挡土墙的设计课件.ppt

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1、第六章 挡土墙设计,第六章 挡土墙设计,6.1 概述6.2 挡土墙的构造与布置6.3 挡土墙土压力计算6.4 挡土墙设计总则6.5 重力式挡土墙设计6.5 浸水路堤挡土墙设计6.6 地震地区挡土墙设计6.7 轻型挡土墙6.8 加筋土挡土墙,6.1 概述,挡土墙是支撑路基填土或者山坡土体侧压力、防止边坡或山坡变形失稳的工程构造物。广泛用于支撑路基边坡、桥台、桥头引道和隧道洞口等处。,挡土墙设置与否，宜于与其工程方案比较确定与移改路线位置进行比较；与填筑或开挖边坡相比较；与拆移有关干扰路基的构造物（房屋、河流、水渠）等比较；与设置其他类型的构造物（桥、护墙）等比较。,1、挡土墙的用途,挡土墙设置地

2、段 路基位于陡坡路段或岩石风化的路堑边坡；降低路基边坡高度以减少大量挖、填方量；防止不良地质路段边坡滑坍；防止沿河陡坡路段水流冲刷；桥梁、隧道与路基的连接地段；节约道路用地、减少拆迁或少占农田；保护重要建筑、生态环境或其它需要特殊保护的地段。,边坡治理,马鞍山大桥桥头挡土墙段,京沈高速.隧道与路基的连接地段；,图6-1 挡土墙按位置分类及各部分名称a)路肩挡土墙；b)路堤挡土墙；c)路堑挡土墙；d)山坡挡土墙,2、挡土墙的分类,路肩挡土墙路堤挡土墙路堑挡土墙山坡挡土墙,（1）按设置位置分,a）在山坡陡峻处填筑路堤，用以支挡路堤下滑；b）收缩坡脚，避免与其它建筑物相互干扰，减少填方量；c）保证沿

3、河路堤不受河水冲刷,a）在山坡陡峻处，减少挖方量，降低边坡高度，避免山坡因开挖而失去稳定；b）在地质不良地段，用以支挡可能滑塌的山坡土体。,支挡山坡覆盖层或滑坡下滑,a).支挡陡坡路堤下滑；b).收缩坡脚，减少占地，减少填方量；,（2）.按墙的墙体材料分类：石砌、混凝土、钢筋混凝土、砖砌、木质、钢板墙,（3）.按墙的结构形式分类：重力式、半重力式、衡重式、锚杆式、薄壁式、加筋土、垛式,依靠墙的自重支撑土压力，污工结构。形式简单，施工方便,A、B、E多用于路肩墙、路堤墙；,重力式挡土墙,图6-2 重力式挡土墙,C、D多用于路堑墙,重力式挡土墙,已完工的石砌挡土墙,图6-3 锚杆式挡土墙,锚定式挡

4、土墙,图6-4 锚定板式挡土墙,由肋柱，挡板和锚杆组成，靠锚杆锚固在山体内拉住肋柱。肋柱，挡板可预制。一般适用于墙身较高的路堑墙或路肩墙。,类似于锚杆式挡土墙，仅锚杆的固定端用锚定板固定在山体内。一般适用于路堑墙或路堤墙。,锚杆（索）挡土墙,锚杆挡土墙一般适用于岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可使用，还可应用于陡坡路堤。,锚索,锚索、锚杆的施工钻孔,锚定板挡土墙,薄壁式挡土墙,图6-6 扶壁式挡土墙,图6-5 悬臂式挡土墙,由立壁，墙趾板和墙踵板组成，利用墙踵板上的填土重量来维持土体稳定。适用于缺乏石料地区及挡土墙高度不大于7m的情况。,扶壁式挡墙(15m),曲阜东站挡土墙施工现场,

5、曲阜东站是京沪高铁全线21座车站之一，路基全部为路堤填筑，线路中心最大填筑高度为8.1m，最小高度为4.3m。路堤边坡最大填筑高度为7.78m，最小填筑高度3.98m。,挡土墙施工的完成，为路基填筑提供了新的作业面,图6-7 加筋土挡土墙,其他类型挡土墙,图6-8 土钉挡土墙1-土钉；2-铺设钢筋网；喷射混凝土面层,由面板，拉筋和填料组成，依靠拉筋与填料之间的摩擦力来抵抗侧向土压力，面板可预制。适用于缺乏石料地区及在软弱地基上修筑路肩墙与路堤墙。,加筋挡土墙,镀锌钢带加筋,加筋土挡土墙预制块的安装,加筋土的回填,土工格栅加筋,土工格栅加筋建成56.5m高的加筋挡土墙,边坡支护土钉支护锚杆喷射混

6、凝土,图6-9 柱板式挡土墙,图6-10 桩板式挡土墙,用钢筋混凝土预制杆件，纵横交错装配成框架，内填土石，以抵抗土压力。适用于缺乏石料地区的路肩墙与路堤墙。,由桩柱和挡板组成，利用深埋的桩柱前土层的被动土压力来平衡墙后主动土压力。适用于土压力大，要求基础埋置深地段，可用于路堑墙、路肩墙。,桩板墙,格宾挡墙,6.2 挡土墙的构造与布置,1、挡土墙的构造,墙身墙基础排水设施沉降伸缩缝,墙顶墙面墙背墙底墙趾墙踵,图6-11 墙身构造示意图,墙顶,墙胸,墙趾,墙底,墙踵,墙背(倾斜),（1）墙背,仰斜墙背 适用于路堑墙及墙趾处地面平坦的路肩墙或路堤墙。仰斜墙背的坡度不宜缓于1：0.3，通常在1：0.

7、151：0.25。,衡重式墙 适用于山区地形陡峻处的路肩墙和路堤墙，也可用于路堑墙。上墙俯斜墙背的坡度1：0.251：0.45，下墙仰斜墙背在1：0.25左右，上下墙的墙高比一般采用2：3。,凸形折线墙背 多用于路堑墙，也可用于路肩墙。上下墙的墙高比一般采用2：3,俯斜墙背 适用于路堤墙、路肩墙。常用1：0.151：0.25，不超过4m的低墙可用垂直墙背。,其他类型挡土墙 墙背形式可参考有关规范和设计手册。,图6-12 石砌挡土墙断面形式,墙面一般均为平面，其坡度应与墙背坡度相协调。墙面坡度直接影响挡土墙的高度。因此，在地面横坡较陡时，墙面坡度一般为1：0.051：0.20，矮墙可采用陡直墙面

8、；地面平缓时，一般采用1：0.201：0.35较为经济。,（2）墙面,墙顶最小宽度，浆砌挡土墙不小于50cm，干砌不小于60cm。浆砌路肩墙墙顶一般宜采用粗石料或混凝土做成顶帽，厚40cm。如不做顶帽，对路堤墙和路堑墙，墙顶应以大块石砌筑，并用砂浆勾缝，或用5号砂浆抹平顶面，砂浆厚2cm。干砌挡土墙墙顶50cm高度内，应用25号砂浆砌筑，以增加墙身稳定。干砌挡土墙的高度一般不宜大于6m。,（3）墙顶,为保证交通安全，在地形险峻地段，或过高过长的路肩墙的墙顶应设置护栏。为保持土路肩最小宽度，护栏内侧边缘距路面边缘的距离，二、三级路不小于0.75m，四级路不小于0.5m。,（4）护栏,墙顶,（5）

9、基础类型,图6-13 基础类型示意图a）墙趾或墙踵部分加宽；b）钢筋混凝土底板；c）换填地基；d）台阶基础；e）拱形基础,钢筋混凝土底板：当地基压应力超过地基承载力过多时，或需要的加宽值较大，可采用钢筋混凝土底板。,台阶基础：当挡土墙修筑在陡坡上，而地基又为完整、稳固、对基础不产生侧压力的岩石时，可设置台阶基础，以减少基坑开挖和节省圬工。,拱形基础：如地基有短段缺口(如深沟等)或挖基困难(如需水下施工)，可采用拱形基础。,天然地基：大多数挡土墙都直接修筑在天然地基之上。,扩大基础：当地基承载力不足，地形平坦而墙身较高时，为了减小基底压应力和增加抗倾覆稳定性，采用扩大基础。,（6）基础埋置深度,

10、对于土质地基，基础埋置深度应符合下列要求：无冲刷时，应在天然地面以下至少1m；有冲刷时，应在冲刷线以下至少1m；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石垫层，垫层底面亦应位于冻结线以下不少于0.25m。,碎石、砾石和砂类地基，不考虑冻胀影响，但基础埋深不宜小于1m。,对于岩石地基，应清除表面风化层，将基底嵌入岩层一定深度。当风化层较厚难以全部清除时，可根据地基的风化程度及其容许承载力将基底埋入风化层中。,当挡土墙位于地质不良地段，地基土内可能出现滑动面时，应进行地基抗滑稳定性验算，将基础底面埋置在滑动面以下，或采用其它措施

11、，以防止挡土墙滑动。,（7）排水设施,地面排水截水沟：路堑墙和山坡墙上方必须设置截水沟，以拦截流向挡土墙的地表水；夯实回填土顶面和地表松土；夯实墙前回填土和加固边沟。墙身排水,擋土牆排水孔鑽孔,浆砌块(片)石墙身应在墙前地面以上设一排泄水孔(图a)。墙高时，可在墙上部加设一排汇水孔(图b)。孔眼间距一般为23m，对于浸水挡土墙孔眼间距一般1.01.5m。下排排水孔的出口应高出墙前地面或墙前水位0.3m；为防止水分渗入地基，泄水孔进水口的底部应铺设30cm厚的粘土隔水层。泄水孔的进水口部分应设置粗粒料反滤层，以免孔道阻塞。当墙背填土透水性不良或可能发生冻胀时，应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m

12、的范围内铺设厚度不小于0.3m的砂卵石排水层(图c),图6-14 挡土墙排水设施示意图,（8）沉降伸缩缝为防止因地基不均匀沉降而引起墙身开裂，应设置沉降缝。为减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化而引起的裂缝，应设置收缩缝。一般将沉降缝与伸缩缝合并设置，沿路线方向间距1015m，缝宽23cm。,2、挡土墙的布置,（1）挡土墙位置的选定 路堑挡土墙大多数设在边沟旁；山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处；当路肩墙与路堤墙的墙高或截面圬工数量相近、基础情况相似时，应优先选用路肩墙；若路堤墙的高度或圬工数量比路肩墙显著降低，而且基础可靠时，宜选用路堤墙；沿河路堤设置挡土墙时，应结合河流情况，注意设墙后仍保持水流顺

13、畅，不致挤压河道而引起局部冲刷。,（2）挡土墙的横向布置在墙高最大处、墙身断面或基础形式变异处，其它必须桩号处进行。根据墙型、墙高及地基与填料的物理力学指标等设计资料，进行挡土墙设计或套用标准图，确定墙身断面、基础形式和埋置深度，布置排水设施，并绘制横断面图。,（3）挡土墙的纵向布置,（4）平面布置,个别复杂的挡土墙，如高、长的沿河曲线挡土墙，应作平面布置，绘制平面图，标明挡土墙与路线的平面位置及附近地貌与地物等情况，特别是与挡土墙有干扰的建筑物的情况。沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向，防护与加固工程等。,确定挡土墙的起迄点和墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式；按地基及地形情况进行分

14、段，确定伸缩缝与沉降缝的位置；布置各段挡土墙的基础；布置泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等。,挡土墙的设计示例,6.3 挡土墙土压力计算,图6-16 作用在挡土墙上的力系,1、作用于挡土墙的力系 挡土墙自重G及位于墙上的衡重墙后填土的主动土压力Ea基底的法向反力N及摩擦力T墙前土体的被动土压力Ep其它（水、冰、偶然）,三种不同性质的土压力主动土压力 被动土压力 静止土压力,图6-17 三种不同性质的土压力,2、一般条件下库仑（Coulomb）主动土压力计算,库仑理论的假设,假设墙背填料为均质散粒体，仅有内摩擦力，而无粘聚力。当墙背向外移动或饶墙趾外倾时，墙背填料会出现一通过墙踵的破裂面，设为

15、平面。破裂面上的土楔为刚性体。,图6-18 库仑土压力理论假设示意图,各种边界条件下库伦土压力计算,（1）破裂面交于内边坡,图6-19 破裂面交于内边坡,据正弦定理而所以,(6-3-1),(6-3-2),(6-3-3),当、固定时，Ea随变化，求最大土压力Ea，先求对应于最大土压力的，取，整理后得：,(6-3-4),将求得的值代入(6-3-3)，得最大主动土压力Ea 值。式中：墙后填土的容量，KN/m3 填土的内摩擦角，；墙背与填土间的摩擦角，；墙后填土表面的倾斜角，；墙背倾斜角，倾斜墙背为正，仰斜墙背为负；挡土墙高度,m；主动土压力系数。,(6-3-5),(6-3-3),土压力作用点位置：式

16、中：土压力作用点距墙趾的垂直高度，m；土压力作用点距墙趾的水平距离，m；挡土墙底宽，m。,土压力的水平和垂直分力为：,(6-3-6),(6-3-7),（2）破裂角交于路基面（见图6-20）,破裂面交于荷载中部（图6-20b）,图6-20 破裂面交于路基面a)交于荷载内侧；b)交于荷载中部；c)交于荷载外侧,破裂棱体的断面面积S为 令 则 因此，破裂棱体的质量为,将 代入（6-3-1）得令经整理后得：故将求得的 值代入（6-3-8），即可求得主动土压力。,（6-3-8）,（6-3-9）,破裂面交于荷载外侧（图6-20c）则破裂面交于荷载内侧（图6-20a）因 则,（6-3-11）,（6-3-10

17、）,（3）破裂面交于外边坡,图6-21 破裂面交于外边坡,6.3大俯角墙背的主动土压力计算（第二破裂面）,在挡土墙设计中，往往会遇到墙背俯斜很缓，即墙背倾角很大的情况，如折线形挡土墙的上墙墙背，衡重式挡土墙上墙的假象墙背（图6-22）。当墙后土体达到主动极限平衡状态时，破裂棱体并不沿墙背或假想墙背CA滑动，而是沿着土体的另一破裂面CD滑动，CD称为第二破裂面，而远离墙的破裂面CF称为第一破裂面，和 为相应的破裂角。这时，挡土墙承受着第二破裂上的土压力，是 和 的函数。因 是 的水平分力，故可以列出以下函数关系：,（6-3-14）,图6-22 出现第二破裂面的条件,出现第二破裂面的条件是：墙背或

18、假想墙背的倾角 或 必须大于第二破裂面的倾角，即墙背或假想墙背不妨碍第二破裂面的出现；在墙背或假想墙背面上产生的抗滑力必须大于其下滑力，使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑；,图6-22 出现第二破裂面的条件,第二破裂面土压力的计算步骤 计算破裂角首先假定两破裂面出现的位置（即破裂面交于内边坡，荷载内侧，荷载中，荷载外侧，外边坡等情况），然后按路基设计手册中相应的公式计算破裂角，并以此计算结果验证所假设的破裂面位置是否正确。如不符合，须重新假定，再作计算，直至二者相符。若验证结果证明不会出现第二破裂面时，则应按一般库仑土压力公式进行计算。根据算得的破裂角计算作用于第二破裂面上的土压力及其作用点位

19、置。各种边界条件下的土压力计算公式，均可查阅有关设计手册。,6.9 车辆荷载的换算,（1）按墙高确定附加荷载强度换算式中：与墙后填土容重相同的均布土层厚度，m；墙后填土的容重，kN/m3；附加荷载强度，墙高小于 2 m，取 20kN/m2；墙高大于 10 m，取10kN/m2；墙高在 210m 之间时，用线性内插法计算确定。（2）根据破裂棱体范围内布置的车辆荷载换算 式中：挡土墙的计算长度，m；破裂棱体的宽度，m；布置在B0L面积内的车轮总重，每辆标准汽车总重为550kN。,挡土墙的计算长度，取下述两种长度的较大值，两种长度相等时，取分段长度挡土墙的分段长度，应不大于15m；一辆标准汽车的扩散

20、长度（见图6-23），按(6-3-17)计算，当算出的长度大于15m时，取15m：式中：标准汽车前后轴距加轮胎着地长度为14.0m。挡土墙高度，m；破裂棱体宽度(见图6-23)，按(6-3-18)计算,图6-23 车辆荷载换算图式,（6-3-17）,（6-3-18）,6.4 挡土墙设计总原则,挡土墙的荷载组合,施加于挡土墙的作用或荷载 表6-1,常用作用（含荷载）组合 表6-2,1、挡土墙稳定性验算（1）抗滑稳定性系数,式中：作用于基底的合力的竖向分力，KN；基底倾斜角，；挡土墙自重，KN；,(6-4-1),图6-24 挡土墙抗滑动稳定,6.5 重力式挡土墙设计,墙前被动土压力水平分力的0.3

21、倍，KN；墙背主动土压力的水平与竖向分力，KN。基底与地基土间的摩檫系数，可参考表6-3所列数值；,基底摩檫系数参考值 表6-3,图6-25 挡土墙抗倾覆稳定,式中：墙身、基础及其上的土重合力重心到墙趾的水平距离，m；墙后主动土压力竖向分力到墙趾的水平距离，m；墙后主动土压力水平分力到墙趾的水平距离，m；墙前被动土压力水平分力到墙趾的水平距离，m。,（3）稳定性系数要求 验算挡土墙抗滑动和抗倾覆稳定时，稳定性系数不宜小于 表6-2的规定值。,抗滑动和抗倾覆稳定系数 表6-4,（2）抗倾覆稳定性系数,(6-4-2),2、基底应力及合力偏心距的验算 为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力,应进行基

22、底应力验算,为了避免挡土墙不均匀沉陷,控制作用于挡土墙基底的合力偏心距.,1）基础底面的压应力(1)轴心荷载作用(2)偏心荷载作用,当eB/6当eB/6,基底合力偏心距 表6-3,2）.基底合力偏心距,基底合力偏心距应满足如下表中的要求。,降低基底压力及减小偏心距的措施 加宽墙趾或扩大基础，可以加大受力面积，调整偏心距；加固地基，提高地基承载力；调整墙背坡度或断面形式，以减小偏心距。,3).地基承载力抗力值,(地基应力的设计值 p 应满足地基承载力的抗力值 f)(1)当轴向荷载作用时(2)当偏心荷载作用时,(3)地基承载力抗力值的规定,(4)当不满足式（6-53）的条件或计算结果,按 直接确定

23、地基承载应力抗力值。,(5)f 值可以根据不同荷载组合予以提高.,(6)当偏心距e小于或等于0.333倍基础底面宽度时,可根据土的抗剪强度指标确定地基承载应力抗力值.,3、墙身截面强度验算 为了保证墙身具有足够的强度，应根据经验选择12个控制断面进行验算，如墙身底部、1/2墙高处、上下墙（凸形及衡重式墙）交界处（图6-32）,图6-32 验算断面的选择,式中：圬工砌体允许承压应力。当 时,(6-4-10),(6-4-9),式中：坞工砌体允许剪应力,(6-4-11),当 时，截面上两边缘的法向应力 为,圬工结构轴向合力的容许偏心距 重力式挡土墙圬工结构轴向合力的偏心距应符合表6-4的要求。,圬工

24、结构轴向合力的容许偏心距 表6-4,注：为矩形计算截面宽度。,4、增加挡土墙稳定性的措施1）增加抗滑稳定性的方法 若Kc Kc，则表明抗滑稳定性不足，可采用如下措施：采用倾斜基底（图6-26）,图6-26 倾斜基底增加挡土墙抗滑稳定性,不宜过大，以免基底下墙趾前发生剪切破坏。一般土质地基 1110（1：5）；岩石地基 162（1：3）。在验算沿基底的抗滑动稳定性的同时，还要验算通过墙踵的地基水平面的滑动稳定性。,设置凸榫基础（图6-27）利用凸榫前的被动土压力增加抗滑稳定性；凸榫后缘至墙踵连线与水平线的锐夹角；凸榫前缘至墙趾连线与水平线的锐夹角,图6-27 凸榫基础,A.凸榫的深度,(6-4-

25、3),式中：凸榫前缘至墙踵的基底宽度；墙趾、墙踵、凸榫前缘处基底的压应力；凸榫基底与土基的摩擦系数,B.凸榫宽度按以下两方面的要求取值大者,式中：混凝土允许弯拉应力 混凝土允许剪应力,2）增强抗倾覆稳定性的措施 若K0 K0，则表明抗倾覆稳定性不足，可采用如下措施：展宽墙趾 在墙趾处拓宽基础以增加稳定力臂，是增加抗倾覆稳定性的常用方法。但在地面横波较陡处，会因此引起墙高增加。改变墙面及墙背坡度 改缓墙面坡度可增加稳定力臂（图6-28a），改陡俯斜墙背或改缓仰斜墙背可减少土压力（图6-34b，c）。在地面纵坡较陡处，须注意对墙高的影响。,图6-28 改变墙面及墙背坡度a)改变面坡；b)改陡俯斜墙背；c)改为仰斜墙背,改变墙身断面类型 当地面横坡较陡时，应使墙胸尽量陡立。可改变墙身断面类型，如改用衡重式墙或者墙后加设卸荷平台、卸荷板以减少土压力并增加稳定力矩。,