第四章挡土墙介绍

第四章 挡土墙 学习重点 挡土墙的分类 重力式挡土墙和钢筋混凝土悬臂式挡土墙的工作原理 适用条件 设计计算和构造要求 学习目标 熟悉挡土墙的分类 熟悉重力式 薄壁式挡土墙的构造 掌握重力式挡土墙的工作原理 适用条件 设计计算 掌握钢筋混凝土悬臂式挡土墙的工作原理 适用条件 设计计算 概述 挡土墙是指支承填土或山坡土体 防止填土或土体坍滑失稳的构造物 在土木工程领域有着十分广泛的应用 既可作为房屋地下室侧墙 陡坡与路堤支护 桥台等 亦可做水闸及码头驳岸等 在挡土墙横断面中 与被支承土体直接接触的部位称为墙背 与墙背相对的 临空的部位 挡土墙的类型有多种 各类挡土墙的工作原理 适用条件均有差异 设计时应根据与所支挡土体的稳定平衡条件 综合考虑地形地质状况 地基的承载力 施工条件以及环境特点等因素 合理选择挡土墙的类型 与其他构造物的衔接 材料供应 一般来说 挡土墙应满足下列使用功能要求 1 能承受正常施工和正常使用时可能出现的各种荷载 2 在正常使用时具有良好的功能 3 足够的耐久性及稳定性等 挡土墙设计包括挡土墙的纵横向布置 挡土墙类型确定 挡土墙各部分尺寸拟定 荷载计算 稳定性验算 墙身及地基强度验算等内容 挡土墙类型及作用荷载 挡土墙分类挡土墙的类型很多 按所用建材 可分为石砌挡土墙 砖砌挡土墙 混凝土挡土墙 钢筋混凝土挡土墙和土工合成材料挡土墙等 按结构形式 可分为重力式 薄壁式 锚定式 板桩墙 加筋土挡土墙等 重力式挡土墙 重力式挡土墙 指的是依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙 重力式挡土墙可用块石 片石 混凝土预制块作为砌体 或采用片石混凝土 混凝土进行整体浇筑 一般都做成简单的梯形 它的优点是就地取材 施工方便 经济效果好 因此 在我国铁路 公路 水利 港湾 矿山等工程中得到了广泛的应用 重力式挡土墙也有其局限性 由于重力式挡土墙靠自重维持平衡稳定 体积 重量都很大 在软弱地基上修建往往受到承载力的限制 挡土墙太高时它耗费材料多 很不经济 但当地基较好 挡土墙高度不大 本地又有可用石料时 应当首先选用重力式挡土墙 为适应不同地形 地质条件及经济要求 重力式挡土墙具有多种墙背形式 其中以墙背为直线形的挡土墙最为常见 如图4 1所示 其中 墙背仰斜 图 4 1 及垂直 图 4 1 b 的挡土墙比较适合先有挡土墙后有填土的情形 而墙背俯斜 图4 1 c 的挡土墙更适合在已有土坡面上修建挡土墙 根据现场的具体情况 挡土墙的墙背也可以做成更为复杂的形式 如折线式或衡重式等 图4 1 d e 衡重式墙背可视为在凸形折线式的上下墙之间设一衡重台 上墙俯斜墙背的坡度通常为 1 0 25 1 0 45 下墙仰斜墙背的坡度一般在1 0 25左右 上下墙的墙高比一般为 衡重式墙背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 薄壁式挡土墙 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 其特点是自重轻 墙体的稳定性主要是依靠踵板上的填土重量来保证 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 扶壁 联结立壁板与踵板 从而形成扶壁式挡土墙 悬臂式挡土墙如图4 2 a 所示 墙身立壁板在土压力作用下受弯 墙身内弯曲拉应力由钢筋承担 立板下部弯矩较大 特别在墙较高时 需设置的钢筋较多 这种挡土墙的优点是充分利用了钢筋混凝土的受力特性 并巧妙地用墙后踵板上填土重量来维持自身的稳定 墙体截面较小 悬臂式挡土墙一般适用于墙高大于 地基土质较差 当地缺少石料的情况 当悬臂式挡土墙高度大于 时 墙体立壁挠度较大 为了增强立壁的抗弯刚度 应沿墙体纵向每隔一定距离 0 3 0 6 h设置一道扶壁 故称为扶壁式挡土墙 如图4 2 b c 所示 加筋土挡土墙 加筋土挡土墙是由填土 填土中的拉筋条以及墙面板三部分组成 它是通过填土与拉筋间的摩擦作用把土的侧压力消减在土体中起到稳定土体作用的 加筋土挡土墙属于柔性结构 对地基变形适应性大 建筑高度也可很大 适用于填方区的挡土墙 如图4 3所示 加筋土挡土墙由墙面板 填土和填土中布置的拉筋三部分组成 在垂直于墙面的方向 按一定间隔和高度水平放置拉筋材料 然后填土压实 通过填土与拉筋间的性结构 对地基变形适应性大 建筑高度大 适用于缺乏石料的地区及填方路基在较软弱地基上修筑的路肩墙与路堤墙 它结构简单 圬工量少 与其他类型的挡土墙相比 可节省投资 经济效益好 锚定式挡土墙 锚定式挡土墙属于轻型挡土墙 通常包括锚杆式和锚定板式两种 如图4 4所示 锚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 主要是靠埋置岩土中的锚杆的抗拉力拉住立柱保证土体稳定的 锚定板式则将锚杆换为拉杆 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 锚定板式挡土墙一般由预制的钢筋混凝土墙面 立柱 钢拉杆和埋在填土中的锚定板在现场拼装而成 如图4 4所示 锚杆的一端与立柱连接 另一端与锚定板相连 并被固定在密实的土层中 墙后侧压力由挡土板传给立柱 立柱传给锚杆 依靠锚定板产生的抗拔力抵抗侧压力 以保持墙的稳定 它适用于墙高大于 石料缺乏或挖基困难地区 具有锚固条件的路基挡土墙 一般多用于墙身较高的路堑挡土墙或路肩挡土墙 锚杆式挡土墙是只有锚拉杆而无锚定板 是将锚杆锚固在岩层中 由锚杆与岩体之间的锚固力 锚杆的抗拔力 承受结构物挡土墙的土压力 使墙获得稳定 也常作为深基坑开挖的一种经济 有效的围护结构 作用于挡土墙上的荷载 作用于挡土墙上的力系按力的作用性质分为主要力系 附加力及特殊力 主要力系包括 挡土墙自重G 土压力Ea 基底反力N及基底面摩阻力F 墙前土体的被动土压力Ep 如图4 5所示 对浸水挡土墙来说 还包括静水压力 浮力及渗透力等 附加力是季节性作用于挡土墙上的力 例如 洪水时期的各种水压力以及冬季的冻胀力等 特殊力是偶发力 如地震等引发的各种力 挡土墙设计就是要保证在上述力系作用下 挡土墙具有足够的稳定性和结构强度 同时 地基也应满足承载力要求 土压力一般按土力学中的库仑土压力理论进行计算 这里不再重述 需要引起注意的是 地下水位的变化对于作用在挡土墙上的压力的影响是很明显 很重要的 对于水土压力分算的无黏性土 地下水位的上升使水压力增大 也使水土压力总量增大 地面水防渗不力和地下水位的变化常常是导致挡土墙破坏的主要原因 重力式挡土墙 重力式挡土墙构造常用的石砌挡土墙和混凝土挡土墙 一般由墙身 基础 排水设施和伸缩缝等部分构成 如图 所示 墙面 通常 基础以上的墙面均为平面 墙面坡度除应与墙背的坡度相协调外 还应考虑到墙趾处地面的横坡度 当地面横坡较陡时 墙面可直立或外斜 1 0 05 1 0 2 以减小墙高 当地面横坡平缓时 墙面可放缓 一般 用 1 0 20 1 0 35 较为经济 但不宜缓于 以免增加墙高过多 墙背 为适应不同地形 地质条件及经济要求 重力式挡土墙具有多种墙背形式 其中墙背为直线形的挡土墙最为常用 如图4 1 a b c 所示 其断面形式最简单 土压力计算也很简便 这三种挡土墙若以土压力大小而论 以俯斜墙背所受压力最大 垂直墙背次之 仰斜最小 折线式墙背 用上部俯斜 下部仰斜的形式 其断面较为经济 墙背带衡重台的挡土墙 称为衡重式挡土墙 其稳定仍靠墙身自重来保持 但由于这种形式的挡土墙调整了墙身的重心位置及墙背土压力的分布 因而 比其他墙背形式的挡土墙具有更好的稳定性 另一方面 由于其基底面积较小 对地基承载力要求较高 因此应设置在坚实的地基上 墙顶与墙底 对于石砌挡土墙墙顶的最小宽度 浆砌的不小于 干砌的不小于 混凝土挡土墙为 有时还要求在墙顶上做冒石 墙底面一般应水平 如遇挡土墙抗滑稳定性不能满足要求时 可做成倾斜 逆坡 基底 在石质斜坡上的挡土墙为节省工程量 基底常依坡做成台阶形 基础及埋深 挡土墙通常采用浅基础 绝大多数挡土墙的基础直接设置在天然地基上 当地基软弱 墙身较高时 为减小基底压应力 增加稳定性 墙趾可伸出台阶 以拓宽基底 台阶宽度不小于 高宽比可用 或 地基为较弱土层时 也可用砂砾 碎石 矿渣或石灰土等质量较好的材料换填 以提高地基承载力 基础埋置深度取决于地质条件 水文情况及冻结深度等因素 为保证挡土墙的稳定 埋深一般不小于 遇岩石地基时 应把基础埋入未风化的岩层内 以增加墙体稳定性 在道路工程方面 对埋深要求更加严苛 要求埋深不小于 沉降缝与伸缩缝 为了防止因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂 需根据地质条件的差异和墙高 墙身断面的变化情况设置沉降缝 为减少墙身因砌体硬化收缩或温度变化所产生的温度应力或因土压力的作用而产生裂缝 需设置伸缩缝 通常 设计时将沉降缝与伸缩缝合并设置 统称为沉降伸缩缝 缝距沿路线方向每隔 墙身分段长度 设置一道 缝宽一般约为 缝内一般采用沥青麻筋等柔性松散材料填充 排水措施 理论和经验都表明 墙后积水对挡土墙的正常运行十分有害 水分的渗入使填土湿软 抗剪强度降低 土的表观密度也变大 进而使墙背压力增大 加剧了挡土墙的不稳定性 甚至会导致挡土墙破坏 因此 挡土墙应设置良好的排水设施 以疏干墙后填土中的积水 如图4 7所示 为使墙后积水易排出 挡土墙应设置泄水孔 孔眼尺寸不宜小于 孔坡度外斜 孔水平方向间距宜取 挡土墙较高时 应在一定高度加设泄水孔 墙后要做好滤水层和必要的排水盲沟 可选用卵石 碎石等粗颗粒作为滤水层 以避免泄水孔淤塞 还可调节土的胀缩性 当排水量较大时 可设置排水盲沟 墙顶地面宜铺设防水层 当墙后有山坡时 应在坡下设置截水沟 为防止积水下渗 应紧靠泄水孔下部设置黏土或其他材料的隔水层 墙前应做好散水或排水沟 填土质量要求 墙后填土宜选择透水性强 性能稳定的非冻胀材料 例如粗砂 碎 卵 石 炉碴等材料 其抗剪强度较稳定 不具有胀缩性和冻胀性 且易于排水 不应选择有机质土也不宜用黏性土作为填料 因为黏性土的性能不稳定 干燥时体积收缩 而在雨季时膨胀 且季节性冻土地区还可能发生冻胀 造成实际土压力值变化很大 导致挡土墙破坏 考虑实际情况 当采用黏性土作为填料时 宜掺入适量的碎石 块石 挡土墙的材料要求 石料 石料应该经过挑选 力学性质应满足设计要求 石料大小和新鲜程度等方面要求一致 不应选用过分破碎 风化严重的石料 砂浆 挡土墙应采用水泥砂浆 只有在特殊条件下才采用水泥石灰砂浆 水泥黏土砂浆和石灰砂浆等 砂浆强度等级应满足设计要求除此之外 在构造上还应符合相关规定要求 在 度地震区 砂浆强度等级应比计算结果提高一个等级 挡土墙的砌筑质量 挡土墙施工务必重视砌筑质量 若基础置于岩石上 应将岩层表面分化严重部分清除 条石砌筑的挡土墙 多采用一顺一丁的砌筑方法 上下错缝 也有采用全顺全丁相互交替的砌筑方法应该要求保证搭缝良好 砌稳安正 不得出现通缝 采用毛石砌筑的挡土墙 除尽量采用石块滋润形状 保证各轮丁顺交替 上下错缝的砌法外 还要保证砂浆水灰比符合要求 填缝紧密 灰浆饱满 确保石料安稳砌正 墙体稳固 砌料应紧靠基坑侧壁 与岩层结成整体 待砂浆强度达到 以上时 方可进行墙背填土 根据 建筑地基基础设计规范 重力式挡土墙的构造应符合下列规定 重力式挡土墙适用于高度小于 地层稳定 开挖土石方时不会危及相邻建筑物的地段 重力式挡土墙可在基底设置逆坡 对于土质地基 基底逆坡不宜大于 对于岩石地基 基底逆坡坡度不宜大于 毛石挡土墙的墙顶宽度不宜小于 混凝土挡土墙的墙顶宽度不宜小于 重力式挡土墙的基础埋置深度 应根据地基承载力水流冲刷 岩石裂隙发育及风化程度等因素进行确定 在特强冻涨 强冻胀地区应考虑冻涨的影响 在土质地基中 基础埋置深度不宜小于 在软质岩地基中 基础埋置深度不宜小于 重力式挡土墙应每间隔 设置一道伸缩缝 当地基有变化时宜加设沉降缝 在挡土结构的拐角处 应采取加强的构造措施 重力式挡土墙设计 重力式挡土墙压力计算 对土质边坡 边坡主动土压力应按式 进行计算 当填土为无黏性土时 主动土压力系数可按库仑土压力理论确定 当支挡结构满足朗肯条件时 主动土压力系数可按朗肯土压力理论确定 黏性土或粉土的主动土压力也可采用楔体试算法图解求得 土压力的计算 目前国际上仍采用楔体试算法 根据大量的试算与实际观测结果的对比 对于高大挡土结构来说采用古典土压力理论的计算结果偏小 土压力的分布也有较大的偏差 对于高大挡土墙 通常也不允许出现达到极限状态时的位移值 因此在土压力计算式中常计入增大系数 土压力计算公式是在土体达到极限平衡状态的条件下推导出来的 当边坡支挡结构不能达到极限状态时 土压力特征值应取主动土压力与静止土压力的某一中间值 图 所示为挡土墙变形与土压力示意 挡土墙的稳定性验算 挡土墙的稳定性验算包括抗滑移稳定验算和抗倾覆稳定验算 稳定验算应符合下列规定 挡土墙的整体滑动稳定性可以采用圆弧滑动面法进行验算 抗滑移稳定性应按下列公式进行验算 图4 10 抗倾覆稳定性 在抗倾覆验算中 将土压力分解成为水平分力和竖向分力 显然 对于墙趾的倾覆力矩是由土压力的水平分力产生的 而抗倾覆力矩是由重力荷载和土压力的竖向分力两部分组成的 为了保证挡土墙抗倾覆稳定 应使抗倾覆力矩大于倾覆力矩 两者的比值称为抗倾覆安全系数 抗倾覆稳定性应该按下列公式进行验算 图 若地基较软弱 在挡土墙倾覆的同时 墙趾可能陷入土中 因而力矩中心点向内移动 抗倾覆安全系数将会降低 故在采用式 4 8 时要考虑地基土的压缩性 地基承载力验算挡土墙的地基承载力验算 与偏心受压浅基础地基承载力验算方法相同 首先计算出作用于基底的竖向荷载的合力以及合力作用点 得到合力及其偏心距 然后即可按浅基础的方式进行验算 在一般条件下 按照天然地基上的浅基础地基强度验算条件进行验算 即在荷载作用下地基的平均应力不大于修正后的地基承载力特征值在偏心荷载作用下的最大地基应力不大于地基承载力特征值修正后的1 2倍 除此之外 对于偏心距的要求 与一般浅基础要求偏心距不大于1 6基础宽度不同 重力式挡土墙要求基底合力的偏心距不应大于基础宽度的 倍 当基底下存在软弱下卧层时 还应当进行软弱下卧层的地基承载力验算 墙身强度验算 重力式挡土墙一般采用低强度的圬工材料 需要验算任意墙身截面处的正应力和剪应力 这些应力应当小于墙身材料相应的极限承载力 墙身强度验算应选择墙身的薄弱截面 或者是应力最大的截面 对于截面急剧变化处 也应当进行强度验算 对如图4 11所示墙身取截面 首先计算墙高为时ht 土压力Ea 及墙身重力G荷载 求出合力N及其作用点然后按照砌体受压公式进行验算 薄壁式挡土墙 如前所述 薄壁式挡土墙主要是指采用钢筋混凝土等高强度材料而使构件截面很小的挡土墙 一般包括悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙 悬臂式挡土墙构造悬臂式挡土墙是钢筋混凝土挡土墙的主要模式之一 它是一种轻型围护结构物 依靠墙身的重力及底板以上的填土的重力来维持其平衡 一般用于墙高不大于 的场合 悬臂式挡土墙 图 由墙身 墙趾板和墙踵板构成 由于这种挡土墙抗弯能力强 稳定性好 可用在挡土高度较高的土坡上 其构造要求如下 墙身 一般悬臂式挡土墙的内侧做成竖直面 墙面可做成 的斜坡 具体根据挡土墙的高度决定墙身厚度 当挡土墙的高度较小时 墙身可做成等厚度的 当挡土墙的高度较大时 墙面坡度取大些 墙顶的最小厚度一般取为 底板 底板由墙趾板和墙踵板组成 底板一般水平设置 做成变厚度板 墙踵板底部水平 顶面倾斜 长度由抗滑移稳定性验算确定 根部厚度一般取为 1 12 1 10 墙踵板长且不小于 墙趾板的长度由抗倾覆稳定性 基底压力和偏心距大小等条件来确定 一般可取为 倍的墙体宽度 地板总宽度按整体稳定性条件决定 一般取 0 6 0 8 H H为墙高 其他构造 一般钢筋混凝土挡土墙每隔 设置一道伸缩缝 当挡土墙的抗滑移稳定性不能满足要求时 可以在底板底部设置一道凸榫 以提高挡土墙的抗滑移稳定性 凸榫的宽度应按其抗剪强度确定 一般不小于 钢筋混凝土的构造应按照设计要求和相关施工规范的要求施工 墙背填土的质量要求 可参阅重力式挡土墙的有关要求 排水 挡土墙背应做好排水设施 以消除水压的影响 减小作用在墙背的压力 通常在墙背水平和竖直方向每隔 设置一个排水孔 排水孔周围做滤水层 墙背地面宜铺筑一定厚度的隔水层 扶壁式挡土墙构造 扶壁式挡土墙墙身由竖向扶壁和基础底板支撑 当墙踵板净宽度Ly与扶壁净距Lx之比小于2时 可以近似地按三边固定 一边自由的双向板计算内力及配筋 当Ly Lx 2时 按连续单项板计算配筋 实际上在墙身和基础底板之间存在着垂直方向弯矩 配筋时应加以考虑 由于作用在墙身上的土体侧压力自上而下逐渐增加 呈三角形分布 所以水平弯矩也自上而下逐渐增大 墙身厚度可以采用上薄下厚的变截面 或者在配置水平钢筋时 自上而下分段加密 基础底板的计算 基础底板由墙趾板及墙踵板组成 墙趾板凸出部分较短 按向上弯曲的悬臂板计算 这与悬臂式挡土墙的墙趾板设计方法相同 墙踵板由扶壁的底部和墙身的底部支撑 作用在墙踵板的荷载有板自重 土重 土压力的竖向分力以及作用在地基底板的地基反力 墙踵板的计算方法和墙身 立壁 相同 扶壁的计算扶壁与墙身连成一起整体工作 按固定在基础底板的一个变截面悬臂T形梁计算 假定受压区合力Q作用在墙身的中心 T为钢筋的拉力 则从图4 8可得 扶壁中配置有三种钢筋 图4 9 斜筋 水平筋和垂直筋 斜筋为悬臂 形梁的受拉钢筋 沿扶壁的斜边布置 水平筋作为悬臂形梁的箍筋 以承受肋中的主拉应力 保证肋 扶 壁的斜截面强度 同时 水平筋将扶壁和墙身 立壁 联系起来 以防止在侧压力作用下扶壁与墙身 立壁 的连接处被拉断 垂直筋承受着由于基础板的局部弯曲作用在扶壁内的垂直方向上的拉力并将扶壁和基础底板联系起来 以防止在竖向作用下扶壁与基础底板的连接处被拉断 加筋土挡土墙 加筋土围护结构或称加筋土挡土墙 由面板 筋带及填料三部分组成 它借助于与面板相连接的筋带同填料之间的相互作用 使面板 筋带和填料形成一种稳定而柔性的复合围护结构 图 加筋土结构能充分利用材料的性能以及土与筋带的共同作用 因而结构轻巧 施工体积小 便于现场预制和拼装 并能抗严寒 与重力式挡土墙相比 一般可降低造价的 因此 加筋土挡土墙是一种较为合理的挡土结构 加筋土挡土墙的优点是墙可以做得很高 它对基土的承载力要求低 适合在软弱的地基上建造 由于施工简便 可以保证质量 施工速度快 造价低 占地少 外形美观 因而受到较广泛的应用 加筋土挡土墙一般应用于支挡填土工程 在公路工程 铁路工程 煤矿工程中应用较多 由于加筋土挡土墙所具有优良性能和特点 其应用较广 但地震区的高烈度区和强烈腐蚀环境中不宜使用 加筋土挡土墙的构造 面板面板设计应满足坚固 美观 搬运方便和易于安装等 国内常用混凝土或钢筋混凝土预制件 混凝土强度等级 也有采用半圆形油桶或特制的钢板作面板的情况 面板的断面形式可以做成槽形 矩形 立面可做成矩形 六边形 十字形等 当面板为槽形时 可在面板翼缘上预留穿筋孔 而矩形断面可预埋钢筋环 钢筋直径宜大于 并应考虑锈蚀影响 筋带不宜与钢筋环直接接触 可采用涂抹防锈油漆或者聚氨酯等办法处理 相邻面板之间可用企口拼接和插销定位 插销的钢筋直径大于 同时应在咬合处留有 缝隙 以适应必要的变形 筋带 要求筋带抗拉强度高 延伸率小 抗老化 抗腐蚀 并具有一定的柔韧性 筋带宽度宜大于 厚度大