重力式挡土墙.doc

。第1章 绪论1.1 挡土墙的基本概念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建筑物。通常用块石、砖、素混凝土及钢筋混凝土等材料构成。在路基工程中，挡土墙可以用来稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治塌方、滑坡等路基病害。挡土墙在山区公路中应用更为广泛。路基的下列情况宜修建挡土墙：陡坡路段或岩石风化的路堑边坡；需要降低路基边坡高度以减少大量填方、挖方的路段；增加不良地质路段边坡的稳定，以防止产生滑塌防止沿河路段水流冲刷；桥梁或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；保护重要建筑物，生态环境或其他需要特殊保护的地段。在铁路工程中广泛应用于支撑路堤或路堑以及隧道洞口、桥梁两端的路基边坡和河流岸壁等。在其他工程包括公路、铁路、水利、建筑及矿山建设中均普遍使用到挡土墙。图 11挡土墙的结构图按照墙的设置位置，挡土墙可分为路肩墙、路堤墙、路堑墙和山坡墙等类型 (图 1-1)。路肩墙或路堤墙设置在高填路堤或陡坡路堤的下方，可以防止路基边坡或基底滑动，确保路基稳定，同时可收缩填土坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积，以及保护临近线路的既有重要建筑物。滨河及水库路堤，在傍水一侧设置挡土墙，可防止水流对路基的冲刷和侵蚀，也是减少压缩河床或少占库容的有效措施。造 价。设置在桥梁两端的挡土墙，作为翼墙或桥台，起着护台及连接路堤的作用。而抗滑挡土墙则用于防治滑坡。挡土墙各部分名称如图(图 1-1c)所示。靠填土(或山体)一侧为墙背，外露一侧为墙面，墙面与墙底的交线为墙趾，墙背与墙底的交线为墙踵，墙背与铅垂线的交角为墙背倾角。墙背的倾角方向，比照面向外侧站立的人的俯仰情况，分俯斜、仰斜和垂直三种。墙背向外侧倾斜时，为俯斜墙背(图 1-1c)，为正；墙背向填土一侧倾斜时，为仰斜墙背(图 1-1a)，为负；墙背铅垂时，为垂直墙背(图 1-1b)，为零。如果墙背具有单一坡度，称为直线形墙背；若多于一个坡度，则称为折线形墙背。选择挡土墙设计方案时，应与其它方案进行技术经济比较。例如，采用路堑或山坡挡土墙，常须与隧道、明洞或刷缓边坡的方案作比较；采用路堤或路肩挡土墙，有时须与栈桥或陡坡填方等相比较，以求工程经济合理。目前我国多采用重力式挡土墙，重力式挡土墙是由块石、毛石砌筑,它靠自身的重力来抵抗土压力。由于其结构简单、施工方便、取材容易而得到广泛应用。重力式挡土墙的缺点是当墙高超过五米时，要保证其稳定性，势必造成很大的体量，材料用量较多，不太经济。支护结构在各种土建工程中得到广泛的应用，如在铁路、公路工程中用于支承路堤或路堑边坡、隧道洞口、支承桥台后台填土，以减少土石方量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治塌方、滑坡等路基病害；在水利、港湾工程中支挡河岸及水闸的岸墙；在民用与工业建筑中用于修建地下连续墙等。随着大量土木工程在地形复杂地区的兴建，支挡结构愈加显得重要。支挡结构的设计将直接影响到工程的经济效益及安全。1.2 挡土墙的基本类型常用的挡土墙型式有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、锚杆及锚定板式和加筋土挡墙等；道路工程中还可以根据挡土墙设置位置的不同可分为路肩挡土墙、路堑挡土墙和路堤挡土墙；根据其墙体材料可以分为砌石挡土墙、混凝土或钢筋混凝土挡土墙等；而在理论研究中侧重于研究作用于挡土墙的荷载、挡土墙稳定边坡的作用机理等因素，所以在理论上一般根据其结构和受力机理等特点可分为：重力式挡土墙、衡重式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶臂式挡土墙、加筋挡土墙、锚杆式挡土墙、锚定板式挡土墙、土钉式挡土墙、桩板式挡土墙等。 (1)薄壁式挡土墙薄壁式挡土墙是钢筋混凝土结构，属轻型挡土墙，包括悬臂式和扶壁式两种形式。它是由立壁(墙面板)和墙底板(包括墙趾板和墙踵板)组成，呈倒“T”字形，具有三个悬臂，即立壁、墙趾板和墙踵板。扶壁式挡土墙由墙面板(立壁)、墙趾板、墙踵板及扶肋(扶壁)组成。当墙身较高时，在悬臂式挡土墙的基础上，沿墙长方向，每隔一定距离加设扶肋。扶肋把立臂同墙踵板连接起来，扶肋起加劲的作用，以改善立壁和墙踵板的受力条件，提高结构的刚度和整体性，减小立壁的变形。扶壁式挡土墙宜整体灌注，也可采用拼装。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，而且墙趾板也显著地增大了抗倾覆稳定性，并大大减小了基底应力。它们的主要特点是构造简单、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，能适应堆载力较低的地基。一般情况下，墙高6m以内采用悬臂式，6m以上则采用扶壁式。(2)加筋土挡土墙加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的一种支挡结构物，加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土，它利用拉筋与土之间的摩擦作用，改善土体的变形条件和提高土体的工程性能，从而达到稳定土体的目的。加筋土挡土墙由填抖、在填料中布置的拉筋以及墙面板三部分组成。按拉筋的形式可分为条带式加筋土挡土墙，即拉筋为条带式，每一层不满铺拉筋；席垫式土工合成材料加筋挡土墙.即每一层连续满铺土工格网或土工席垫拉筋。目前，我国主要采用条带式有面板的加筋土挡土墙。(3)锚杆档土墙锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。锚杆是一种新型的受拉杆件，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，从而利用锚扦与地层间的锚固力来维持结构物的稳定。按墙面的结构形式可分为柱板式锚杆挡土墙和壁板式锚杆挡土墙，柱板式锚杆挡土墙是由挡土板、肋柱和锚杆组成。壁板式锚杆挡土墙是由墙面板(壁面板)和锚扦组成。 锚杆挡土墙的特点是：结构质量轻，使挡土墙的结构轻型化，与重力式挡土墙相比，可以节约大量的污工和节省工程投资；利于挡土墙的机械化、装配化施工.可以减轻笨重的体力劳动，提高劳动生产率；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。但是锚杆挡土墙也有一些不足之处，使设计和施工受到一定的限制，如施工工艺要求较高，要有钻孔，灌浆等配套的专用机械设备，且要耗用一定的钢材。(4)锚定板挡土墙锚定板挡土结构是一种适用于填方的轻型支挡结构，锚定板挡土墙是由墙面、拉杆、锚定板以及充填墙面与锚定板之间的填土所共同组成的一个整体。在这个整体结构的内部，存在着作用于墙面上的土压力、拉杆的拉力和锚定板的抗拔力等相互作用的内力，这些内力必须互相平衡，才能保证结构内部的稳定。同时，在锚定板挡土墙的周围边界上，还存在着从边界外部传来的土压力、活载以及结构自重所产生的作用力和摩擦力，这些外力也必须互相平衡，以保证锚定板挡土墙的整体稳定性，防止发生滑动或蠕动。锚定板挡土墙按墙面结构形式可分为柱板式和壁板式两种。柱板式挡土墙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肋柱，也可以分段拼接，上下肋柱之间用桦连接。按肋柱上的拉杆层数还可分为单层拉杆、双层拉杆和多层拉杆锚定板挡土墙。壁板式挡土墙的墙面板(壁面板)可采用矩形或十字形板拼装而成，墙面板直接用拉杆与锚定板连接。锚定板挡土墙的主要特点有构件断面小、结构质量轻、柔性大、工程量省、圬工数量少，构件可预制，有利于实现结构轻型化和机械化施工。(5)其他结构形式的挡土墙竖向预应力锚杆挡土墙：竖向顶应力锚杆挡土墙是由污工砌体和竖向预应力锚杆构成。砌体一般是由浆砌片(块)石或素混凝土筑成，竖向预应力锚杆竖向设置，它的一端锚固在岩质地基中，另一端砌筑于墙身内，并设锚具与污工砌体联系，最后对锚杆进行张拉。竖向预应力锚杆挡土墙就是利用锚杆的弹性回缩对墙身施加竖向预应力，以提高挡土墙的稳定性，从而代替部分挡土墙圬工的重力，减少挡土墙的圬工断面，达到节省圬工、降低造价的目的。土钉式挡土墙：土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和护面板组成。天然土体通过土钉的就地实施加固并与喷射混凝土护面板相结合，形成一个类似重力式的挡土墙。以此抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使得挖方坡面稳定。土钉依靠与土体接触界面上的粘结力、摩阻力和周围土体形成复合土体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，通过其受拉作用对土体进行加固，而土钉间土体的变形则由护面板予以约束。桩板式挡土墙：桩板式挡土墙系钢筋混凝土结构，由桩及桩间的挡土板两部分组成，利用桩深埋部分的锚固段的锚固作用和被动土抗力，维护挡土墙的稳定。桩板式挡土墙适宜于土压力大，墙高超过一般挡土墙限制的情况，地基强度的不足可由桩的埋深得到补偿。1.3 重力式挡土墙的构造图 12 重力式挡土墙结构示意图重力式挡土墙的构造必须满足强度和稳定性的要求，同时应考虑就地取材，经济合理，施工养护的方便与安全。重力式挡土墙多用浆砌片(块)石砌筑，缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢筋或只在局部范围配置少量钢筋。这种挡土墙形式简单、施工方便，可就地取材、适应性强，因而应用广泛。由于重力式挡土墙依靠自身重力来维持平街稳定，因此墙身断面大，污工数量也大，在软弱地基上修建往往受到承载力的限制。如果墙过高，材料耗费多，因而亦不经济。当地基较好，墙高不大，且当地又有石料时，一股先选用重力式挡土墙。常用石砌挡土墙及钢筋混凝土挡土墙，一般由墙身、基础、排水设施与伸缩缝等部分组成。根据墙背的倾斜方向的不同，墙身断面可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线式和衡重式几种类型。图 1 3重力式挡土墙的类型 (a)仰斜式；(b)直立式；(c)俯斜式；(d)俯斜凸形折线式；(e)衡重式595959595959595959。1.3.1挡墙型式的选择重力式土墙墙身多采用混凝土或浆砌石建造，墙项及底板一般均用混凝土筑成。墙型的合理选择对挡土墙设计的安全和经济性有着较大的影响。挡土墙的主动土压力以仰斜最小、直立居中、俯斜式最大。此外，墙背的倾斜型式还应综合考虑使用的要求、地形和施工等条件。一般挖坡建墙宜用仰歇，其土压力小，且墙背可与边坡紧密结合；填方地区可用直立或俯斜，便于施工使土夯实；而在山坡上建墙，则宜用直立，因此时仰斜墙身较高，俯斜则土压力太大。墙背仰斜时其坡度不宜缓于10.25(高宽比)，且墙面应尽量与墙背平行。1.3.2 墙身构造重力式挡土墙的墙面一般为直线形，其坡度应与墙背坡度相协调。同时应考虑墙趾处的地面横坡，在地面横向倾斜时，墙面坡度影响挡土墙的高度，横向坡度愈大影响愈大。因此地面横坡较陡时，坡面坡度一般为1:0.051:0.20；地面横坡平缓时，墙面可适当放缓，但一般不缓于1:0.35。为了避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝。在平曲线地段，挡土墙可按折线形布置，并在转折处以沉降缝断开。为防止圬工砌体因收缩硬化和温度变化而产生裂缝应设置伸缩缝。设计中一般将沉降缝和伸缩缝合并设置，沿线路方向每隔1025m设置一道。缝宽为23cm，自墙顶做到基底。缝内沿墙的内、外、顶三边塞满沥青麻筋或沥青木板，塞入深度不小于0.2m，当墙背为岩石路堑或填石路堤时，可设置空缝。挡土墙的修建应遵循就地取材的原则，在有石料的地区，应尽可能的采用水泥砂浆砌片石砌筑，片石的极限抗压强度均不得低于30MPa。水泥砂浆标号，一般地区及寒冷地区采用M7.5；浸水地区及严寒地区采用M10.0号。对于浸水和潮湿地区的石砌主体工程，石料的软化系数应不低于0.8。此外，在严寒地区尚应满足抗冻试验的要求。在缺乏石料的地区一般采用C15号混凝土或片石混凝土；严寒地区采用C20号混凝土或片石混凝土，轻型挡土墙采用C20号钢筋混凝土。1.3.4 墙后填土材料选择墙后填料的选择是保证挡土墙正常使用和经济合理的一项重要工作。填料的内摩擦角越大，主动土压力就愈小；而填料的容重愈大，主动土压力就愈大。因此，应选择内摩擦角大、容重小的填料，优先采用砂类土、碎(砾)石土填筑。这些填料透水性好、抗剪强度大、稳定、易排水，能显著减少主动土压力。1.3.5 排水设施挡土墙的排水设施的作用在于疏干墙后土体中的水和防止地表水下后积水，以免墙后积水使墙身受损额外的静水压力；减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力；消除黏性土填料浸水后的膨胀压力。挡土墙的排水设施通常由地面排水和墙身排水两部分组成。地面排水主要是防止地表水渗入强后土体或地基，地面排水的措施有：(1)设置地面排水沟，截引地表水；(2)夯实回填土顶面和地表松土；(3)路堑挡土墙趾前的边沟应予以铺砌加固，以防止边沟水渗入基础。墙身排水主要是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔。孔眼间距一般为23m，干旱地区可予增大，多雨地区则可减小。在特殊情况下，墙后填土采用全封闭防水，一般不设泄水孔。1.3.6 基础埋置深度挡土墙一般采用明挖基础。当地基为松软土层时，可采用加宽基础、换填或桩基础。水下基础挖基有困难时，可采用桩基础或沉井基础。基础的埋置深度应按地基性质、承载力的要求、冻胀的影响、地形和水文地质等条件确定。挡土墙基础置于土质地基上时，其基础埋深应符合下列要求：(1)基础埋置深度不应小于1m。当有冻结且冻结深度小于或等于1m时，应在冻结线以下不小于0.25m(不冻胀土除外)；当冻结深度超过1m时，可在冻结线以下0.25m内换填弱冻胀土或不冻胀土，但埋置深度不小于1.25m。(2)受水流冲刷时，基础应埋置在冲刷线以下不小于1m。(3)路堑挡土墙基础底面应在路肩以下不小于1m，并应低于侧沟砌体底面不小于0.2m。挡土墙基础置于硬质岩石地基时，应置于风化层以下。当风化层较厚时，难以全部清楚时，可根据地基的风化程度及相应的承载力将基底埋于风化层中。置于软质岩石地基上时，埋置深度不小于1m。1.4 挡土墙的发展概况重力式挡土墙是最古老的结构形式，因其料源丰富，取材方便，形式简单，施工简便。所以，仍然是目前应用最广泛的结构形式。为了适应地基承载力要求和地形条件，在重力式挡上墙基础上发展形成了半重力式和衡重式持土墙。半重力式挡土墙，可利用展宽墙 趾和墙踵，来减小基底应力，降低地基承载力的要求；衡重式挡土墙，可利用衡重台以上的填土重力，节省部分墙身圬工，而且墙身建筑高度大，适用于地面横坡较大地段。实际上，半重力式和衡重式均属于重力式的范畴。为了适应不同的使用要求，如建筑高度稳定性等和不同地区的建筑条件如地基、料源、地形等，研究开发了各种形式的挡土墙；如悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式和锚定板式等，这些形式都是钢筋混凝土结构。悬臂式和扶壁式挡土墙在国外应用十分广泛，但在我国应用尚未普及。不过随着高等级公路向中西部地区推进，其应用会越来越多。悬臂式和扶壁式挡土墙适用于缺乏石料的地区，它通过墙趾板和墙踵板宽度来调节控制基底应力，墙高以内时多采用悬 臂式挡土墙；当墙高大于时需在立壁墙面板与墙踵板之间增设扶肋，形成扶壁式挡土墙。土压力理论研究中的另一重点是土压力的分布问题。库仑与朗肯两种理论均应用于刚性挡土墙，土压力都假定为沿墙深增加的三角形线性分布模式。事实上，由于影响土压力分布及其大小的因素太多，导致理论计算值与现场实测结果往往差异较大。近年来国内外挡土墙土压力实测结果均表明，墙背土压力的实际分布与墙体位移模式、墙后填土性质等密切相关，如挡墙绕墙顶与绕墙趾转动两种情况时的土压力分布就截然不同，对于边坡与深基坑支护中较常用的锚杆式、板桩式等柔性支挡结构，其墙后土压力更是为非三角形的复杂分布，故其设计计算需引起重视。太沙基于1936提出拱效应的概念，并分析了完全主动状态和拱作用下土压力的分布，指出前者为三角形分布，而后者大致为抛物线形式。前苏联的研究者均在实验中发现了曲线分布的情况，还根据土体单元层的极限平衡条件，从理论上导得了墙背土压力非线性分布的解答。周应英和任姜龙则利用粘性土作填料进行刚性挡土墙的土压力分布测试，获得了绕墙体转动、绕墙顶转动及平移时的土压力非线性分布曲线；冯德章进一步对刚性挡土墙在回填土浸水、超载等情况影响下的土压力分布特性进行了测试。另外，墙体的位移形式及位移量是影响土压力分布的重要因素，大型模型试验结果表明，对于墙后为砂性填土且绕墙踵转动的刚性挡墙，土压力为线性分布，至于其它运动形式，如墙体绕顶点或中点转动、平移，则土压力呈抛物线等非线性分布。1.5 有关挡土墙的设计和施工规范 在公路建设工程中，挡土墙结构是界于桥梁结构和路基土石方结构中间的一种重要结构形式，但是，在我国现行公路规范分类中，却将其分割开来，分别包含在公路路基设计规范(JTJO13-95)，公路桥涵设计通用规范(JTJ021-89)，公路钢筋硅及预应力硅桥涵设计规范(JTJ023-85)，公路桥涵地基与基础设计规范(JTJ024-85)，公路砖石混凝土桥涵设计规范(JTJo22-85)，公路加筋土工程设计规范(JTJ015-91)，公路加筋土工程施工技术规范(JTJ035-91)，公路软土地基路堤设计与施工技术规范(JTJO17-96)，公路土工合成材料应用技术规范(JTJ/T019-98)，等设计规范和相应的施工规范中。只有加筋土挡土墙作为挡土墙结构中的一个重要分支，有其独立的设计和施工规范，其它挡土墙结构形式均无独立的规范或规程。 在建筑工程中，边坡支护结构型式很多，常规的挡土墙结构和近代发展起来的锚杆挡土墙结构是其主要型式。在现行国标建筑边坡工程技术规范(GB50330-2002)中，主要将边坡支护结构分为重力式挡墙、扶壁式挡墙、岩石锚喷支护、锚杆挡墙等七种，并对其中五种型式的计算、设计、施工作出了相应的规定。在现行国标建筑地基基础设计规范(GB50007-2002)中，对重力式挡墙、岩石锚杆挡墙、地下连续墙基坑支护的设计作出了相应的规定。由于锚杆挡墙和锚杆支护近年的普遍应用，相应的有国标锚杆喷射混凝土支护技术规范(GB50086-2001)和国家标准化协会标准土层锚杆设计与施工规范，但均无应用图集和应用手册。1.6 本文研究的内容和任务本文主要研究的是挡土墙的设计和施工问题。挡土墙是支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的建筑物，是能够保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构物。工程中所使用挡土墙的类型应从挡墙的用途、墙高和墙址处的地形、地质条件、墙体取材、施工方法、技术经济条件、景观要求及当地经验等因素来确定，并在满足稳定性与强度要求的前提下，按结构合理、断面经济及施工方便安全等原则综合选用。因此挡土墙的类型有很多，根据墙体自身的刚度可将其分为柔性挡土墙和刚性挡土墙；根据挡土墙的结构形式可将其分为重力式挡土墙和轻型挡土墙；根据挡土墙在路基横断面上的位置可分为路堑挡土墙、路堤挡土墙、山坡挡土墙、抗滑挡土墙、站台挡土墙等；根据建筑材料可分为石、混凝土及钢筋混凝土挡土墙等；根据所处的环境条件可分为一般地区挡土墙、浸水地区挡土墙与地震地区挡土墙等。本文介绍了重力式挡土墙，重力式挡土墙是由块石、毛石砌筑,它靠自身的重力来抵抗土压力，是我国最常用的一种挡土墙形式。这种挡土墙形式简单，施工方便，可就地取材，适应性强，因此应用广泛。主要介绍了重力式挡土墙设计中用到的经典土压力计算，其中包括粘性土土压力计算、墙背倾斜角问题、墙背摩擦角问题、土压力分布问题、墙后破裂面问题以及极限平衡理论的应用范围等经典问题。且在一般条件下的土压力计算包括静止土压力计算、库伦土压力理论、郎肯土压力理论等问题。第2章 挡土墙土压力计算21 作用在挡土墙上的力系图 1-1 挡土墙受力示意图挡土墙设计关键是确定作用于挡土墙上的力系，其中主要是确定土压力。作用在挡土墙上的力系，按力的作用性质分为主要力系、附加力和特殊力。主要力系是经常作用于挡土墙的各种力，如图2-1 所示，它包括：(1)挡土墙自重及位于墙上的衡载；(2)墙后土体的主动土压力(包括作用在墙后填料破裂棱体上的荷载)；(3)基底的法向反力及摩擦力；(4)墙前土体的被动土压力。对浸水挡土墙而言，在主要力系中尚应包括常水位时的静水压力和浮力。附加力是季节性作用于挡土墙的各种力，例如洪水时的静水压力和浮力、动力压力、波浪冲击力、冻胀压力以及冰压力等。2.2 一般条件下土压力计算2.2.1 静止土压力计算在墙后填土的推力作用下，墙不产生任何变形和位移，此时作用于墙背上的土压力就是静止土压力。图 2-2 静压力示意图墙后填土表面为水平时，静止土压力按三角形分布如图2-2所示，静止土压力合力可按式(2-1)计算。 (2-1) (2-2)式中，土体容重()；挡土墙高度(m)；静止土压力系数。其中是填土的泊松比，或者根据半 经验公式，其中为填土的内摩擦角。一般常见的:粘土为0.50.7；砂土为0.340.35。合力作用点位于距墙踵处。2.2.2 库仑土压力理论一般条件下库伦(Coulomb)主动土压力计算土压力是挡土墙的主要设计荷载。挡土墙的位移情况不同，可以形成不同性质的土压力(图 2-3)。当挡土墙向外移动时(位移或倾覆)，土压力随之减少，直到墙后土体沿破裂面下滑而处于极限平衡状态，作用于墙背的土压力称主动土压力；当墙向土体挤压移动，土压力随之增大，土体被推移向上滑动处于极限平衡状态，此时土体对墙的抗力称为被动土压力；墙处于原来位置不动，土压力介于两者之间，称为静止土压力。采用哪种性质的土压力作为挡土墙设计荷载，要根据挡土墙的具体条件而定。图 2-3 三种不同性质的土压力路基挡土墙一般都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，且设计时取一定的安全系数，以保证墙背土体的稳定。对于墙趾前土体的被动土压力，在挡土墙基础一般埋深的情况下，考虑到各种自然力和人畜活动的作用，一般均不计，以偏于安全。主动土压力计算的理论和方法，在土力学中已有专门论述，这里仅结合路基挡土墙的设计，介绍库伦土压力计算方法的具体应用。各种边界条件下主动土压力计算路基挡土墙因路基形式和荷载分布的不同，土压力有多种计算图式。以路堤挡土墙为例，按破裂面交于路基面的位置不同，可分为五种图示：破裂面交于内边坡，破裂面交于荷载的内侧、中部和外侧，以及破裂面交于外边坡。兹分述如下：2.2.2.1 破裂面交于内边坡(图 2-4)这一图式适用于路堤式或路堑式挡土墙。图中AB为挡土墙墙背，BC为破裂面，BC与铅垂线的夹角为破裂角，ABC为破裂棱体。棱体上作用着三个力，即破裂棱体自重、主动土压力的反力和破裂面上的反力。的方向与墙背法线成角，且偏于阻止棱体下滑的方向；R的方向与破裂面法线成角，且偏于阻止棱体下滑的方向。取挡土墙长度为1m计算，作用于棱体上的平衡力三角形abc可得：图 2-4 破裂面交于内边坡 (2-3)因式中： (2-4) (2-5)而 (2-6) (2-7) (2-8)将式中(2-8)带入(2-3)，得 (2-9) (2-10) (2-11)当参数、固定时，随破裂面的位置而变化，即是破裂角的函数。为求最大土压力，首先要求对应于最大土压力时的破裂角。取 (2-12)整理简化后得： (2-13) (2-14) (2-15)式中：墙后填土的容重，(kN/m)3；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，()，俯斜墙背为正，仰斜墙背为负；挡土墙高度，(m)；主动土压力系数。土压力的水平和垂直分力为： (2-16)2.2.2.2破裂角交于路基面(图 2-5)图 2-5 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 (1)破裂面交于荷载中部(图 2-5b)破裂棱体的断面面积 S 为 (2-17) (2-18)则 (2-19) (2-20) (2-21)经整理简化得： (2-22)将求得的值代入式，即可求得主动土压力。必须指出，式有普遍意义。因为无论破裂面交于荷载中部、荷载的内侧或外侧，破裂棱体的断面面积都可以归纳为一个表达式，即 (2-5)式中和为边界条件系数。将不同边界条件下的、值代入式中，即可求得与之相应的破裂角和最大主动土压力。(2)破裂面交于荷载外侧(图 2-5c) (2-23) (2-24)则(3)破裂面交于荷载内侧(图 2-5a)令则 (2-25) (2-26) (2-27)2.2.2.3破裂面交于荷载内侧图 2-6 破裂面交于外边坡 (2-28) (2-29) (2-30) (2-31)现在令： (2-32) (2-33)则得： (2-34) (2-35) (2-36) (2-37)整理简化后得： (2-38) (2-39)2.2.3 .朗肯土压力理论朗肯土压力理论是通过研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极限平衡条件而得出的土压力计算方法，朗肯土压力要根据其理论的基本假定及其适用范围进行计算。(1)朗肯土压力理论基本假定:挡土墙墙背竖直、光滑；墙后砂性填土表面水平并无限延长。所以，砂性填土内任意水平面与墙背面均为主平面(即平面上无剪应力作用)，作用于两平面上的正应力均为主应力；墙后填土处于极限平衡状态。(2)朗肯土压力理论适用范围:地面为一水平面(含地面上的均布荷载)；墙面是竖直的；墙背是光滑的(即=0)；墙后填土为砂性土；对于仰斜墙背和悬臂式挡墙由朗肯理论计算土压力时，土压力方向都假定与底面平行。(3)朗肯主动土压力计算根据以上假定，发生主动土压力时的滑裂面与水平面之间的夹角为()。主动土压力合力如式(2-41)所示: (2-40) (2-41)式中，主动土压力(kN)；挡土墙高度(m)；填土容重()；填土内摩擦角()；主动土压力系数。主动土压力合力作用线过土压力强度分布图形形心，距墙踵处，并垂直于墙背。(4)朗肯被动土压力计算挡土墙在外力作用下，向填土方向位移时，墙后填土被压缩。当墙体平移的位移量超过或绕墙趾转动超过时，墙后填土会出现滑裂面，而填土处于极限平衡状态。这种状态下，滑裂面与水平面之间夹角为()。根据土的极限平衡条件，作用在挡土墙上的被动土压力如下式所示: (2-42) (2-43)式中，被动土压力(kN)；挡土墙高度(m)；填土容重()；填土内摩擦角()；被动土压力系数。被动土压力合力通过被动土压力强度分布图形的形心，距墙踵处，并垂直于墙背。2.3 特殊条件下的土压力计算2.3.1 第二破裂面的土压力计算在挡土墙设计中，墙背俯斜很缓，即墙背倾角比较大的情况，在衡重式挡土墙的上墙或大俯角墙背的挡土墙土压力计算中经常使用第-破裂面法计算。按照库仑理论，挡土墙后破裂棱体的两个边界，一个是土体中的破裂面(第一破裂面)，另一个是假想墙背。但当俯斜直线墙背或形墙背(包括衡重式挡土墙上墙)的假想墙背缓到一定程度后，墙后土体破裂时在土体中形成两个破裂面。(1)第二破裂面产生的条件墙背(或假想墙背)倾角必须大于第二破裂面的倾角，即墙背不妨碍第二破裂面的产生。墙背(或假想墙背)上的诸力(第一破裂面与墙背之间的土体自重及作用在第一破裂面上的土压力)所产生的下滑力必须小于墙背上的抗滑力。可表示为: (2-44)即作用在墙背上的合力对墙背法线的倾角必须小于墙背摩擦角，亦可表述为第一破裂面与墙背之间的土体不会沿墙背下滑。(2)第破裂面的土压力计算出现第一破裂面时，作用在第一破裂面上的主动土压力是两个破裂面倾角的函数，根据破裂面可能出现的范围，可分为三种类型:两个破裂面的倾角都是变数，此时，为了确定破裂角()及其相应的土压力，可求解微分方程如式所示： (2-45)并使满足下述条件，如式所示: (2-46)求解上式可分别得到第二破裂面与法向夹角、第二破裂面角和，并将和代入土压力计算公式即可求得第一破裂面的土压力，如式(2-48)所示。然后根据力的三角形法则可以求出第-破裂面上的和，如式(2-49)、(2-50)所示。 (2-47) (2-48) (2-49)式中，主动土压力(kN)；主动土压力在水平方向上的分量(kN)；主动土压力在垂直方向上的分量(kN)；第一破裂面与法向夹角()；第一破裂面角()；填土容重()；填土内摩擦角()。两个破裂面中有一个沿已知位置出现，另一个倾角为变数即或者，这种情况包括第一破裂面与墙背重合和两破裂面之一通过局部荷载与路基面交点两种情况，此时，一个破裂面的位置可根据几何关系求得，而另一个破裂面的位置和土压力的计算公式可由库仑公式求得。两个破裂面均沿已知位置出现，包括一个破裂面与墙背重合，另一个破裂面通过局部荷载与路基面交点，或两个破裂面均通过局部荷载与路基面的交点，此时，两个破裂面的位置可根据几何图形确定，土压力的计算公式与前面两种情况相同。2.3.2 折线形墙背上的土压力图 2-7 延长墙背法求下墙土压力在一些特殊地段，为了适应地形和工程需要，经常采用折线性墙背的挡土墙(包括衡重式挡土墙)，这样可以有效的减少主动土压力的作用，同时提高挡土墙的稳定性。对这类挡土墙的土压力计算一般采用计算折线形墙背的方法，以墙背转折点或衡重台为界，分为上墙和下墙，分别计算作用于其上的土压力。针对折线形墙背土压力计算，不能直接使用库仑理论来计算全墙的土压力。计算时将上墙和下墙分别看作独立的墙背，分别用库仑理论计算主动土压力，然后取两者的矢量作为全墙的土压力。上墙土压力的计算不考虑下墙的影响，采用一般库仑理论公式计算；若上墙墙背(或假想墙背)倾角较大时，符合出现第一破裂面的条件，采用第一破裂面法计算。下墙墙背土压力计算目前采用的一般有两种方法:(1)延长墙背法延长墙背法计算简单，是一种简化的近似算法，如(图 2-7)所示，为上墙墙背，为下墙墙背。将上墙视为独立的墙背，用一般的方法求出主动土压力，土压力分布图形为。计算下墙土压力时，首先延长下墙墙背，交填土表面于点；以为假想墙背，用一般土压力理论求算假想墙背的土压力，其土压应力分布图形为；截取其中与下墙相应的部分，即，其合力即为下墙主动土压力。延长墙背法由于其计算简便，至今在工程界仍得到广泛的应用。然而，它的计算结果是有误差的。其原因在于:理论根据不足，忽略了延长墙背与实际墙背之间的土体重力及作用其上的荷载，多考虑了由于延长墙背与实际墙背上土压力作用方向的不同而引起的竖直分量差，虽然两者能相互补偿，但未必能抵消。计算假想墙背上的土压力时，认为上墙破裂面与下墙破裂面平行，实际上，一般情况下两者是不平行的。(2)力多边形法计算折线形墙背下墙土压力的力多边形法是依据极限平衡条件下破裂楔体上各力所构成的力多边形来推算下墙土压力的。这种方法不借助于任何假想墙背，因而避免了延长墙背法所引起的误差。力多边形法求算折线墙背下墙土压力采用数解法，作用于破裂楔体上的力及由此构成的力多边形。在力多边形中，根据其几何关系，即可求得下墙土压力，如式(2-52)所示： (2-50) (2-51) (2-52)式中，上墙土压力(kN)；挡土墙下墙破裂楔体的重力(包括破裂棱体上的荷载)(kN)；上墙第一破裂角()；下墙破裂角()；上墙破裂面上的反力(kN)；上墙墙背倾角()；下墙墙背倾角()；上墙墙背摩擦角()；下墙墙背摩擦角()；填土的内摩擦角()。2.3.3 粘性土的土压力土体中存在的粘聚力对挡土墙土压力的计算影响较大，当墙后土体为粘性土时，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，来考虑粘聚力的影响。(1)库仑粘性土土压力计算等效内摩擦角法利用目前的试验手段，恰当的确定粘性土的力学指标是比较困难的，同时缺乏按粘性土力学指标设计挡土墙的实践经验。我国铁路挡土墙的设计通常采用等效内摩擦角法计算土压力。也就是增大内摩擦角的数值，把粘聚力的影响考虑在内摩擦角这一参数内，按砂性土的公式计算主动土压力。通常把粘性土的内摩擦角增大，作为等效内摩擦角；或取等效内摩擦角值为。当使用等效内摩擦角表示粘性土的抗剪强度时，仅与一定的墙高相对应。按设计挡土墙，对低于的挡土墙过于保守，而对高于的挡土墙则不安全。为了消除这一不利影响，有人提出了按土体抗剪强度或土压力相等的原理，计算土体的等效内摩擦角。计算公式如下:按土体抗剪强度相等的原理计算: (2-53)式中，等效内摩擦角()；填土的内摩擦角()；填土容重()；填土的粘聚力()。按土压力相等的原理计算: (2-54)式中，等效内摩擦角()；填土的内摩擦角()；填土容重()；填土的粘聚力()。按上面的公式计算虽然考虑了土体的粘聚力和墙高的影响，但未能考虑挡土墙的边界条件(如地面倾角和墙背坡度)等因素的影响。实际上影响等效内摩擦角的因素很多，因此，要选择能真实反映粘性土抗剪强度的是比较困难的。(2)朗肯粘性土土压力计算公式如果允许土层有足够的侧向伸张，墙后土层的顶部就会出现拉应力，从而，在墙后土层的顶部会产生竖直裂缝，裂缝深度可由式(2-56)求得: (2-55)式中，裂缝深度(m)；填土的内摩擦角()；填土容重()；填土的粘聚力()。此公式根据地面水平的条件求得，可以用于倾斜地面，也可近似的用于不规则地面。土体的侧向伸张会在裂缝区以下的土体中产生剪应力，并形成两簇破裂面。一般情况下，破裂面为曲面，裂缝区以下墙踵竖直面上的土压力为曲线分布，其弯曲程度随地面的倾斜度和土体的粘聚力的增大而愈明显。当地面水平时，破裂面接近平面，每簇破裂面与竖直面之间的夹角可由式求得: (2-56)式中，破裂面与竖直面之间的夹角()；墙背填土表面的倾角()；填土的内摩擦角()。裂缝区以下墙踵竖直面上的土压应力呈三角形分布，其任意深度的土压应力如下式所示: (2-57)式中，填土容重()；土压力系数；在墙踵竖直面上计算点至地面的距离(m)；土体的内聚力(kPa)。墙踵竖直面上的总土压力如式(2-24)所示: (2-58) (2-59)式中，土压力系数；墙踵至地面的竖直高度(m)；裂缝深度(m)；填土的内摩擦角()；填土容重()；在墙踵竖直面上计算点至地面的距离(m)。(3)楔体试算法粘性土土压力公式基本假定当土体产生侧向伸张时，在顶部出现竖直裂缝，其深度可按朗肯粘性土土压力计算公式计算；破裂面为一平面，沿破裂面的抗剪强度由土体的摩擦力和粘聚力组成；墙背与土体之间的粘聚力对土压力的影响不大，为简化计算忽略不计(偏于安全)；破裂棱体在自重，墙背土压力和破裂面上的反力及粘聚力的作用下维持静力平衡。土压力计算公式根据基本假定，土压力计算公式如式(2-58)所示: (2-60) (2-61) (2-62) (2-63)式中，作用于墙背的粘性土压力(kN)；时的土压力(kN)；由于粘聚力作用而减少的土压力(kN)；填土的内摩擦角()；墙背与土体之间的摩擦角()；破裂面与竖直面之间的夹角()。按推导砂性土库仑土压力公式的方法和步骤，可推导出各种边界条件下的粘性土土压力公式。粘性土的土压应力不按直线分布，它随着地面坡度，和土的粘聚力的增大而与直线偏差愈大。在实际使用中，近似地假定土压应力沿墙背呈直线分布和局部荷载不影响裂缝区的深度。根据土压应力图形也可求得各种边界条件下的粘性土土压力合力作用点的高度计算公式。2.3.4 不同土层的土压力计算如图所示，采用近似的计算方法。首先求得上一土层的土压力 E1x及其作点高度Z1x。并近似地假定：上下两土层层面平行；计算下一土层时，将上一土层视为均布荷载，按地面为一平面时的库伦公式计算，然后截取下一土层的土压力。在图中为其土压力示意图图 2-8不同土层压力计算 (2-64)其中为下一层土的土压力系数。土压力的作用点的高度： (2-65)2.3.5 有限范围填土的土压力计算图 2-9有限范围内填土的压力计算以上各种土压力计算公式，适用于墙后填料为均质体，并且破裂面能在填料范围内产生的情况。如果挡土墙修在陡坡的半路堤上，或者山坡土体有倾向路基的层面，则墙后存在着已知坡面或者是潜在滑动面，当其倾角陡于由计算求得的破裂面的倾角情况时，墙后填料将沿着陡破面(或滑动面)下滑，而不是沿着计算破裂面下滑，如(图 2-9 )所示。此时作用在墙上的主动土压力为： (2-66)式中:土楔及其上荷载重；滑动面的倾角，即原地面的横坡或层面倾角；土体与滑动面的摩擦角；当坡面无地下水，并按规定挖台阶填筑时，可采用土的内摩擦角。参数，。2.3.6 被动土压力计算根据库伦理论，按照推导主动土压力公式的原理，由(图 2-10)可得当地面为一平面时的被动土压力公式为图 2-10库伦被动土压力计算 (2-67)实践表明用库伦理论计算的被动土压力，常常有很大的偏于不安全的误差，其误差还随着土的内摩擦角的增大而迅速增大。因此在许多情况下，上式是不能采用的。应当指出，被动极限状态的产生，要求土体产生较大的变形，而这对一般的建筑物来说常是不能允许的。因此，当建筑物的设计要求考虑土的被动抗力时，应对被动土压力的计算值进行大幅度的折减。 第3章 重力式挡土墙的设计3.1确定设计方案(1)设置挡土墙的理由：设计路线K58+070-K580+130为傍山路线，由所给的横断面地形资料所绘出的地形图可知大部分路段需要天填方，为了筑路抬高地面高程需要修筑挡土墙。(2)挡土墙的类型：对于该地形而言与路肩式挡土墙比路堤式挡土墙的墙高和圬工数量有明显的降低而且基础可靠故选用路堤式挡土墙。(3)选定挡土墙的形式：以仰斜、垂直和俯斜三种不同的墙背所受的土压力进行土压力分析，在墙高和墙后填料等条件相同时，仰斜的墙背所受的土压力最小，垂直次之，俯斜式所受的土压力最大，因此仰斜式的墙身较经济，故选择仰斜式。3.2 初拟断面尺寸(1)墙顶宽度：重力式挡土墙可采用浆砌或干砌圬工，墙顶的最小宽度，浆砌时不小于50cm,干砌时不小于60cm。(2)墙的背坡和面坡的选择：在墙前的地面坡度较陡处，墙面的坡可取1:0.051:0.2，也可采用直立的截面。当墙前的地形较平坦时，对于中高挡土墙，墙身坡可用较缓的坡度，但不宜缓于1:0.4，以免增高墙身增加开挖的宽度。仰斜的墙背愈缓，则主动土压力愈小，但为了避免施工困难，