5第五章 挡土墙设计.ppt
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1、第五章 挡 土 墙 设 计,福建工程学院土木工程系 市政工程教研室,秦泽豹 13599040329 QQ:55874517,第一节、挡土墙的基本概念 第二节、挡土墙的类型及适用范围 第三节、挡土墙的土压力计算 第四节、挡土墙验算,一、概 述,1.挡土墙的概念及用途 挡土墙是用来支撑天然边坡或人工填土边坡,以保持土体稳定的构筑物。,第一节 挡土墙的基本概念,(1)陡坡地段; (2)岩石风化的路堑边坡地段; (3)为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段; (4)可能产生坍方、滑坡的不良地质地段; (5)高填方地段; (6)水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段; (7)为节约用地、减少拆迁或少占
2、农田的地段; (8)为保护重要建筑物、生态环境或其他特殊需要的地段。, 路堤挡土墙 常设置在高填路堤或陡坡路堤的下方, 确保路基稳定。收缩路堤坡脚,减少填方数量。,2.挡土墙的常见用途, 路肩挡土墙 节约用地、保护沿线重要建筑物,保证路堤稳定;, 路堑挡土墙 设在路堑底部, 支撑开挖后不能自行稳定的边坡; 降低边坡高度, 减少挖方数量。, 浸水挡土墙 避免沿河路基挤缩河床,防止路基水流冲刷边坡。, 山坡挡土墙 防止山坡覆盖层或堆积坡体下滑。通常采用片石砼挡土墙支挡。, 抗滑挡土墙 用于滑动地段,在滑坡体下方设置的挡土墙,可稳定滑坡岩土体。, 桥头挡土墙支承桥梁上部建筑及保证桥头填土稳定。,二、
3、挡土墙各部分名称,墙身靠填土(或山体)一切工作侧称为墙背,大部分外露的一侧称为墙面(或墙胸),墙的顶面部分称为墙顶,墙的底面部分则称为墙底,墙背与墙底的交线称为墙踵,墙面与墙底的交线称为墙趾。墙背与铅垂面的夹角称为墙背倾角,一般用表示;工程中常用单位墙高与其水平长度之比来表示,即可表示为1:n 。墙踵到墙顶的垂直距离称为墙高,用H 表示。,第二节 挡土墙的类型及适用范围,类型 (1)在路基横断面上位置:分为路肩墙、路堤墙及路堑墙。 当墙顶置于路肩时,称为路肩式挡土墙; 当挡土墙支撑路堤边坡,墙顶以上尚有一定的填土高度,则称为路堤挡土墙,又称坡脚式挡土墙; 当挡土墙用于稳定路堑边坡,称为路堑式挡
4、土墙; 当设置在山坡上用于防止山坡覆盖层下滑的挡土墙,称为山坡挡土墙。,(2)根据所处环境和作用:可分为一般地区挡土墙、浸水地区挡土墙、地震地区挡土墙,还有用于整治滑坡的抗滑挡土墙。 (3)按墙体材料:挡土墙分为砖石挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙以及木质挡土墙。 (4)按结构形式:重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式、锚定板式、竖向预应力锚杆式、土钉式和桩板式,共十种 。,重力式挡土墙,挡土墙的结构类型及特点,主要依靠墙身自重保持稳定。它取材容易,形式简单,施工简便,适用范围广泛。 多用浆砌片(块)石,墙高狡低(6m)时也可用干砌,在缺乏石料地区可用混凝土浇筑,但也不宜超过
5、12m 。 其断面尺寸较大,堵身较重,对地基承截力的要求较高。,半重力式挡土墙(钢筋混凝土),一般采用片石混凝土建造,墙身加人少量钢筋,以减薄断面,并采用较宽的墙趾,使圬工应力没有过多的富余,而稳定性又符合要求。适用范围与重力式挡墙相同,尤宜应用在限界紧迫处所。,衡重式挡土墙,上下墙背间有衡重台、利用衡重台上填土重力和墙身自重共同作用维持其稳定。其断面尺寸较重力式小,且因墙面陡直、下墙墙背仰斜,可降低墙高和减少基础开挖量,但地基承载力要求较高。多用在地面横坡陡峻的路肩墙,也可作路堤墙或路堑墙。由于衡重台以上有较大的容纳空间,上墙墙背加缓冲墙后,可作为拦截崩坠石之用。,钢筋砼悬臂式挡土墙(轻型式
6、),钢筋混凝土结构由立壁、墙趾板和墙踵板三个悬臂部分组成,墙身稳定主要依靠墙踵板上的填土重力来保证。断面尺寸较小,但墙较高时,立壁下部的弯矩大,钢筋与混凝土用量大.经济性差。多用做墙高6m的路肩墙,适用于缺乏石料的地区和承载能力较低的地基,5)钢筋砼扶壁式挡土墙(轻型式),钢筋混凝土扶壁式挡土墙由墙面板(立壁)、墙趾板、墙踵板和扶肋(扶壁)组成,即沿悬臂式挡土墙墙长方向每隔一定距离增设扶肋,把墙面板与墙踵板连接起来。适用于缺乏石料的地区和地基承载力较低的地段,墙较高(6m)时,较悬臂式经济。,6)加筋土式挡土墙,由墙面板、拉筋和填土三部分组成,借助于拉筋与填士间的摩擦作用,把土的侧压力传给拉筋
7、,从而稳定土体。既是柔性结构,可承受地基较大的变形;又是重力式结构,可承受荷载的冲击、振动作用。施工简便、外形美观、占地面积少,而且对地基的适应性强。适用于缺乏石料的地区和大型填方工程。,7)锚杆式挡土墙,由锚杆和钢筋混凝土墙面组成锚杆一端锚固在稳定的地层中,另一端与墙面连接,依靠锚杆与地层之间的锚固力(即锚杆抗拔力)承受土压力,维持挡土墙的平衡。上石方和圬工量都较少,施工安全,较为经济。适用于墙高较大,缺乏石料的地区或挖基困难的地段,具有锚固条件的路堑墙,对地基承载力要求不高。,8)锚定板式挡土墙,由锚定板、拉杆、钢筋混凝土墙面和填土组成。锚定板埋置于墙后的稳定土层内,利用锚定板产生的抗拔力
8、抵抗侧向土压力,维持挡土墙的稳定。基底应力小,圬工数量少,不受地基承载力的限制,构件轻简,可预制拼装、机械化施工。适用于缺乏石料的路堤墙和路肩墙,墙高时可分级修建。,9)竖向预应力锚杆式,锚杆竖向锚固在地基中,并砌筑于墙身内,最后张拉锚杆,利用锚杆的弹性回缩对墙身施加预应力来提高挡土墙的稳定性。一般一根16Mn22的锚杆可替代5m3的浆砌片石圬工。施工中可用轻型钻机或人工冲孔,灌浆及预应力张拉较简易。适用于岩质地基,多用于抗滑挡土墙。,10)土钉式挡土墙,由土体、土钉和护面板三部分组成。利用土钉对天然土体就地实施加固,并与喷射混凝土护面板相结合,形成类似于重力式挡土墙的复合加强体,从而使开挖坡
9、面稳定。对土体适应性强、工艺简单、材料用量与工程量较少,可自上而下分级施工。常用于稳定挖方边坡,也可作为挖方工程的临时支护。,11)桩板式挡土墙,由钢筋混凝土锚固桩和挡土板组成。利用深埋的锚固段的锚固作用和被动抗力抵抗侧向土压力,从而维护挡土上墙的稳定。适用于岩质地基、土压力较大、要求基础深埋的地段,墙高不受一般挡土墙高度的限制。开挖面小,施工较为安全。,公路中的挡土墙,1.山坡陡峻,用以降低边坡高度,减少山坡开挖,避免破坏山体平衡; 2.地质条件不良;用以支挡可能坍塌的山坡土休,1.路堑挡土墙,2.山坡挡土墙,1.用以支挡山坡上有可能坍滑的覆盖层土体或破碎岩层; 2.根据山坡情况可分设数道,
10、以满足实际需要,3.路肩挡土墙,1.陡山坡上,为保证路堤稳定,收缩坡脚; 2.压缩路堤坡脚,减少占用土地或避免与其它建筑物干扰; 3.防止沿河路堤水流冲刷,淘刷,4.路堤(坡脚)挡土墙,1.受地形限制或其它建筑物干扰,必须约束坡脚时; 2.防止陡坡路肩下滑,5.浸水挡土墙,沿河路堤,须收缩坡脚,以免水流冲刷和淘刷,6.抗滑挡土墙,滑坡地段,用以稳定滑动土体,7.石砌边坡(干砌挡墙),在较陡的山坡上,结合地形设陡边坡,就地利用削陡石料填筑,砌成挡墙,但地基必须良好,8.路肩式加筋土挡墙,加筋土挡土墙一般修建于填方地段,为保护路肩,约束边坡用地,可使之直立到顶。,9.路堤式加筋土挡墙,用于道路工程
11、代替圬工型式的挡土墙,用地及填筑土方量大为节省。,10.双面分离式加筋土挡墙,用于双面进行支挡,直立时的挡墙,但其拉筋为双面分离设置。,11.双面交错式加筋土挡墙,用于直立双面拉筋分层间隔交错。,12.土工织物分层包叠式挡墙,土工织物分层用于加筋土中作拉筋,在挡土结构的土体中,每隔一定距离铺设土工织物土工布)并在端部向上包卷,包土砂叠筑成挡土墙,在受水浸或冲刷淘刷地段有较好防护作用,挡土墙一般由墙身、基础、排水设施和伸缩缝组成。 在设计挡土墙的地段,应根据墙趾处的地形、地质和水文等情况,考虑材料来源和施工条件,结合技术经济比较,进行挡土墙的布置与设计。 一般要满足以下要求: (1)确保挡土墙基
12、础稳定,墙身坚固,作用良好; (2)结构合理,断面经济,开挖与回填量少;就地取材; (3)节省劳动力和用地面积; (4)便于施和养护。,一.挡土墙的构造,第三节 挡土墙的构造与布置,1.墙身构造,1)墙背形式及特点,(1)仰斜式所受土压力小、断面经济。开挖回填量较小,较适用于路堑墙。当用于路堤墙时,墙壁坡度不宜缓于1: 0.3。 (2)俯斜式所受土压力大,地面横坡陡峻时可以用陡直墙面以减小墙高。墙背亦可做成台阶形。 (3)衡重式适用于山区陡峻处路肩墙和路堤墙,亦用于路堑墙。上下墙高比例一般为:2:3,2)墙面及墙背,墙顶:墙顶最小宽度: 浆砌片石为0.5米, 干砌时为0.6米; 帽石:帽的厚度
13、不小于0.4米, 若不做帽石或为路堤墙和路堑墙,应用大块石置于墙顶并用5号砂浆抹平顶面(厚2cm),墙面坡度直接影响挡土墙的高度。在地面横坡较陡时,墙面坡度一般为1:0.05-1:0.2,矮墙可用陡直墙面;地面平缓时,一般采用1:0.2-1:0.35较为经济。 各种墙型的墙面及墙背坡度情况如下:,目的(P129) 疏干墙后填料中的水分,防止墙后积水致使墙身承受额外的静水压力;减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力;清除粘土填料浸水后的膨胀压力。,2.排水设施及防水层构造,要求: 做好地表排水,防止地面水下渗。可采取设排水沟、填土表面设隔水层、墙前边沟铺砌加固等措施。 做好墙身排水,主要是设置泄水孔等
14、排水构造(干砌挡土墙不设泄水孔)。,23m,23m,高于墙前地面或常年水位30cm,墙前地面及明沟铺砌加固,砂卵石排水层,泄水孔,0.30.5,0.30.5,墙身排水构造 (泄水孔、反滤层、隔水层),构造1: 浆砌片(块)石墙身,应在墙前地面以上设二排泄水孔。墙高时,可在墙上部加设泄水孔。泄水孔尺寸可视泄水量的大小而定,一般为5cm10cm;10cm10cm,15cm20cm等的方孔或直径为510cm的圆孔。孔眼间距一般为23m,干旱地区,可予增大;多雨地区则可减小。上下排泄水孔宜错开设置,下排泄水孔的出口应高出地面;若为路堑墙,出水口应高出边沟水位0.3m;若为浸水挡土墙,则应设于常水位以上
15、0.3m。下排泄水孔进水口的底部,应铺设30cm厚的粘土层,并夯实,以防水分渗入基础。,构造2: 当墙后填料为粘性土时,水分不易渗入泄水孔排走。因此,在渗水量大,或有冻胀可能时,宜在填料与墙背之间用渗水材料(砂砾或碎石)填筑厚度大于30cm的连续排水层,以疏干墙后填料中的水,防止墙背承受静水压力或冻胀压力。泄水量大时,还可在排水层底部加设纵向渗沟,配合排水层把水排泄到墙外。排水层的顶部和底部应用0.30.5m厚的胶泥(或其它不透水材料)封闭,以防止水流下渗。,展宽墙址(20cm), 高宽之比: h/b=3/2。 斜坡地形设置挡墙,如遇坚硬岩石,将基底做成阶梯形,可减少挖方数量。,设计要求:,3
16、.基础构造,挡土墙的破坏,大多是由于基础处理不当而引起的。类型选择时要满足基底应力和墙身稳定性。,埋置深度: 硬质岩石地基,基础应埋置在基岩表面风化层以下;其余一般地基应在天然地面下至少1米 有冲刷时,应在冲刷线下至少1米。 各类斜坡面岩土地基挡土墙基础埋置深度及襟边宽度见下表。,根据地基条件、墙高、墙身断面变化的需要设置, 且通常每10-15米设一道,缝宽2-3cm。缝内一般可用胶泥填塞,但在渗水量大,填料容易流失或冻害严重地区,则宜用沥青麻筋或涂以沥青的木板等具有弹性的材料,沿内、外、顶三方填塞,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。,4.伸缩(沉降)缝,1.土
17、墙的位置选择,(1)路堑挡土墙,大多设置在边沟外侧; (2)路肩挡土墙能充分收缩坡脚,可按路基宽度布设; (3)路堤墙应与路肩墙进行技术经济比较,确定其合理位置; (4)浸水挡土墙应保证过水断面,使水流畅通,不致挤压河道及引起局部冲刷; (5)山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处,其它类型的挡土墙的位置选择均应满足上述的要求。,二.挡土墙的布置,包括横向布置和纵向布置,个别复杂的挡土墙还需进行平面布置。,2.挡土墙的纵向布置,(1)确定挡土墙的起讫点和墙长,选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。 (2)按地基与地形情况进行分段,确定伸缩缝的位置。 (3)布置各段挡土墙的基础。 (4)布置泄水孔的位
18、置,包括数量、间隔和尺寸等。,沉降缝和伸缩缝,墙体伸入堤内0.75米以上,嵌入原地层0.5(石)1.5(土)米,路堑,分段长度,分段长度,分段长度,基础底面标高,基底线,基底纵向台阶, 按地形设置,高宽比不大于1 : 2,泄水孔,路堤,3.挡土墙的横向布置,绘制起讫点,墙高最大处、墙身断面和基础形式变异处以及其他有关桩号的挡土墙、横断面图。墙上应按计算结果布置墙身断面,确定基础形式和埋置深度,布置排水设备,指定墙料的类别等。挡土墙横断面如图:,1. 永久荷载 (主要力系),3. 偶然荷载(特殊力:如地震力),一. 作用于挡土墙上的力系,第三节 挡土墙土压力计算,2. 可变荷载 (附加力系),1
19、. 土压力种类,二.土压力计算,2.挡土墙土压力计算的有关规定,(1)作用在挡土墙墙背上的土压力按库伦主动土压力公式计算; (2)当墙背俯斜角度较大,土体中出现第二破裂面时,按第二破裂面法计算。 (3)墙后土体为粘性土时,可用等效内摩擦角法或直接按粘性土土压力计算。 (4)浸水挡土墙应考虑水对墙后土的影响; (5)地震区按有关规定计算; (6)墙前土体的被动土压力一般不考虑;,静止土压力可根据如图所示的弹性半无限体的应力状态求解。在填土表面以下深度h处M点取一单元体(在M点处一微小正六面体),作用于单元体上的力有两个:一是竖向土的自重;二是侧向压力。,(一)、静止土压力,土的自重应力,侧向土压
20、应力,静止土压力系数K0与填土的性质、密实程度等因素有关,可由试验测定。由于目前试验设备和方法还不够完善,所得结果不能令人满意,所以常采用下述经验公式估算:,静止土压应力沿墙高呈三角形分布,其合力为:,静止土压力EO方向为水平,作用点位于离墙踵H/3高度处。,(二)、朗肯土压力,朗肯土压力理论是从研究弹性半无限体内的应力状态出发,根据土的极限平衡理论来计算土压力的。基本假定如下: (1)土体是地表为一平面的半无限体,土压力方向与地表面平行; (2)达到主动应力状态时,土体向侧向伸张;达到被动应力状态时,土体向侧向压缩; (3)主动或被动应力状态只存在于破裂棱体之内,即局部土体中出现极限状态,而
21、破裂棱体之外仍处于弹性平衡状态; (4)土体发生剪切时,破裂面为平面; (5)伸张与压缩对土的影响很小,忽略竖直方向上土的变形对土压力的影响; (6)挡土墙墙背垂直、光滑,即墙背倾角a=0,墙背与填土无摩擦作用,墙背摩擦角为零。,水平应力,竖向应力,1.主动土压力,砂性土水平应力,粘性土水平应力,a 沿深度方向的主动上压力 分布强度(KPa) ; Ka 朗肯主动土压力系数, 填土的容重(kN/m3 ) ; h计算点离填土表面的距离(m); 填土的内摩擦角; c 填土的粘聚力(KPa)。,主动土压力,砂性土,粘性土,(1)砂性土主动土压力,Ea作用在离墙踵H/3高度处。,(2)粘性土的主动土压力
22、,主动土压力Ea作用在离墙踵(H-hc)/3处。,2.被动土压力,砂性土水平应力,粘性土水平应力,被动土压力图式,砂性上被动土压力分布,粘性土被动土压力分布,(1)砂性土被动土压力,Ep作用在离墙踵H/3高度处。,(2)粘性土的被动土压力,被动土压力Ep作用在离墙踵(H+3hc)H/(6hc+3H)处。,1.朗肯土压力理论只适用于填土为一平面的垂直墙背的挡土墙。,2.朗肯理论可用于具有均布荷载、填土表面为倾斜平面的垂直墙,若该均布荷载换算高度为ho则土压力为:,3.朗肯土压力理论的应用,3. 朗肯理论不适用于仰斜墙背、填土表面为折线形的情况。,4.如墙背为俯斜,但可利用朗肯理论近似计算土压力。
23、,已知某挡土墙高度H8.0米,墙背竖直、光滑,填土表面水平(=0),墙面与填土之间的摩擦角(=0) 。墙后填土为中砂(c=0),容重18.0KN/m3,内摩擦系数=30,(1)计算填土表面2m深度处的土压应力; (2)计算作用在挡土墙上的总主动土压力。,(三)、库仑土压力,库伦理论是一种计算土压力的简化方法,它具有计算简便,能适用于各种复杂情况和计算结果比较接近实际等优点。因此,目前仍被工程界所广泛应用,公路挡土墙所承受的土压力,一般按库伦理论计算。 库伦土压力理论是从研究墙后宏观土体的滑动出发的,这和朗金理论先求得土压应力有所不同。当墙后破裂棱体产生滑动时,土体处于极限平衡状态,根据破裂棱体
24、的静力平衡条件,求得墙背主动土压力和被动土压力。库伦理论在分析土压力时,基于下述基本假定: (1)墙后土体为均质散粒体,粒间仅有内摩擦力而无粘聚力 (2)当墙产生一定位移(移动或转动)时,墙后土体将形成破裂棱体,并沿墙背和破裂面滑动(下滑或上移); (3)破裂面为通过墙踵的一平面; (4)当墙后土体开始滑动时,土体处于极限平衡状态,破裂棱体在自重W、墙背反力和破裂面反力作用下维持静力平衡。 (5)挡土墙及破裂棱体视为刚体,在外力作用下不发生变形。,1.主动土压力,代入G可得,由力的三角形得,由于Ea是的函数,且存在最大值,由 这一条件, 求出值代入即可得到最大主动土压力值Ea。,a 沿深度方向
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