坚基自嵌式挡墙可行性报告和计算说明书

坚基新型自嵌式挡墙可行性报告和设计计算书广州市坚基环保数码彩砖有限公司2011 年 9 月序言本报告和计算说明书由中国建筑砌块协会、华南理工大学土木与交通学院、广州市白云设计院指导编写，坚基数码环保彩砖有限公司参考美国混凝土砌块协会编写的Design Manual For Segmental Retaining Walls 并严格按照该规范编写，旨在为土工合成加筋土模块式挡墙提供设计准则，该技术在国内领域尚未有权威的指导，本设计规范为建造稳定安全、低成本的自嵌式加筋挡墙提供了必要的设计准则和工程程序。设计手册中详尽的介绍和计算方法使模块式自嵌挡墙建筑系统中相应产品的生厂商、供应商、设计院、施工单位在制定规格和设计图纸以及施工时有共同的理论基础。然则由于时间和编写者水平有限，书中难免出现疏漏和错误之处，望读者及时指正。编者公 司 名 称 ： 广 州 市 坚 基 环 保 数 码 彩 砖 有 限 公 司公 司 地 址 ： 广 州 市 白 云 大 道 北 永 平 街 东 平 西 隆公 司 邮 箱 ： 业 务 联 系 人 ： 李 生 ）坚 基 新 型 自 嵌 式 挡 墙 可 行 性 报 告 和 设 计 计 算 书 目 录一 .介 绍 和 可 行 性 报 告1.挡 土 墙 背 景 介 绍 和 新 型 挡 墙 的 概述 42.加 筋 自 嵌 式 挡 墙 工 程 的 特点 43.加 筋 自 嵌 式 挡 墙 的 受 力 机 理 及 工 作 原理 54.自 嵌 式 挡 墙 特 殊 或 突 发 状 况 时 的 工 作 稳 定性 85.实 用 新 型 自 嵌 式 挡 墙 砖 的 介绍 9二 .自 嵌 式 挡 墙 计 算 说 明 书1.基 本 资料 132.外 部 稳 定 性 分 析 计算 15（ 1） 抗 滑 稳 定 性 验算 16（ 2） 抗 倾 覆 稳 定 性 验算 17（ 3） 地 基 承 载 力 验 算 及 计 算 极 限 地 基 承 载力 183.内 部 稳 定 性 分 析 计算 19（ 1） 要 求 最 少 的 钢 筋 层数 19（ 2） 土 工 格 栅 钢 筋 承 载 力 验算 20（ 3） 分 析 钢 筋 的 拨 拉 阻力 21（ 4） 分 析 加 筋 网 片 内 部 滑移 23（ 5） 混 凝 土 垒 块 与 土 工 格 栅 之 间 的 连 接 强度 26（ 6） 分 析 每 层 土 工 格 栅 高 层 的 膨 胀 力 阻力 27三 .新 型 自 嵌 式 挡 墙 造 价1.传 统 砂 浆 砌 筑 挡 墙 与 新 型 自 嵌 式 挡 墙 造 价 对 比 29四 .新 型 自 嵌 式 挡 墙 结 构 特 点 和 优 势1.新 型 自 嵌 式 挡 墙 结 构 特 点 和 优势 31五 .新 型 自 嵌 式 挡 墙 施 工 流 程1.新 型 自 嵌 式 挡 墙 施 工 流程 322.挡 土 墙 抗 冲 刷 实 验 报告 38六 .坚 基 自 嵌 式 挡 土 墙 专 家 评 审 会 专 家 意 见1.坚 基 自 嵌 式 挡 土 墙 专 家 评 审 会 专 家 意见 412.坚 基 自 嵌 式 挡 墙 专 家 评 审 会 专 家 签 名表 42自 嵌 式 挡 墙 介 绍 及 可 行 性 报 告1. 挡 土 墙 的 背 景 介 绍 和 新 型 挡 墙 的 概 述 ：挡 土 墙 是 指 支 承 路 基 填 土 或 山 坡 土 体 、 防 止 填 土 或 土 体 变 形 失 稳 的 构 造物 。 近 十 余 年 来 ， 新 式 柔 性 结 构 挡 土 体 系 广 泛 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 砂 浆 砌 块 片 石 挡 墙 更 容 易 施工 ， 并 且 美 观 、 耐 久 。按照结构形式，挡土墙分为：重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙等。按照墙体材料，挡土墙分为：石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等。传统模块式挡墙是指挡土仅通过自身重量和挡墙模块单元的粘结来抵御外部不稳定力的结构。加筋土挡墙是指多层土工合成钢筋材料通过大量加筋土加固成模块式挡墙的模块，由单元组合而成。自嵌式挡墙在河流水利工程中的应用，在结构上来讲，属于加筋土挡土墙，按照材料分类，属于混凝土挡土墙。总的来说，垒块是由混凝土材料建造的，土工格栅钢筋网分担应力，配合锚固棒，令自嵌式挡墙整体十分稳定。2. 加筋自嵌式挡墙工程的特点：1可以做成很高的垂直填土，从而减少占地面积，这对不易于开挖的地区、城市道路以及土地珍贵地区而言，有着很大的经济效益。2面板、筋带可以在工厂中定形制造、加工，在现场可以用机械分层施工。这种装配式施工方法简便快速，并且节省劳动力和缩短工期。3加筋土是柔性结构物，能够适应地基较大的变形，因而可用于较软的地基上，因而加筋土挡墙对地基强度不作特别的要求。同时，由于加筋土结构所特有的柔性能够很好地吸收地震的能量，故其抗震性好。4造价低廉，节省劳动力。加筋土的基本原理是借助于拉筋与填土间的摩擦力来提高填土的抗剪强度，从而保证土体平衡。施工中挡墙自定位，自卡锁，可降低工程造价和施工难度，节省劳动力，缩短工期，便于维修并可重复利用。3. 加筋自嵌式挡墙的受力机理及工作原理：无须砂浆粘结而逐层码放在碎石骨料垫层上的新型自嵌式挡土块挡墙及护坡这样的特有的施工方法使得墙体或护坡成为柔性的重力式结构，能够适应较大的整体沉降和一定程度的不均匀沉降（一般允许 1%）。在受到地震荷载或其它动力荷载的作用时，结构稳定、力学性能卓越。加筋土体工作时，土和拉筋一起承受外部和内部的荷载，由于土与拉筋之间的摩擦作用，将土中的应力传递给拉筋，而拉筋所产生的拉应力抵抗了土体的水平位移，就好像在土体中增加了一个内聚力，从而改进了土体的力学特性。因此，土与拉筋间的摩擦作用是加筋土体能否稳定的一个重要因素。加筋土挡土墙的受力机理比较复杂，工作原理是拉筋与填土（通常是颗粒材料）之间的摩擦作用，可以解释如下：加筋土看作是由拉筋和土组成的一种复合材料。三轴试验表明，对干燥的砂土试样施加竖向压力，试样会产生侧向膨胀；如果土中水平放置不易延伸的拉筋后，由于筋土的摩擦作用，使拉筋受到拉力，而给予土料的侧向位移以约束力，这就好比在试样上又施加一个侧向压力。当竖向压力增加时，侧向约束力随之增大，直到土与拉筋之间出现滑移或拉筋断裂，试样才破坏。因而，加筋土的强度相应获得提高。 为使侧向约束力较大，一方面要设法增加土粒和拉筋接触面上的摩擦力，也就是采用料径较大的填料和表面粗糙的扁形拉筋；另一方面，应使用延展性较差的材料做拉筋；材料的延展性过大，拉筋将随土料侧向位移一起变形，而起不到侧向约束使用，就不能提高土的强度。拉筋一般应水平布设并垂直于墙面。拉筋在稳定区内必须有足够的长度，以防止拉筋被拔出。 河流中的自嵌式挡墙把土工格栅分层铺设在地基和回填土中，使土工格栅和土体共同承受内、外荷载的作用。利用土工格栅配合锚固棒的作用，土工格栅与土体接触面的摩擦作用，使回填土中的水平应力经土工格栅网层扩散，转化为土工格栅与土界面的剪应力，从而降低软地基受力，固结土体，防止自嵌式挡墙塌陷。自嵌式挡墙形成的复合土体中，加筋使地基土增加了粘聚力，增加了土体的内摩擦角，从而增强了软地基的承载能力。自嵌式挡墙墙体重量轻，对地基承载力要求低，回填土部分可采用空心结构，大大减少了桩基和地基的处理费用。静水压力对挡土墙及护坡的稳定性产生重要的影响，一般的刚性结构挡土墙仅靠墙趾滤水骨料或排水管排水，为抵抗较大的水压力而不得不加强结构自身稳定性，缺乏合理性。新型自嵌式挡土墙采用墙面和墙趾同时排水的方案，由于采用墙面与墙趾同时排水的排水结构，水压力被减小，墙体的整体稳定性得到了保证。下图为一典型的自嵌式挡墙综合性能示意图：下图为自嵌式挡墙典型截面：4. 自嵌式挡墙特殊或突发状况时的工作稳定性及解决方案：软地基施工：新型自嵌式挡墙把土工格栅分层铺设在软地基和回填土中，用土工格栅和回填土的摩擦作用，使回填土和混凝土垒块之间的垂直和水平应力经过土工格栅层水平扩散，转化为土工格栅与回填土的剪应力，从而降低了软地基受力，起到防止自嵌式挡墙塌陷、沉降。挡墙加筋增加了地基土的粘聚力，同时增加了土体的内摩擦角，从而增强了软地基的承载能力，因此新型自嵌式挡墙完全可以在湿软地基上施工建造。地震突发情况：典型的自嵌式挡墙是由多个带有结构的自嵌式干垒垂直方向错位叠加而成，水平方向用土工格栅将块体，反滤层和回填土形成一体，为地震提供了附加的转力路径。地震时块体，碎石和加筋网的运动吸收大量能量，可以降低整个结构的地震反应，一旦连接点超载，可由相邻的许多连接点分担荷载，降低地震可能产生的危害。因此自嵌式挡墙结构的减震效果是稳定可靠的。复位后，由于锚固棒和土工格栅有一定的弹性，可以在一定时间内恢复到初始的状态，继续正常使用。洪水或干旱易发区：水流迅速变化时，即洪水突发情况，自嵌块是干垒的，无砂浆砌筑，因此水流可以迅速进出，干垒中的级配碎石起到挡土而不挡水的作用，能及时把墙背的剩余水压力迅速减少，有效降低水位，因此自嵌式挡墙可以提高洪水突发情况的抗灾能力。级配碎石及非粘性土孔隙比大，为水的交换提供了条件。丰水期，河水向当墙外的地下水层渗透，储存水流，缓解洪灾；枯水期，地下水通过挡墙反渗入河，缓解旱灾。挡墙洪水和干旱等不利情况下起到滞洪补贴，调节水位的作用。5. 实用新型自嵌式挡墙砖的介绍及具体特点：通过对以上内容的概述，我们对加筋土挡土墙的型式、构造、特点和工作原理有所了解和掌握，从而能够准确的布置和使用加筋土挡土墙。由我公司生产的已经申请专利的实用新型砖能够最大限度的发挥自嵌式挡墙的优势和特点。该砖名为新型自嵌式挡墙砖，现展示其实物正面，立面，侧面，立体图：本自嵌式挡墙砖前段大，后端小，转体两侧设置有凹槽，转体左右两侧开设有多个连接孔，堆放时，连接孔将与上下层叠的当墙砖的连接孔交错对应。与现有技术相比，本实用新型的自嵌式挡墙砖不仅生态环保，便于施工，而且可以通过转体之间的自嵌式连接结构，形成拟重力结构，使整个墙体安全稳定。具体理由如下：自嵌式挡墙上下层叠，上层自嵌式挡砖右侧前一个连接孔和下层自嵌式挡砖右侧后一个连接孔相对应，锚固棒插在两个连接孔之间，使得上下左右自嵌式挡砖形成一个柔性整体，可以增加抗剪强度，提高防水流的撞击能力。自嵌式挡墙砖大孔内可填充级配碎石，增加砖与砖，砖与土之间的抗剪强度。自嵌式挡墙两端的凹槽设置可以形成一定的转角，并可填充级配碎石，为鱼卵提供生存的空间。特别地，本实用新型自嵌式挡墙砖体表面设置有凹凸纹路，不仅外表更加美观，且当波浪或水流冲击转体前表面时，会产生回流，与后续及两旁的波浪相抵，可以起到缓冲的作用，减少波浪冲击的力度。 下面展示坚基公司另一种应用更加广泛的自嵌式挡墙砖：该砖有六个（三对）插锚固棒的小孔，结构稳定，挡墙倾斜角及外形更加多变、灵活。该砖在空心槽中培土，人工放置帮助植物生长的肥料养份，种植适宜当地气候环境，以及符合项目周边景观需要的相关植物花草。为水生植物提供了良好的生长空间，为净化水质创造了条件，加强了水体的生态平衡。下面是由我公司为新型研发的自嵌式当墙砖进行详细的自嵌式挡墙设计和计算。自嵌式挡墙分为外部稳定性计算和内部稳定性计算。具体设计和计算方案如下。自嵌式挡墙计算说明书设计依据：1.美国混凝土砌块协会Design Manual For Segmental Retaining Walls2.公路加筋土工程设计规范3.建筑地基基础设计规范一. 计算所需各项资料：1.砖块基本资料（以下单元均取国际单位，力的单位取 KN，长度的单位取m.）最小宽度 0.195边缘宽度 0.300最大宽度 0.450宽度，取 Wu=0.300高度，取 Hu=0.147砖块前面至其重心的距离 Gu=0.150两砖块间最小抗剪强度 au=11.000两砖块间摩擦角 u=25.000 取 u=0.436（弧度制）容重 u=20.000(RN/m3)2.各项容许安全系数：（出自加筋土工程设计规范）抗滑容许安全系数：FS su=1.500抗倾覆容许安全系数：FS ct=2.000承载容许安全系数：FS bc=1.500抗拉容许安全系数：FS ta=1.000抗拉出破坏容许安全系数：FS po=1.500抗拉结能力容许安全系数：FS cs=1.000抗剪容许安全系数：FS sc=1.5003.挡土墙整体资料总高度 Hs=4.000地下水面至墙底高度 Hw=0.000活荷载 qL=5.000恒荷载 qD=15.000填土面与水平面夹角 =0.000 =0.000挡土墙表面倾斜角 =10.000 =0.180水的容重 w=10.0004.回填土各项参数内摩擦角 i=25.000 =0.436（非粘性土，含水饱和的细砂）湿容重 i=19.000饱和容重= is=20.000墙背面与填土之间的摩擦角 i=2 i/3=0.2915.被挡土工程参数内摩擦角 r=25.000=0.436湿容重 r=19.000饱和容重= rs=20.000与回填土之间的摩擦角 =min( i, r)=0.4366.地基土各项参数内摩擦角 f=25.000 =0.436容重 f=20.000粘聚力 Cf=0.000埋置深度 Hb=0.7007.土工格栅各项参数容许拉应力 Ta=50.000与砖块之间最小拉结力 acs=11.700与砖块之间摩擦角 cs=25.000 =0.436直接滑移系数 Cds=0.700拉出时相互作用系数 Cf=0.700注：1. 按照国家挡土墙施工规范，回填土部分须采用透水性好的土，因此施工中采用非粘性土。河流自嵌式挡墙回填土属于含水饱和的非粘性土，其内摩擦角在 25 左右，设计时优化内摩擦角，取 25，具体数值当地试验进行测定。2. 土工格栅选用双向塑料土工格栅，自嵌式挡墙土工格栅层数一般设置45 层以满足结构要求。最底层垒块和第二层垒块间铺设一层土工格栅，其余层数可均匀铺设，高层土工格栅长度可根据回填土开挖情况适当增长。二. 外部稳定分析计算取加筋土包括挡土墙的长度 L=3.000，必须大于 2HS/3=2.67加筋土长度 L=L-Wu=2.700L=0.000Lb=L+L=2.700H=Lb tanb=0.000加筋土后面高度 H =Hs+h=4.0001、抗滑稳定验算 如上图：挡墙滑移破坏模式外部主动土压力系数 Kaext= 284.0)cos()s(ini1)cos(22 rr考虑墙后地下水影响时的等效容重 4.7)()1(trsaextwaexteqvk外部主动土压力 qextwtstP3.1)co(5.02HKPraextsext作用点位置 .3/yst 0)c(.2weqvwext 97.21os(KPDLaxtqt作用点位置： 0./Hyqext713.6aextP作用点位置： 563.1/)(aqwsaext PyyP地基以上垂直压力 brRW挡土墙以内加筋土重量 0.28isrLHW作用点位置 641)tan(5.0srX挡土墙高度以上加筋土的重量 .5.ib作用点位置 82ta32subL由固定荷载引起的垂直压力 0.4bDqlW作用点位置 37/tanbalHX50.268RW作用点位置 942.1/)( RqbrRX基础没有土工布因此取滑移系数 0dsC加筋土底部抗滑力 ,min21ss095.12tan1iRdssWC.)t(2ifssL.5s抗滑安全系数 50.1963.1/sldaextssldFSPRFS抗滑稳定结果验算：安全！2、抗抗倾覆稳定验算如上图：挡墙倾覆破坏模式倾覆力矩 cosaextoyPM抗倾覆力矩 RXW不确定，但可消去，cs抗倾覆安全系数 0.2236.5/0 ctaextRRct FSyPXFS抗倾覆稳定验算：安全！3、地基承载力验算及计算极限承载力：如上图：地基承载力不足破坏模式计算地基对加筋土偏心距离 e mWLXyPeRaext 08.)2/(计算等值基础宽度 4.|eB地基承受的压强 30.9/)(LqQBRa计算地基抗载力破坏的安全系数 acfbPFS/假设地基容许承载力为 170kpa，则 1.720bcFS50.172.1bcbcS地基承载力验算结果：安全！三. 内部稳定性分析计算1、要求最少的钢筋层数如上图：土工格栅承载力破坏模式求出由于加筋筑填产生的内部土压，其中qwsaPmkNP)/( )cos()(05.int2it iDlaqwissHK内部主动土压力系数：297.0)cos()s(ini1)cos(22int iaK将 带入 ， 的公式，求出 =43.673 =22.986intaKsPqsPq因此 659.ws求出土工格栅钢筋最小层数 3.1/minaTN即 2minN取土工格栅层数 N=4选择挡土墙底部至每一层网片高度如下E(1)=0.300E(2)=1.400E(3)=2.500E(4)=3.6002、土工格栅钢筋承载力验算如上图：土工格栅承载力破坏模式计算钢筋有效分摊作用面积 )(ncA， )(D和 )(n分别由墙顶和地下水面至该面积中心的垂直距离475.02/90./)(512./60./)(57328./4321342131csccccsccscADEHAAhDE计算外加抗张荷载 )(nFg)/(531.269/04.)(7cos)4()(1 )(int)(mkNFgkAcKFgiain比较外加抗张荷载和长期设计强度 0.7)1(Ta第一层土工格栅钢筋承载力：安全!5426)2( Fg第二层土工格栅钢筋承载力：安全!.9)3(第三层土工格栅钢筋承载力：安全!01)4(Ta第四层土工格栅钢筋承载力：安全!3、分析钢筋的拨拉阻力。如上图：土工格栅拉结能力破坏模式已知加钢筋网片长度 0.3)(nL第 n 层加钢筋网片在破坏面以外的锚固长度 )(nLa；t)9ta()()()()()( ninEEWLa计算内部破坏面与水平面的夹角 i cot()tan(t(1 )cot()an1a)ta()tan( iii iiiiiiii计算出 ti=0.4468i=24.075i=24.075+25=19.075加筋网片破坏长度以上加筋土平均覆盖层厚度 40. 234.0tan)90tan(5.1 98.tt60.2 741.tan)90tan(7.3 95.2tt t)/()( 443 33221 11 (dEEWLadLaEEWHHdiuiiui nsnsn 求每层钢筋的拉结力 )/(450.3tan)(928/17.t)(6)(tan44332211) mkNqdCzLaAzqdLaii ii ininn 第 n 层加筋网抗拨拉安全系数 )()(/ngnpoFACS.117.8/)(1)( gpo FFS第一层钢筋抗拨拉能力验算结果：安全！ 50.560.4/)2()2( pogpo SAC第二层钢筋抗拨拉能力验算结果：安全！ .19.3/)(3)( pogpo FFS第三层钢筋抗拨拉能力验算结果：安全！ )4()4(/gpoACLa必须增加到 0.35 以上4=5.205 50.1056.2/)4()( pogpo FSACFS第四层钢筋抗拨拉能力验算结果：安全！4、分析加筋网片内部滑移。如上图：土工格栅内部滑动破坏模式如果最底层土工格栅钢筋层有足够的抗滑力，那么其他层土工格栅也会有足够的力来阻挡相关的主动土力。因此需要计算钢筋最底层的内部滑移。 enELta/)(1先计算外部破坏面与水平面夹角 ecot()tan(t(1 )cot()an1an)ta()tan( eee eeee=0.4215因此 e=22.855e=+22.855=47.855最底层加筋网片长度缩短值 215.tan/)(12eEL最底层网片滑移长度 0.tan48510.)tan/(t.)1()( )()1()( DSSuLhW计算长度 )(S以上的垂直压力： 671.25.)1()1(1)1()( bDSiisR LqhEHW计算最底层土工格栅钢筋的滑移阻力 ：31.4tan)1()1( iRdssWC计算最底层土工格栅钢筋的模块混凝土单元的受剪承载能力： ta)1()()1(wunV其中 )1)( EHh检验枢纽高度或总墙高是否合适 648.70.31hsEH，则 )1(wW中的 )1EHh取为 h，即 9)(wW6.5)1(nV第一层土工格栅钢筋网片抗滑稳定安全系数 )1()()1()1( /anssl PVRFS其中 )cos()()cos()(5.0co5.02)( eDlaextnweqveraxta HqKEHHKP7.3)1Ehse计算出 2.6)(a则 49./)1()1()( anssl PVRFS50497.3)1(sldsl S加筋网片内部滑移验算结果：安全！5、混凝土垒块与土工格栅之间的连接强度。分析每一层模块混凝土与土工格栅之间的连接是否牢固。如上图：土工格栅连接强度，土工格栅与垒块连接强度不足第 n 层土工格栅与垒块之间连接强度： 40.2)(96.15)(tan)4( 33)2(1)( EHwWTSSwcswcsultco连接强度计算表如下：钢筋网 n )(nwW)(nultcoT（KN/m）1 0.300 22.200 22.0452 1.400 15.600 18.9703 2.500 9.000 11.8944 3.600 2.400 8.818第 n 层土工格栅与垒块之间的连接安全系数 )()(/nultcosFgTS0.130.1)( cscsFSFS 安全！8)2( ss安全！.5.)3( cscs安全！014)( ssFSFS安全！6、分析每层土工格栅高层的膨胀力阻力。如上图：挡墙顶部无加筋土块导致倾覆计算每层土工格栅挡土墙的水平主动土力： )cos()( )cos()(5.05.0int 22int)( )()()( inSola inwieqvanwsnaEHqKEHgPP第 n 层加筋网以上所有加筋网共同承担的土压力为 NniFg1)(NniFg1)4(=0.000 )4(aP=2.811ni1)3(=2.531)3(a=15.167NniFg1)2(=11.787 )2(aP=18.959NniFg