2012-挡土墙设计.ppt

基础工程,东南大学,主讲教师 ： 童立元 电 话： 83793595E-mail :,第 09 讲,课程内容,基本概念 挡土墙类型选择 挡土墙设计 算例,挡土墙设计,挡土墙（earth retaining walls; earth retaining structures）是一种墙体或类似于墙体的结构物，是为了保证填土位置或挖方位置稳定，而修筑的永久性或临时性构造物。,自古以来，广泛应用于土木建筑工程；路桥渡河工程；水利水电工程；水土保持工程；矿山坑道工程等工程领域。 1902，美国Hilfiker Retaining Walls专业挡土墙公司成立。完成6000多个挡土墙项目，遍及美国、加拿大、非洲、东南亚和南美等国家，形成了多种产品和专业施工工艺。,一、概述,挡土墙设计,挡土墙型式,墙型选择 稳定性验算 地基承载力验算 墙身材料强度验算 构造要求和措施等,重力式 悬臂式 扶臂式 锚杆 锚定板式 加筋挡土墙等。,挡土墙结构形式分类：重力式、悬臂式、扶壁式、加筋土、板桩、锚杆（索）和锚定板式等。 随着挡土墙设计理论发展，根据不同工程地质条件，出现了混合式挡土墙、构架式挡土墙，竖向预应力锚杆挡土墙、箱型阶梯式挡土墙和砌块挡土墙等一些较新的挡土墙的结构形式。,挡土墙类型的选择应根据支挡填土或土体求得稳定平衡的需要，研究荷载的大小和方向、基础埋置的深度、地形地质条件、与既有建筑物平顺衔接、容许的不均匀沉降、可能的地震作用、墙壁的外观、环保的特殊要求、施工的难易和工程造价，综合比较后确定。,支撑建筑物周围填土的挡土墙,桥台,隧道,基坑围护结构,边坡挡土墙,码头,挡土墙功能分类,港口工程支挡,隧道结构支挡,公路工程支挡,桥梁结构支挡,城市地下结构支挡,2007年月日凌晨，重庆市彭水县境内的国道发生山体塌方，致使重庆到贵州和湖南方向的国道中断，没有造成人员伤亡。,失稳的加筋土挡土墙 （1）,锚喷、注浆和预应力锚固处理后的加筋挡土墙（2）,垮塌的重力式挡墙,垮塌的护坡挡墙（云南元磨高速某隧道口）,洛阳三门峡高速垮塌的坡间挡墙,二、挡土墙类型选择,结构简单，施工方便，能就地取材，适应性强，因而应用最广； 墙高在56m以下时，采用重力式挡土墙经济效果明显； 高度6m后，圬工结构量大，荷载重。,重力式挡土墙,重力式挡土墙以挡土墙自身重力抵抗土压力引起的弯矩，维持挡土墙在土压力作用下的稳定。,一般可用块石、砖，素混凝土和钢筋混凝土等材料建成、墙身截面较大。,一般重力式挡墙，墙高一般小于 68m；当墙高812m时，宜用衡重式；,根据墙背倾角的不同，重力式挡土墙又可细分为仰斜式、竖直式、俯斜式、衡重式和凸形等5种，每种的墙面或墙背有一定的坡度要求，特点各异。,荷载作用效应，仰斜墙的主动土压力最小，而俯斜墙的主动土压力最大。 挖方与填方特点，路堑边坡挖方，以墙背仰斜较合理；路堤边坡填方，则以墙背俯斜或乖直较合理。 墙前地形平坦，仰斜较好；地形较陡，垂直墙背为佳。 优先采用仰斜，其次垂直，特殊情况俯斜。,墙身稳定性能提高 地基应力分布均匀 墙身几何尺寸较小 挖基数量相对较小,衡重式挡土墙是在凸形上下墙背再增设衡重台（衡重式墙背），采用陡直墙面，借助于衡重台上填土自重和全墙重心后移，提高墙体稳定性，适用于边坡陡峻处路肩墙、路堤墙，也可用于路堑墙。,衡重式特点,体量大荷载水平高,薄壁式挡土墙是由钢筋混凝土材料构成的轻型支挡结构，依靠自重和踵板上方的填土重力来保持稳定，所设的墙趾板增大了抗倾覆稳定性，减小了基底应力。薄壁式挡土墙包含悬臂式和扶壁式两种形式。,薄壁式挡土墙,薄壁式挡土墙断面较小， 自重较轻，可充分发挥钢筋混凝土材料的性能，适用于填方边坡，多应用于承载力较低的地基上或有抗震要求的地区。,一般由钢筋混凝土建造，主要依靠墙锺悬臂以上土重维持稳定；墙体内设置钢筋承受拉应力，墙身截面较小。 适用墙高56m，地基土质较差，缺少石料等情况。墙高再增加，虽提高了建筑高度，但水泥量及断面配筋量显著增大，造价高且不利于机械化施工。 多用于市政工程及贮料仓库。,悬臂式挡土墙,扶臂式挡土墙,墙高6m以上挡土墙立臂挠度较大，为了增强立臂的抗弯性能，常沿墙的纵向每隔一定距离设置一道扶臂连接立壁与锺板加固，称为扶臂式挡土墙。 采用扶壁式，扶壁式挡土墙一般在89m。当墙高大于1015m，虽然提高了建筑高度，但水泥量及断面配筋量大，造价高，且不利于机械化施工。,锚固式式挡土墙,锚定板式挡土墙由预制的钢筋混凝土立柱、墙面、钢拉杆和埋置在填土中的锚定板在现场拼装而成。依靠填土与结构的相互作用力维持其自身稳定。 与重力式挡墙相比，结构轻、柔性大、工程量少、造价低、施工方便，适用于地基承载力不足地区。,锚（索）杆式挡土墙是利用嵌入坚实岩层的灌浆锚杆作为拉杆的一种挡土结构。,其它型式挡土结构,混合式挡土墙,构架式挡土墙,板桩墙,加筋土挡土墙,巫山加筋挡墙变形破坏机理进行数值和物理模拟，以及原位试验，成功地指导了目前国内最高的57m加筋土挡墙的修复工作。,吉奥生态挡墙是一种以L型网格状钢筋作为加筋材的加筋挡土墙， 其壁面可以绿化，能够达到人工构造物与自然的协调一致。 吉奥生态挡墙最初由美国开发，1988年引进到日本，至今已广泛应用于各种道路、土地造成和其他建筑物。 目前,该技术在中国处于起步阶段，已有2例施工完工， 多处已进入设计或施工准备阶段。,宜兴水库,吉奥绿化生态挡墙工程实例,沪杭甬高速公路拓宽工程宁波段,景观挡墙工程实例,轻质填料挡墙工程实例,三、挡土墙设计,（1）稳定性验算，包括抗倾覆和抗滑移稳定验算； （2）地基承载力验算； （3）墙身强度验算。,试算法,（1）根据挡土墙所处的条件（工程地质、填土性质以及墙体材料和施工条件等），凭经验初步拟定截面尺寸； （2）进行挡土墙的验算 （3）如不满足要求，修改截面尺寸或采取其它措施。,挡墙验算,截面确定,挡土墙外部稳定性验算，土压力荷载效应值应按承载力极限状态下荷载效应基本组合进行计算，各分项系数取值为1.0。 挡土墙前的被动土压力，一般不予考虑。当基础较深，地层稳定，不受水流冲刷和扰动破坏时，结合强身的位移条件，可以考虑适当的被动土压力。 在浸水和地震等特殊情况下，应按偶然组合考虑。,3.1 荷载作用效应,挡土墙地基承载力验算，确定基础地面尺寸，应采用正常使用极限状态下荷载效应的标准组合进行计算。,挡土墙结构受压、受弯、受剪、受拉内部承载力验算，采用承载力极限状态下荷载效应的基本组合进行计算，按要求选取相应分项系数。,计算挡土墙的变形时，传至基底的荷载效应按正常使用极限状态下荷载效应的准永久组合，且不计入风荷载和地震作用。,3.2 土压力计算,土压力计算是支挡结构设计合理经济的关键问题，包括土压力的大小、方向与分布等。,一般常见的K0：粘土为0.50.7；砂土为0.340.35。合力作用点位于距墙踵H/3处。,静止土压力,朗肯 土压力,合力作用点距墙踵H/3处，作用方向与墙背成角。, ，否则主动土压力系数为虚根。,俯斜 不宜太大，否则易出现第二滑动面。,仰斜不宜太大，墙背不宜缓于1：0.3。,库仑主动土压力,库仑被动土压力,上墙视为独立墙背，求出主动土压力E1，分布图形为abc。 下墙土压力计算，延长下墙墙背CB，交填土表面于D点；以DC为假想墙背，求算假想墙背土压力，分布图def；截取其中与下墙相应的部分，即hefg，其合力即为下墙主动土压力E2。,延长墙背法计算简单，是一种简化的近似算法。,折线墙背土压力,根据作用于破裂楔体力多边形，采用数解法求算折线墙背下墙土压力E2。,土体中存在的粘聚力对挡土墙土压力计算影响较大，一般采用等效内摩擦角法（综合内摩擦角法）或按粘性土的力学指标计算土压力。通常粘性土内摩擦角增大510作为等效内摩擦角；或取等效内摩擦角值为3035。,等效内摩擦角法,抗剪强度相等原理,土压力相等原理,考虑土体粘聚力和墙高影响，未能考虑挡墙边界条件（地面倾角和墙背坡度）等因素影响。,朗肯公式,如果允许土层有足够的侧向伸张，墙后土层顶部就会出现拉应力，墙后土层顶部会产生竖直裂缝。,库仑公式,粘性土土压力,不考虑裂缝土压力计算,将粘性土粘聚力看作是土的内结构压力，则粘性土可作为无粘性土来计算。,有限范围填土土压力,浸水挡土墙的土压力,浸水挡土墙墙后填料一般应用砂性土。 挡土墙浸水后，墙后土体受水的浮力作用容重减小，应扣除计算水位以下因浮力影响而减小的土压力。 砂性土的内摩擦角受水的影响不大（可以认为不变），而粘性土的抗剪强度则会有所降低。,当墙前水位骤降，墙后出现渗流时，挡土墙还将受到动水压力作用。,当墙后填土表面水平时，破裂角不受浸水影响；当填土表面倾斜或有荷载作用时，则破裂角受浸水影响略有变化，但对土压力计算影响不大，一般假设浸水后破裂角不变。,地震作用时土压力,挡土墙地震土压力计算，假定地震时，结构物视为刚体固定于地盘上，任一点加速度均与地表加速度相同，土体产生水平惯性力，作为一种附加力作用在破裂棱体上。 地震土压力通常采用静力法，又称惯性力法，增加了一个由破裂棱体自重W所引起的作用于棱体重心，方向水平，朝向墙后土体滑动方向的水平地震力Ph。,地震对挡土墙破坏主要是由于水平地震力引起，分析地震作用下土压力时，只考虑水平地震力影响。,3.3 问题分析,粘性土土压力计算问题,等效内摩擦角不仅随墙高变化，且与墙顶以上路堤填土高有关。另外，即使墙高相同，路堑墙与路堤墙两者的填土状况也不相同，只考虑墙高来确定等效内摩擦角还是存在问题的。 力多边形法计算可以较好的解决上述问题。,大多数填土均或多或少的具有粘聚力，设计中通常采用等效内摩擦角，或者力多边形法来计算粘性土土压力。,等效内摩擦角法一般为3035，适用设计墙高68m，低墙偏大（保守），高墙偏小（危险）。,墙高确定等效内摩擦角,仰斜墙背较俯斜墙背的土压力小，而后仰愈大，土压力愈小。当地面有横向坡度时，相应墙高增加，但考虑高度增加影响，墙身截面仍然是仰斜相对俯斜小，且后仰愈大，墙身截面愈小。 因此，重力式挡土墙的墙背坡度一般用1:0.25的坡度。,后仰不宜过大,仰斜坡愈大，库伦公式计算值愈偏小。仰斜1:0.25时，偏小10%左右；仰斜1:0.3或1:0.35，则偏小15%20%。,后仰度过大，墙身重心后移，墙背仰斜大于1:0.25时，墙身向填土方向倾斜，给施工造成困难，基底负偏心过大，且墙踵压应力过大。,墙背的土压力分布特性与墙身位移条件有关，墙身位移有以下四种形式：（1）绕墙踵转动；（2）绕墙顶转动；（3）平移；（4）组合位移形式。 绕墙踵转动时土压力接近三角形分布，其余位移形式则呈曲线分布。实际墙体位移是土压力作用和地基土不均匀沉降综合，常为各种形式位移的组合，墙背土压力分布多呈曲线形。,（1）曲线形分布实测土压力总值与按库仑理论计算土压力总值近似相等； （2）在平面填土情况下，曲线分布土压力作用点距墙踵高度约为（0.400.43H）。,模型试验,土压力分布,使用库仑理论计算土压力简便的原因在于它假设在极限状态下破裂面是平面。然而，这一假定与实际情况不符。试验和理论均表明，破裂面为一曲面，而用粘土填料时曲面更显著，在断面上呈对数螺旋线形状。,假定破裂面为平面，库仑理论计算结果使主动土压力的计算值偏小。同时，这一假定使得破裂棱体平衡所必须的力系对于任一点力矩和等于零的条件不能满足。,极限平衡理论是根据破裂棱体静力平衡条件，假定墙身及破裂棱体均为刚体，无法考虑土的应力应变关系，以及墙身、基底及填土的共同作用，只能求得极限平衡时的土压力，而得不到位移。 许多情况下位移量有限，不可能达到主动极限平衡状态，墙面系上作用力采用主动土压力不尽合理。 目前，尚未有计算介于静止土压力和主动土压力之间的土压力的方法，一般采用修正系数的经验方法。,极限平衡状态,破裂面形态,3.4设计验算,地基承载力,外部稳定,结构强度,抗倾覆稳定 抗滑移稳定,整体滑动,偏心抗压,结构弯拉,结构冲剪,1. 抗倾覆假定,抗倾覆验算,如验算结果不能满足要求，可按以下措施处理： （1）增大挡土墙断面尺寸，使G增大，但工程量也相应增大； （2）伸长墙趾。但墙趾过长，如厚度不够，需配置钢筋； （3）墙背做成仰斜，可减小土压力； （4）在挡土墙垂直背上做卸荷台。,技术处置,2. 抗滑移假定,抗滑移验算,如验算结果不能满足要求，可按以下措施处理： （1）增大挡土墙断面尺寸，使G增大； （2）墙基底面做成砂、石垫层，以提高值； （3）墙底做成逆坡，利用滑动面上部分反力抗滑； （4）软土地基上，其它方法无效或不经济时，可在墙踵后加拖板。,技术处置,3. 园弧滑动稳定性验算,土质较软弱时，可能产生接近于圆弧状的滑动面而丧失其稳定性，可采用条分法进行分析验算。,4. 地基承载力与偏心验算,地基承载力验算方法和要求同天然地基浅基础验算。,承载力,偏心验算,在一般土质地基上，eb/6 在软弱岩石地基上，eb/5; 在不易风化岩石上，eb/4,5. 墙身强度验算,挡土墙墙身材料强度应进行偏心受压、抗剪强度等验算要求。根据规范如下规范进行验算： GB500102002混凝土结构设计规范 GB500032001砌体结构设计规范,正应力强度 偏心距 剪应力强度,3.5 设计过程,挡土墙设计阶段通常分为初步设计和施工设计两个阶段。 初步设计阶段：根据设计任务书明确的主要技术条件，论证挡土墙结构修建可行性，提出平面布置，结构类型选择的最佳方案，给出工程量及造价的概算。 施工设计阶段：确定挡土墙结构平面布置，结构类型，截面形式及构造，决定整个结构全部尺寸，给出工程数量造价。对控制工程及独立高墙作出单独设计。应给出平面布置图，纵平面图，墙的大样图，相关的一些构造图，工程量及造价计算表，设计说明表。,地形 地质,挡墙 类型,拟定 尺寸,工程 经验,调整尺寸工程措施,抗滑稳定 抗倾稳定 基底应力 截面强度,工程 验算,施工图,满足,不足,3.6重力式挡墙选型和构造,（1）墙背主动土压力（仰斜最小、直立居中和俯斜最大），仰斜墙背较为合理。,（2）开挖临时边坡后筑墙，仰斜墙背可与边坡紧密贴合，仰斜墙背比较合理；如在填方地段筑墙，仰斜墙背填土的夯实较困难，俯斜墙和直立墙较合理。 （3）从墙前地形陡缓，较为平坦时，用仰斜墙背较为合理；如墙前地形较陡，宜用直立墙，俯斜墙的土压力较大，而仰斜墙需加高墙身。,墙背倾斜型式,墙前地面较陡，墙面坡可取1:0.051:0.2，亦可采用直立截面；墙前地形较为平缓时，中、高挡土墙墙面坡度可较缓，但不宜缓于1:0.4；仰斜墙背坡度不宜缓于1:0.25，且墙面应尽量与墙背平行。,为了增加墙身的抗滑稳定性，基底做成逆坡是一种有效方法。土质地基的基底逆坡不宜大于0.1:1，岩石地基不宜大于0.2:1，逆坡过大，可能使墙身连同基底下的三角形土体一起滑动。,墙面坡度的选择,基底逆坡坡度,墙高较大时，为了使基底压力不超过地基承载力特征值，可加墙趾台阶，这对墙的倾覆稳定也有利。墙趾台阶高宽比可取2:1，但宽度不得小于20cm。 此外，基底法向反力的偏心距应满足 eb1/4（b1为无台阶基底宽度）。,如无特殊要求，块石挡土墙一般不应小于0.5m，混凝土挡土墙可取0.20.4m。,墙趾台阶,墙顶宽度,泄水孔：间距宜取23m，外斜5，孔眼直径宜不小于100mm。 反滤层：泄水孔入口处应用易于渗水的粗颗粒材料（卵、碎石等），设置滤水层以免淤塞。 隔水层：墙后地面及最低泄水孔下部应铺设粘土层并夯实。 墙前回填土应分层夯实，并修筑散水沟或排水沟。 截水沟：墙后有山坡时，应在坡下设置截水沟。,排水措施,墙后填土宜选用透水性较强的填料。当采用粘性土作填料时，宜掺入适量的块石；季节性冻土地区，墙后填土应选用非冻胀性填料（如炉渣、碎石、粗砂等）；对于重要的、高度较大的挡土墙，不宜采用粘性填料。 墙后填土均应分层夯实，以提高填土质量。,填土与构造,挡土墙每隔1020m应设置伸缩缝。当地基有变化时宜加设沉降缝。在拐角处应适当采取加强的构造措施。,“粘聚力理论”Coherent Gravity Theory (Vidal，1966)， 由筋土简单摩擦加固原理转化而来。,四、现代加筋土挡墙,加筋土复合体中拉应力通过土与筋材间剪切作用传递到相邻拉筋上，而筋材间土体自身仅承受压应力及剪切应力，从而使加筋土体成为具有一定自承约束的复合结构。,工作机理,法国LCPC-Laboratoire Central des Ponts et Chaussees，建立了张拉破坏，加筋土系统工作机理模型(Schlosser and Long, 1973) 英国南安普敦NSW-New South Wales Institute of Technology建立了另一加筋土系统工作机理模型Sigma Model (Hausmann,1976) 。,张拉破坏Tensile Failure,边界破坏Bond Failure,迄今为止，加筋土系统工作机制模型以Sigma Model最为简单、全面和合理。Sigma Mode