工效率；第三，悬臂式挡墙外形美观、明快，与城市环境相协调。根据《铁路工程设计手册》上规定，当悬臂式挡墙支护高度超过6m时，须在挡墙上增设扶壁。在悬臂式挡墙上增加扶壁能除有效的增加挡墙支挡高度以外，还能改善立板和墙锺板的受力条件，减小立臂的变形；在悬臂式上设置扶壁主要的目的是提高其支挡高度，又能充分的利用悬臂式的特点，从而在支挡结构设计上达到最优化、最经济的目的。从结构上来说，当在悬臂式挡墙上增加扶壁以后，扶壁与立板和底板成固定连接，起着拉住和固定立板的作用；立板则起着挡土的作用，底板则承受填土的竖直压力，以保持挡土墙的整体稳定性，即保持其抗滑稳定性和抗倾覆稳定性。从力学上来说，增设扶壁以后，作用在实际墙背上的土压力分布将产生一定的变化，立板与扶壁接触面由原来的土压力转变为拉力，从而约束了挡墙的水平位移，虽然作用在立板上的力复杂化了，但是减小了作用在立板底部上的弯矩，对于挡墙的安全性能有所提高，同样的道理，作用在墙锺板上的力也变的复杂。在进行扶壁设计时，一般将扶壁视为固结于墙锺板的T型变截面悬臂梁，墙面板可视为扶壁的翼缘板。翼缘板的有效计算宽度由墙顶向下逐渐加宽，一般在计算中只考虑主动土压力的水平分力。增设扶壁改善了作用在挡墙墙背上的土压力分布，约束了立臂的水平位移，当对墙后位移要求较高时，通过增设扶壁来达到要求不失为一种选择。第二节悬臂式支挡结构构造3.2.1立臂悬臂式支挡结构是由立臂和墙底板两部分组成。为便于施工，立臂内侧（即墙背）做成竖直面，外侧（即墙面）可做成1：0.02～1：0.05的斜坡，具体坡度值将根据立板的强度和刚度要求确定。当支挡结构墙高不大时．立臂可做成等厚度。墙顶的最小厚度通常采用20～25cm。当墙高较高时，宜在立板下部将截面加厚。3.2.2墙底板墙底板一般水平设置。通常做成变厚度，底面水平，顶面则自与立板连接处向两侧倾斜。墙底板是由墙踵板和墙趾板两部分组成。墙踵板顶面倾斜，底面水平，其长度由全墙抗滑稳定验算确定，并具有一定的刚度。靠立板处厚度一般取为墙高的1/12～1/10,且不应小于20～30cm。墙趾板的长度应根据全墙的倾覆稳定、基底应力（即地基承载力）和偏心距等条件来确定，一般可取为0.15～0.3B，其厚度与墙踵相同。通常底板的宽度B由墙的整体稳定来决定，一般可取墙高度H的0.6～0.8倍。当墙后为一地下水位较高，且地基承载力很小的软弱地基时，B值可能会增大到1倍墙高或者更大。见图2-1。3.2.3凸榫为提高挡土墙杭滑稳定的能力，底板设置凸棒，如图3-1和3-3。凸榫应设在正确位置上。凸榫的高度，应根据凸榫前土体的被动土压力能够满足全墙的抗滑稳定要求而定。凸榫的厚度除了满足混凝土的直剪和抗弯的要求以外，为了便于施工，还不应小于30m。图3-3凸榫的设置第三节悬臂式支挡结构力学分析模型和土压力计算3.3.1假想墙背土压力分析模型及计算一般而言，对于悬臂式挡土墙采用库仑土压力理论。在计算悬臂式挡土墙土压力的时，首先就是计算墙面的选择，当悬臂式挡土墙在填土压力的作用下，墙体产生背离填土方向的位移和变形，其值达到一定大小时，墙后填土即处于主动极限平衡状态，此时填土内将产生以墙脚D点为准的两个滑动面，如图3-4中DE面和AC面。AC面为计算墙面，即设想填土所产生的主动土压力是作用在AC面上，然后通过土体ABC传递到墙面（即立板背面）AB上。但是作为计算墙面，AC面与竖直面之间的夹角应满足条件其中为填土的内摩擦角，如若，则应从C点作与竖直面的夹角等于的平面CF作为计算墙面。)245()245()245(3.3.2实际墙背力学分析模型和土压力计算假想墙背土压力的计算可以采用上述的土压力计算方法进行计算，而在实际的设计计算中，往往也需要知道实际墙背的土压力值，下面将实际墙背的计算方法作一简要的说明。设想从土体ABCF中取出一个厚度为dz，距填土表面的深度为z的微分土层abcd，则在该微分土层上的作用力如上图3-5所示。在微分土层上作用上作用有土层的重力g，作用方向竖直向下；土层顶面的竖直正应力q，均匀分布在土层顶面oade上，作用方向向下；土层底面的的竖直正应力（q+dq），均匀分布在土层底面bcfg上，作用方向向上；在计算墙面dcfe上作用有主动土压力pz，均匀分布在面积dcfe上，作用方向指向立板，作用线与dcfe面的法线成角（为填土的内摩擦角），位于法线的上方；在靠立板的平面oabg上，作用有侧向土压力ez,均匀分布在oabg面上，作用方向指向填土，作用线与oabg平面的法线成角，位于法线的下方；考虑到沿挡土墙长度方向，土体之间无相对位移，故在土层两侧平面abcd和oefg上法向反力r，作用方向指向土层。00根据静力平衡条件，通过理论推导可以得出：1）作用在底板上的竖直土压力强度当填土表面作用均布荷载时，作用在底板上的竖直方向的土压力强度为：0x0q220000001122tancqHHHHqH式中：——由立板顶端（填土表面）到底板表面的高度（m）。0H（3.2）当填土表面无荷载作用时，作用在底板上的竖直方向的土压力强度为：22000001122tancqHHHHH00tantanQqbH则作用在底板上的总的竖直土压力（3.3）（3.2）式中：Q——作用在底板上的总竖直土压力2）作用在实际墙背上的侧向土压力强度当填土表面作用均布荷载时，由静力平衡条件可得0xcoscoscoscos0zzpe00coscos2coscoszaaaezKcKqK（3.4）（3.5）则：00coscoscoscoszaaezKqK02000coscos122coscosaaaEHKqHKcHK0200coscos122coscosaaEHKcHK则作用在立板上的侧向总土压力，当填土表面作用均布荷载时当填土表面无荷载作用时当填土表面无荷载作用时，第四节悬臂式支挡结构设计悬臂式支挡结构设计分为墙身截面尺寸拟定及钢筋混凝土结构设计两部分。确定墙身的断面尺寸是通过试算法进行的，其做法是先拟定截面的试算尺寸，计算作用其上的土压力，通过全部稳定验算来最终确定墙踵板和墙趾板的长度。钢筋混凝土结构设计，则是对已确定的墙身截面尺寸进行内力计算和钢筋设计。在配筋设计时，可能会调整截面尺寸，特别是墙身的厚度。一般情况下这种墙身厚度的调整对整体稳定影响不大，可不再进行全墙的稳定验算。悬臂式支挡结构，一般以墙长方向取一延长米计算。悬臂式支挡结构设计流程如图3-6。3.4.1墙身截面尺寸的拟定可以参考以往成功的设计，初步拟定出试算的墙身截面尺寸，墙高H是根据工程需要确定的，墙顶宽可选用20cm。墙背取竖直面，墙面取1：0.02～1：0.05的倾斜面，因而定出立臂的截面尺寸。底板在与立臂相接处厚度为（1／12～1／10）H，而墙趾板与墙踵板端部厚度不小于30cm；其宽度B可近似取（0.6～0.8）H，当遇到地下水位高或软弱地基时，B值应增大。（1）墙踵板长度墙踵板长度可按下式确定：一般情况下有凸榫时3.10xEGfK0.1xcEGfK(3.9)1）路肩墙，墙顶有均布荷载h0、立臂面坡度为零时(如图3-7a）所示)2）路堤墙，墙项地面与水平线呈β角，立臂面坡的坡度为零时(如图3-7b）所示)3）当立臂面坡的坡度为1:m时，上两式应加上立臂面坡修正长度ΔB。（如图3-7c）所示）203BhHfEKBxctan2133BHffEEKByxc1321mHB（3.10）（3.11）（3.12）上述式中：Kc——滑动稳定系数；f——基底摩擦系数；γ——填土容重；h0——活荷载的换算上层高；Ex——主动土压力水平分力；Ey——主动土压力竖直分力；ΣG——墙身自重力、墙踵板以上第二破裂面（或假想墙背）与墙背之间的土体自重力和土压力的竖向分量之和。μ——容重修正系数。（2）墙趾板长度1）路肩墙［如图3-7a）所示］3200125.025.0BBKfHBHcH（3.13）式中：Kh00。HKH；2）路堤墙［如图3-7b）所示］3203125.0tan5.0BBBKfBH（3.14）如果由B＝B1+B2+B3计算出的基底应力。σ[σ]，或偏心距e＞时，应采取加宽基础的方法加大B1，使其满足要求。6B3.4.2土压力计算可参见第二章，也可依据《路基工程设计手册》进行计算。3.4.3墙身内力计算（1）立臂的内力立臂为固定在墙底板上的悬臂梁，主要承受墙后的主动土压力与地下水压力。墙前的土压力一般不考虑，立臂较薄，自重小可略去不计，立臂按受弯构件计算，各截面的剪力、弯矩按下列公式计算（见图3-8）：2/201KzhzQx6/3021KzhzMx（3.15）式中：Q1z——距墙顶z处立臂的剪力；M1z——距墙顶z处立臂的弯矩；z——计算截面到墙顶的距离；γ——填土的容重；h0——列车、汽车等活载的等代换算立柱高；Ka——主动土压力系数。（2）墙踵板的内力墙踵板是以立臂底端为固定端的悬臂梁。墙踵板上作用有第二破裂面（或假想墙背）与墙背之间的土体（含其上的列车、汽车等活载）的自重力、墙踵板自重力、主动土压力的竖直分量。地基反力、地下水浮托力、板上水重和静水压力等荷载作用。内力计算如图3-9。无地下水时，可用下式计算：BBBBHhBQxxyykyxx2/2/2131212122