《道路工程》第12章路基挡土墙设计.ppt

第一节概述 第二节挡土墙的构造与布置 第三节挡土墙土压力计算 第四节挡土墙的设计原则 第五节重力式挡土墙设计 第六节浸水路堤挡土墙设计 第七节地震地区挡土墙设计 第八节轻型挡土墙 第九节加筋土挡土墙,第十二章 路基挡土墙设计,1、挡土墙的定义,挡土墙是支撑天然边坡或人工填土边坡以保持土体稳定的结构物。公路中主要作用是支撑路堤、路堑、隧道洞口、桥台及河岸防护等,第一节概述,2、挡土墙的类型,按挡土墙位置分: 路堑挡墙，路堤挡墙，路肩挡墙和山坡挡墙等。 按挡土墙的墙体材料分: 石砌挡墙，混凝土挡墙，钢筋混凝土挡墙，砖砌挡墙，木质挡墙和钢板墙等。 按挡土墙的结构形式分: 重力式，半重力式，衡重式，悬臂式，扶壁式，锚杆式，拱式，锚定板式，板桩式和垛式等。,挡土墙位置分：a）路肩挡墙、b）路堤挡墙、c）路堑挡墙、d）山坡挡墙,刚性挡土墙：本身变形极小，只能发生整体位移,柔性挡土墙： 本身会发生变形，墙上土压力分布形式复杂,3、新型挡土墙,自嵌式挡土墙-主要依靠挡土块块体、填土通过加筋带连接构成的复合体自重来抵抗动静荷载，达到稳定的作用。用于园林景观、高速公路、立交桥和护坡、小区水岸等，比传统的混凝土和浆砌块石容易施工，并且美观、耐久。,4、挡土墙的作用 路肩墙：护肩及改善综合坡度； 路堤墙：收缩坡脚，防止边坡或基底（对于陡坡）路堤滑动，沿河路堤可防水流冲刷等； 路堑墙：减少开挖，降低边坡高度； 山坡墙：支挡坡上覆盖层，可兼起拦石作用； 隧道及明洞口挡墙：缩短隧道或明洞口长度； 桥台挡墙：护台及连接路堤，作为翼墙或桥台。,5、各式挡土墙的使用条件,6、挡土墙的破坏,第二节挡土墙的构造与布置,1、挡土墙的构造,墙面（墙胸） 墙背（俯斜、仰斜、垂 直、直线形、和折线形） 墙顶及护栏 墙底（墙趾、墙踵),挡土墙的组成示意图,基础 设计的主要内容包括基础形式的选择和基础埋置深度的确定。 排水设施 通常由地面排水和墙身排水两部分组成。 沉降缝和伸缩缝 为防止因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，应根据地基地质条件及墙高墙身断面的变化情况，设置沉降缝；为了减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化作用而产生的裂缝，须设置伸缩缝。,2、挡土墙布置,横向布置 主要是在路基横断面图上选定挡土墙的位置，确定是路堑墙、路肩墙、路堤墙还是浸水挡墙，并确定断面形式及初步尺寸。 纵向布置 在墙趾纵断面图上进行墙的纵向布置，布置后绘成挡土墙正面图。包括： 1）分段，设伸缩缝与沉降缝； 2）考虑始、末位置在路基及其它结构处的衔接； 3）基础的纵向布置； 4）泄水孔布置。,平面布置 对于个别复杂的挡土墙，例如高、长的沿河挡墙和曲面挡墙；绕避建筑物挡墙，除了横、纵向布置外，还应作平面布置，并绘制平面布置图。,第三节挡土墙土压力计算,1、作用在挡土墙上的荷载,（1）主要力系： 挡土墙自重及位于墙上的恒载； 墙后土体的主动土压力（包括超载）； 基底的支撑力与摩阻力； 墙前土体的被动土压力； 浸水墙的常水位静水压力及浮力。 （2）附加力： 季节性或规律性作用于墙的各种力， 如波浪冲击、洪水。,（3）特殊力： 偶然出现的力，如地震荷载、浮力、水面物撞击力等。,作用在挡土墙上的力系,2、挡土墙移动形式与土压力关系,（1）墙体外移,（3）墙体不移动,（2）墙体内移,Ea:墙体外移,土压力逐渐减小,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力(最小) Ep:墙体内移,土压力逐渐增大,当土体破坏,达到极限平衡状态时所对应的土压力(最大) E0:墙体不移动,土压力即是土体产生的侧压力,3、路基挡土墙的土压力考虑,1）主动土压力与被动土压力的区分： 假定挡土墙处于极限移动状态，土体有沿墙及假想破裂面移动的趋势，则土推墙即为主动土压力，墙推土即为被动土压力。 2）路基挡土墙的土压力考虑： 路基挡土墙一般都有可能有向外的位移或倾覆，因此，在设计中按墙背土体达到主动极限平衡状态考虑，即只考虑Ea ，且取一定的安全系数以保证墙背土体的稳定。 墙趾前土体的被动土压力Ep一般不计。,4、不同墙背倾斜形式的土压力大小,墙背倾斜形式： 仰斜 直立 俯斜,5、挡土墙的土压力计算理论,（1）朗肯土压力理论 1857年英国学者朗肯（Rankine）从研究弹性半空 间体内的应力状态，根据土的极限平衡理论，得出 计算土压力的方法，又称极限应力法。 （2）库仑土压力理论 1776年法国的库伦（C.A.Coulomb）根据极限平 衡的概念，并假定滑动面为平面，分析了滑动楔体 的力系平衡，从而求算出挡土墙上的土压力，成为 著名的库伦土压力理论。,基本假设：, 墙本身刚性，因此，不考虑墙身的变形； 墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平（=0）； 墙背垂直光滑（墙与土的摩擦角=0）。,朗肯理论,a、无粘性土；b、粘性土,计算公式：,朗肯主动土压力系数，,土的重度；,土的粘聚力和内摩擦角。,c、,主动土压力,被动土压力,基本假设：, 墙后填土为均匀的无粘性土（c=0），填土表面倾斜（0）； 挡土墙刚性，墙背倾斜，倾角为； 墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力（0）； 滑动破裂面为通过墙踵的平面。,库伦理论,（3）分析方法的异同 朗肯理论和库伦理论都是简化方法。它们各有其不同的基本假定、分析方法和适用条件。 共同点：均属于极限状态土压力理论。计算出的土压力均为墙后土体处于极限平衡状态下的主动土压力Pa和被动土压力Pp。 不同点：朗肯理论从土体中一点的极限平衡状态出发，由处于极限平衡状态时的大小主应力关系求解（极限应力法）；库伦理论根据墙背与滑裂面之间的土楔处于极限平衡，用静力平衡条件求解（滑动楔体法） 。,（4）适用条件 1）朗肯理论的适用条件 根据朗肯理论推导的公式，作了必要的假设，因此有一定的适用条件： 填土表面水平（=0），墙背垂直（=0），墙面光滑（=0）的情况； 墙背垂直，填土表面倾斜，但倾角的情况； 地面倾斜，墙背倾角(45-/2）的坦墙； L型钢筋混凝土挡土墙； 墙后填土为粘性土或无粘性土。,2）库伦理论的适用条件 下述情况宜采用库伦理论计算土压力： 需考虑墙背摩擦角时，一般采用库伦理论； 当墙背形状复杂，墙后填土与荷载条件复杂时； 墙背倾角(45-/2）的俯斜墙； 数解法一般只用于无粘性土，图解法则对于无粘性土或粘性土均可方便使用。 挡土墙一般采用库伦理论,6、一般条件下库仑主动土压力计算,挡土墙因路基形式和荷载分布不同土压力有多种计算图式,（1）破裂面交于内边坡-适用于路堤或路堑挡土墙,主动土压力计算图示,将Pa 对 求导数,并令其等于零,被动土压力计算图示,（2）破裂角交于路基面,破裂面交与荷载中部b) 破裂面交与荷载外侧c) 破裂面交与荷载内部a),（3）破裂面交于外边坡,（4）大俯角墙背的主动土压力第二破裂面法, 有时土体并不沿墙背滑动，而是沿另一滑动面滑动，这一般是折线形重力墙背、悬臂墙墙背或带衡重台的墙背，其倾角大于第二破裂面的倾角i、且墙背面上的抗滑力大于下滑力的情况。 出现第二破裂面的条件： 墙背或假想墙背的倾角或必须大于第二破裂面的倾角i ，以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。 仰斜挡土墙很少采用平缓背坡，不易出现i的情况；衡重式挡墙的上墙或悬臂式墙，采用假想的墙背，=，只要i，即存在第二破裂面。,衡重式挡土墙,折线形墙,（5）不同土层的土压力计算,（6）有限范围填土的土压力计算,7、车辆荷载的换算,换算方法： 换算为对应于墙后填料的一定高度的均布土层。换算土层高： h0= q / 其中： 墙高H2.0m时，q=20.0kN/m2； 墙高H10.0m时，q=10.0kN/m2； 墙高H在2.0m 10.0m时，q内插取用。,8、计算参数,填料的计算内摩擦角和重度,墙背摩擦角,第四节挡土墙的设计原则,1、挡土墙设计一般规定 1）挡土墙类型应综合考虑工程地质、水文地质、冲刷程度、荷载作用情况、环境条件、施工条件、工程造价等因素； 2）应根据墙背渗水，合理布置排水沟造物。合理设置伸缩缝和沉降缝。 3）挡土墙墙背填料宜采用渗水性强的砂性土、砂砾、粉煤灰等材料，严谨采用淤泥、膨胀土等； 4）挡土墙的顶面不宜占据硬路肩、行车道及路缘带的路基,5）墙身构造 重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1:0.25仰斜，仰斜墙背坡度不宜缓于1:0.3,俯斜墙背坡度一般为1:0.25-1:0.4； 衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1:0.25-1:0.30仰斜，上墙墙背坡度受墙身强度控制，根据上墙高度，采用1:0.25-1:0.45俯斜。,6）排水措施 包括疏干墙后积水和防止地表水下渗，以减小墙背土压力和静水压力；减少冻胀压力；消除膨胀压力。 (1)设置地面排水沟，截引地表水；夯实回填土顶面，防止雨水和地面水下渗，必要时可设铺砌层。 (2) 墙背设泄水孔和排水层； (3)路堑挡墙趾前沟应铺砌，以防边沟水渗入基础。,7）基础埋置深度 基础埋置深度应按地基的性质、承载力的要求、冻胀的影响、地形和水文地质等条件确定。其基础深度应符合下列要求： (1)基础埋置深度不小于lm; (2)受水流冲刷时，基础应埋置在冲刷线以下不小于lm； (3)路堑挡土墙基础顶面应低于边沟底面不小于0.5m。 (4)挡土墙基础置于斜坡地面时，其趾部埋人深度和距地面的水平距离应符合下表的要求。,2建筑物总体设计资料 为满足枢纽或单体建筑物与路基连接、挡土、水流、防渗排水等各项要求，需要具有与总体设计有关的下述资料： (1)建筑物的工程等级及设计标准； (2)建筑物总体布置图，并根据总体布置要求确定挡土墙平面和立面的布置及基本尺寸的要求； (3)设计、建成、正常运营及施工期墙前、墙后各种水位； (4)根据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。,3墙址地形、地质平面图 一般挡土墙布置简单，不大比例尺平面图。对于下列情况，宜有1：5001：200的工程地质平面图： (1)需要在纸上研究布置挡土墙的平面位置地段； (2)需要选取不同方向的地形、地质断面，而现场勘测又不易掌握选准的地段； (3)挡土墙设计牵涉有关改河、改沟、改移公路、拆迁建筑物等需用平面图反映的地段。,4地质横断面图 一般采用1：200比例尺。测绘时应考虑以下问题： (1)断面间距视地形、地质变化情况而定，以能满足设计、施工的要求为准。在复杂情况下横断面间距采用5l0m，基础标高变化不大的可采用10-25m。在墙的两端应适当加密，以便确定起讫位置。 (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，代表性横断面应较一般断面宽些。,5、挡土墙的设计原则 按“极限状态分项系数法”进行设计，其设计的极限状态分构件承载力极限状态和正常使用极限状态。 1）承载力极限状态： 整个挡土墙或其一部分失去刚体平衡; 挡土墙构件或连接部件因材料承受的强度超过极限而破坏，或因超过塑性变形而不适于继续承载； 挡土墙结构变为机动体系或局部失去平衡极限状态分项荷载系数见规范。,2）正常使用极限状态： 影响正常使用或外观变形； 影响正常使用的耐久性局部破坏； 影响正常使用的其他待定状态。 极限状态的分项荷载系数除Ep取0.5外，其余均取1.0 3）合力偏心距计算时的极限状态 分项荷载系数取值同正常使用极限状态。,6、挡土墙的设计荷载，其它见规范JTG D30,7、施加于挡土墙的荷载分类，见表5.4.22,8、挡土墙的荷载组合，见表5.4.23,9、挡土墙的荷载分项系数,第五节挡土墙设计,包括：抗滑稳定性验算，抗倾覆稳定性验算。 （1）抗滑稳定性验算 目的：检查基底在土压 力、自重等作用下的摩阻力抵抗挡土墙滑动的能力。,1、挡土墙稳定性验算,保证基底摩阻力低抗滑移力,（2）抗倾覆稳定性验算,目的：检查墙身绕 墙趾向外转动倾覆 的抵抗能力。,保证抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力,（3）挡土墙稳定性验算要求,2、基底应力及合力偏心距验算,基础的容许承载力：,岩石地基的承载力较高，一般不会产生不均匀沉陷。土质地基较复杂，其承载力与地基的物理力学性质、地面形态、基础埋置深度、基底倾斜度等有关。,3、墙身截面强度验算, 为保证墙身具有足够强度，应选择12个控制断面进行验算，如墙身底部、二分之一墙高处、上下墙(凸形及衡重式墙)交界处。 根据公路砖石及混凝土桥涵设计规范的规定，当构件采用分项安全系数的极限状态设计时，荷载效应取不利组合的设计值，应小于或等于结构抗力效应的设计值。,4、重力式挡土墙设计,1）增加抗滑稳定性的方法 设置倾斜基底 采用凸榫形基础,5、增加挡土墙稳定性的措施,2）增加抗倾覆稳定性的方法 1）展宽墙趾 2）改变墙面及墙背坡度 3）改变墙身断面类型,属重力式；衡重台上填土使墙身重心后移，增加抗倾覆稳定性；基底面积较小，对地基要求较高。 设计与一般重力式挡墙相同。墙背为带有衡重台的折线形，土压力计算及墙身构造都有其特殊性。 稳定性验算的内容和要求同一般重力式挡墙。当上墙出现第二破裂面时，第二破裂面与上墙背之间填土与墙身一起移动，其重量计入墙身自重。,6、衡重式挡土墙设计,第六节浸水路堤挡土墙设计,1、考虑因素, 1）浸水的填料受水的浮力而使土压力减小； 2）砂性土内摩擦角受水的影响不大，可认为浸水后不变，粘性土浸水后抗剪强度显著降低； 3）墙背与墙面均受到静水压力，在墙背与墙面水平一致时，两者互相平衡；而当有一水位差时，则墙身受到静水压力差所引起的推力； 4）墙外水位骤然降落，或者墙后暴雨下渗在填料内出现渗流时，填料受到渗透动水压力。渗水性填料，动水压力一般很小，可略而不计； 5）墙身受到水的浮力作用，而使其抗倾覆及抗滑动稳定性减弱。, 6）墙后填料应尽量用片、碎石或砂性土分层填筑并夯实，并做好排水设施。 7）挡土墙修建在设计裂度为8度及以上的地震区，以及修筑在地震时可能发生大规模滑坡崩塌的地段或软弱地基，要进行地震稳定性验算。 8）验算时要考虑破裂棱体和挡土墙身分别承受地震力的作用，将地震荷载与恒载组合，并考虑常年水位的浮力，不考虑季节性浸水的影响，其他外力，包括车辆荷载的作用均不考虑。,2、当填料为砂性土时 （1）浸水部分重度采用水中重度； （2）浸水前后的内摩擦角不变； （3）破裂面为一平面，并且不考虑进水对破裂面的影响。,因此，浸水挡土墙土压力Eb可采用不浸水时的土压力Ea扣除因浮力影响而减少的土压力Eb。,3、填土为黏性土时 由于粘性土浸水后c值明显减小，要求将水位上下两部分分为不同性质的土层进行计算。 先计算水位以上的土压力E1；然后再将上层填土重量作为荷载,计算进水部分的土压力E2；两部分的矢量为全墙土压。,第七节地震地区挡土墙设计,1、一般防震措施, 1）尽可能采用重心低的墙身断面形式。 2）基础尽可能置于坚硬均质地层上；遇有软粘土、饱和砂土或严重不均匀地基时，应采取适当措施进行加固处理。 3）宜采用浆砌片(块)石、混凝土和钢筋混凝土修筑。干砌片(块)石的墙高须加以限制：设计烈度8度时，一般不超过5m；9度时，则不超过3m。 4）墙体应以垂直通缝分段，每段长度不宜超过5m。地基变化或地面标高突变处，也应设置通缝。 5）应严格控制砌筑质量，砂浆标号按非地震区要求提高一级采用。,2、地震荷载的计算,第八节轻型挡土墙,薄壁式挡土墙是钢筋混凝土结构，包括悬臂式和扶壁式两种主要型式。 悬臂式挡土墙由立壁和底板组成，有三个悬臂，即立壁、趾板和踵板。 当墙身较高时，可沿墙长一定距离立肋板（即扶壁）联结立壁板与踵板，从而形成扶壁式挡墙。,1、薄壁式挡土墙,悬臂式和扶壁式结构示意图,悬臂式和扶壁式挡土墙的结构稳定性是依靠墙身自重和踵板上方填土的重力来保证，基底应力小。 特点：构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。 一般情况下，墙高6m以内采用悬臂式，6m以上采用扶壁式。,悬臂式挡土墙结构受力示意,按一般库伦理论计算作用于假想墙背AC上的土压力Ea，此时墙背摩擦角=。,锚定式挡土墙也属于轻型挡土墙，通常包括锚杆式和锚定板式两种。 锚杆式挡土墙主要由预制的钢筋混凝土立柱和挡土板构成墙面、与水平或倾斜的钢锚杆联合作用支挡土体，主要以埋置于岩土中的锚杆拉住立柱保证土体稳定的。 锚定板式挡土墙则将锚杆换为拉杆，在其土中的末端连上锚定板。它不适于路堑，路堤施工容易实现。,2、锚定式挡土墙,1）锚定式挡土墙特点： (1)结构质量轻，与重力式挡土墙相比，可以节约大量的圬工和节省工程投资； (2)利于挡土墙的机械化、装配化施工，可以提高劳动生产率； (3)不需要开挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困难，并利于施工安全。 缺点： 施工工艺要求较高，要有钻孔、灌浆等配套的专用机械设备。 使用场合： 一般适用于路堑地段，也可应用于陡坡路堤。,2）、锚杆抗拔力 锚杆抗拔力的确定是锚杆挡土墙设计的基础，它与锚杆锚固的形式、地层的性质、锚孔的直径、有效锚固段的长度以及施工方法、填注材料等因素有关。,锚杆的类型： 摩擦型灌浆锚杆； 扩孔型灌浆锚杆,3）锚杆式挡土墙,锚杆是一种受拉杆件，它的一端与工程结构物联结，另一端通过钻孔、插入锚杆、灌浆、养护等工序锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的稳定。,4）锚定板式挡土墙,锚定板挡土墙按墙面结构形式分为柱板式和壁板式。 柱板式挡土墙的墙面由肋柱与挡土板拼装而成，根据运输和吊装能力可采用单根柱，也可以分段拼接，上下肋柱之间用榫连接。,第九节加筋土挡土墙,加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的支挡结构物。由填料、在填料中布置的拉筋以及墙面板三部分组成。 加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土，它能改善土体的变形条件和提高其工程性能，从而达到稳定土体的目的。 加筋土挡土墙属于柔性结构，对地基变形适应性强，建筑高度也可很大，适于填土路基。须考虑其挡板后填土的渗水稳定及地基变形对其影响，通过计算分析选用。,1、概述,加筋挡土