长大路基路面之第六章挡土墙设计.ppt

第六章,挡土墙设计,第六章 挡土墙设计,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 挡土墙设计原则第五节 重力式挡土墙设计第六节 浸水挡土墙设计第七节 地震地区挡土墙设计,第一节 概述,1.挡土墙的用途2.挡土墙的类型,挡土墙的用途,挡土墙的类型,1.按用途和使用场合分路堑挡土墙山坡挡土墙路肩挡土墙路堤挡土墙,挡土墙的类型,2.按支挡原理和结构特点分重力式、衡重式、混凝土半重力式、悬臂式、扶壁式、锚杆式、锚定板式、桩板式、柱板式、垛式、竖向预应力锚杆式、加筋土式、土钉式等使用最频繁的挡土墙类型是石砌重力式挡土墙,挡土墙的类型,3.重力式挡土墙特点依靠墙身自重抵御土压力；形式简单，取材容易，施工简便。适用范围石料丰富（或用水泥混凝土）；地基良好,挡土墙的类型,4.衡重式挡土墙特点利用衡重台上填土的重量和全墙重心的后移，增加墙身稳定，节约断面尺寸；墙面陡直，下墙墙背仰斜，可降低墙高，减少基础开挖。适用范围山区、地面横坡陡峻的路肩墙，也可用于路堑墙(兼有拦挡坠石作用)或路堤墙。,第二节 挡土墙的构造与布置,挡土墙的构造墙身基础排水设施沉降缝与伸缩缝挡土墙的布置横向布置纵向布置平面布置,挡土墙的构造,1.墙背墙背形式：仰斜式、垂直式、俯斜式、凸折线式和衡重式特点,挡土墙的构造,1.墙背墙背形式对土压力的影响：从仰斜到垂直到俯斜，土压力逐渐增大；墙背形式选择与地面横坡的关系：横坡陡用垂直式、俯斜式，反之用仰斜式；墙背倾角：俯斜式墙背的倾角越大，土压力越大，仰斜式墙背的倾角越大，土压力越小。但是，墙背仰角太大，增加施工难度，还影响墙高。上下墙墙背高度确定：一般上下墙比约为2:3。,挡土墙的构造,2.墙面墙墙面形式：仰斜式、垂直式，但必须与墙背形式协调；墙面坡度：与墙背协调，当墙前地面较陡时，为减少墙高，墙面坡度宜陡直。,挡土墙的构造,3.墙顶墙墙一般石砌挡土墙的墙顶宽度不小于50cm，干砌时不小于60cm。如为路肩墙，应设置厚度不小于40cm的帽石。墙顶必须封闭，防止地表水进入墙后。,挡土墙的构造,4.护栏当挡土墙较高时，应设置护栏，增加驶乘人员和行人的安全感，也可诱导司机的视线。,挡土墙的构造,5.基础基础形式：一般用条形浅基础、当地基软弱时，可采用台阶式扩大基础。浅基础无法满足要求时，也可采用桩基础。地基：通采用夯实的天然地基，必要时换填。,挡土墙的构造,5.基础基础埋深：一般情况不小于1m，或冻结线以下0.25m，或冲刷线以下1m。岩石地基0.150.6m，软岩不小于1m。如冻深超过1m，基础埋深不小于1.25m，并将基底至冻结线以下0.25m的地基土换填。襟边宽度：当墙前地面倾斜时，基础还应满足襟边宽度要求，襟边宽度是指墙趾到墙前地面的水平距离，应不小于规定值。,挡土墙的构造,6.排水设施泄水孔的构造和布置：泄水孔可以是方形或圆形，尺寸在515cm左右。在墙面上错开布置，间距一般在23m左右，浸水时加密至12m。泄水孔后应设反滤层。,挡土墙的构造,6.排水设施墙后排水设施：墙后水量大或墙后填料排水不良时，墙后设整层式排水层。,挡土墙的构造,7.沉降缝与伸缩缝挡土墙必须分段设置，分段之间设伸缩缝和沉降缝，一般两缝合并设置。缝宽23cm，自墙顶至基底贯通，缝内填塞防水填缝料。,挡土墙的布置,1.横向布置横向布置解决挡土墙在路基横断面上的位置问题。用路肩墙还是路堤墙，路堤墙的高低均与原地面的坡度和地基条件等有关。一般情况下，地面横坡大，挡土墙宜靠近路肩布置，反之亦然。无法简单判定时作设计方案的技术经济比选。,挡土墙的布置,2.纵向布置分段长度：一般为1015m；基础的纵向布置形式：不大于5%的纵坡或台阶与两端路基边坡的连接：嵌入路堑或与路堤边坡锥坡连接；泄水孔的布置：13m错开布置；,挡土墙的布置,2.纵向布置挡土墙的纵向布置图：图示及标注墙顶、基础顶面、基底、伸缩缝、沉降缝、泄水孔、冲刷线、冻结线、常水位、洪水位等。,挡土墙的布置,3.平面布置在复杂情形下，挡土墙要求做平面布置，解决挡土墙与地形、地物、人工构造物等的关系问题。对于高而长、纵向曲折、邻近有建筑物、沿河、与旧墙结合等等复杂情况下的挡土墙，可绘制平面布置图，细致调整设计方案。,第三节 挡土墙土压力计算,作用在挡土墙上的力系一般条件下库伦土压力计算大俯角墙背的主动土压力第二破裂面法折线墙背的土压力计算粘性土土压力计算不同土层的土压力计算有限范围填土的土压力计算被动土压力计算,作用在挡土墙上的力系,1.挡土墙上的简单力系作用于一般挡土墙施的力主要有填土防及其上荷载产生的墙后土压力，墙前被动土压力，墙身自重，基底支撑力和摩擦力等；对于条件复杂的挡土墙，力系也更复杂。,作用在挡土墙上的力系,2.荷载分类作用施加于挡土墙上的作用（或荷载）一般分为永久作用（或荷载）、可变作用及偶然作用（或荷载）。,作用在挡土墙上的力系,2.荷载分类,作用在挡土墙上的力系,2.荷载分类,作用在挡土墙上的力系,2.荷载分类,作用在挡土墙上的力系,2.荷载分类,作用在挡土墙上的力系,3.常用作用（或荷载）组合各种作用对于挡土墙的影响不同，出现的频率也不同，应区别对待。一般地区挡土墙只计永久作用和基本可变作用。浸水地区、地震峰值加速度达到0.2g及以上地区、产生冻胀力地区，应计算其他可变作用和偶然作用。各种作用（或荷载）的组合分三种。,作用在挡土墙上的力系,3.常用作用（或荷载）组合,一般条件下库伦主动土压力计算,1.土压力分类挡土墙的位移不同，产生不同类型的土压力，分主动土压力、静止土压力和被动土压力。,一般条件下库伦主动土压力计算,2 库伦主动土压力计算基本假设墙后填料为均质散粒体，无粘结力；挡土墙产生一定位移后填料中形成破裂棱体；破裂面为一通过墙踵的平面；当墙后土体开始滑动时，土体处于极限平衡状态，破裂棱体处于静力平衡状态；挡土墙与破裂棱体均为刚体。,一般条件下库伦主动土压力计算,2.库伦主动土压力计算计算图式,一般条件下库伦主动土压力计算,2.库伦主动土压力计算主动土压力计算基本表达式：过墙后破裂棱体的静力平衡，建立主动土压力的基本表达式。墙后地表及顶部荷载的变化不改变破裂棱体的力学关系，只是表达式可能变得十分复杂。,一般条件下库伦主动土压力计算,2.库伦主动土压力计算主动土压力计算极限状态判断及土压力计算：通过求解微分方程，获得产生土压力的相应破裂角，得到土压力的具体表达式。,一般条件下库伦主动土压力计算,2.库伦主动土压力计算主动土压力计算注意事项：地表及顶部荷载的不规则变化，可能使 在某处不可导，因此对于复杂边界条件下的土压力计算，因破裂面与顶部表面的交点不同，会有若干表达式。具体计算时，求出值后应复核边界条件,一般条件下库伦主动土压力计算,3.土压力分布图土压应力假设库伦土压力理论没有说明土压应力的大小；必须假设土压力沿墙高的分布，才能画出土压力分布图；土压力沿墙高的分布规律决定了土压力的作用点位置，因此，正确绘制库伦土压力分布图是很重要的；一般来说，墙后土压力的分布都是非线性的，但为了处理方便，通常都作了简化，按直线或折线分布处理。,一般条件下库伦主动土压力计算,3.土压力分布图土压力分布图的基本形式,一般条件下库伦主动土压力计算,3.土压力分布图复杂条件下的土压力分布图(注意顶部荷载传递假设),大俯角墙背主动土压力第二破裂面法,1.第二破裂面的计算图式,大俯角墙背主动土压力第二破裂面法,2.出现第二破裂面的条件几何条件：墙背不能阻碍第二破裂面的产生，即墙背倾角必须小于第二破裂面的倾角；力学条件：第二破裂面于墙背间的土体不能下滑，即墙背上的下滑力必须小于抗滑力。,大俯角墙背主动土压力第二破裂面法,3.第二破裂面的主动土压力计算基本表达式：与一般情形的土压力计算比较，基本表达式包括两个自变量，即多了第二破裂角。,大俯角墙背主动土压力第二破裂面法,3.第二破裂面的主动土压力计算基本极限状态判断：按二元函数的极值判别式计算，求得破裂角后也应检验假设条件是否属实。,折线墙背的土压力计算,1.延长墙背法上下墙土压力分别计算，上墙为一般挡土墙。延长下墙墙背后按一般挡土墙计算土压力，然后在土压力分布图上截取下墙相应部分的土压力作为下墙土压力。这样就得到了全墙的土压力。,折线墙背的土压力计算,2.力多边形法绘出上、下墙对应的力多边形，上墙为一般挡土墙；由下墙的力四边形建立基本表达式，求出下墙土压力。,粘性土土压力计算,1.等效内摩擦角法（强度等效）按土体抗剪强度相等的原则，将粘结力转化为内摩擦力，土体的内摩擦角增大为等效内摩擦角。实际墙高小于换算高时，偏于安全，反之亦然。,粘性土土压力计算,2.法力多边形法(数解法)开裂深度：挡土墙向前位移，粘性土表面因拉应力而开裂，开裂深度直至拉应力等于零处。,粘性土土压力计算,2.法力多边形法(数解法)计算图式,不同土层的土压力计算,自上而下分层计算，将计算层以上土体按超载处理即可。,库伦被动土压力计算,计算过程与主动土压力相同，墙后土体处于被动极限状态。计算公式的结构相同，土压力系数为被动土压力系数。库伦被动土压力误差较大。达到库伦被动极限时的位移很大，一般构造物不允许出现这样的变形。被动土压力作为墙前抗力出现，计入被动土压力往往带来很大的不安全因素，所以或者不计被动土压力的影响，或者大幅折减后再计入。,车辆荷载换算及计算参数,1.车辆荷载换算车辆荷载换算为等代均布土层作用于挡土墙的墙后填土上。,其中荷载强度q按规范规定取用。,车辆荷载换算及计算参数,2.计算参数填料的计算内摩擦角和重度：有条件时取样试验确定。否则根据经验查表确定。墙背摩擦角：影响墙背摩擦角的因素较多，墙背越粗糙，填料内摩擦角越大，墙后排水条件越好，墙背摩擦角也越大，反之亦然。一般可根据经验查表确定。,第四节 挡土墙设计原则,挡土墙的极限状态挡土墙承载力极限状态设计的基本表达式,挡土墙的极限状态,1.超过承载力极限状态的条件整个挡土墙或挡土墙的一部分作为刚体而失去平衡（如滑动、倾覆）；挡土墙构件或联结件因超过材料强度而破坏，或因过度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稳。,挡土墙的极限状态,2.超过超常使用极限状态的条件 影响正常使用或影响外观的过大变形；影响正常使用或耐久性的局部破坏（包括裂缝）；影响正常使用的其它特定状态。,挡土墙承载力极限状态设计的基本表达式,0结构重要性系数 S 作用（或荷载）效应的组合设计值 R 挡土墙的结构抗力 Rf抗力材料的强度标准值f结构材料、岩土性能的分项系数d结构或构件几何参数的设计值，当无可靠数据时，可采用几何参数标准值,第五节 重力式挡土墙设计,挡土墙稳定性分析基底应力及合力偏心距验算墙身截面强度验算增加挡土墙稳定性的措施衡重式挡土墙设计,挡土墙稳定性分析,1.抗滑稳定性验算滑动稳定方程,G作用于基底以上的重力；Ey墙后主动土压力的竖向分量；Ex墙后主动土压力的水平分量；Ep墙前被动土压力的水平分量；0基底倾斜角度，基底水平时0=0；基底与地基间的摩擦系数。Q1，Q2主动土压力分项系数，墙前被动土压力分项系数；,挡土墙稳定性分析,1.抗滑稳定性验算抗滑稳定系数Kc,N作用于基底以上合力的竖向分力；墙前被动土压力水平分量的0.3倍。,挡土墙稳定性分析,2.抗倾覆稳定性验算倾覆稳定方程,Zx墙后主动土压力的竖向分量到墙趾的距离；Zy墙后主动土压力的水平分量到墙趾的距离；Zp墙前被动土压力的水平分量到墙趾的距离；ZG墙身、基础、基础上填土重力及作用于墙顶的其他荷载的 竖向力合力重心到墙趾的距离。,挡土墙稳定性分析,2.抗倾覆稳定性验算抗倾覆定系数K0,挡土墙稳定性分析,3.稳定系数的要求,基底应力及合力偏心距验算,1.基底合力偏心距,Md作用于基底上的垂直力组合设计值；Nd作用于基底开心的弯矩组合设计值。各类作用（或荷载）组合下，计算作用效应组合设计值时，除被动土压力分项系数 外，其余作用（或荷载）的分项系数均规定为1。,基底应力及合力偏心距验算,2.基底应力基底不出现拉应力，即 时,1挡土墙趾部的压应力；2挡土墙踵部的压应力；B基底宽度，倾斜基底为倾斜宽度；A基础底面每延米的面积。,基底应力及合力偏心距验算,2.基底应力当 时（一般只出现在岩石地基上），需要作应力重分配,基底应力及合力偏心距验算,3.地基承载力抗力值基底应力的设计值不得超过地基地基承载力的抗力值。地基承载力抗力值按公路桥涵地基与基础设计规范的规定采用。,墙身截面强度验算,1.强度计算计算断面选择,墙身截面强度验算,1.强度计算正截面强度验算,Nd验算截面上的轴向力组合设计值；0结构重要性系数；f圬工构件或材料的抗力分项系数；Ra材料抗压极限强度；A挡土墙计算截面的面积；k轴向力偏心影响系数，按右式计算。,墙身截面强度验算,2.稳定计算,k受压构件在弯曲平面内的纵向弯曲系数。轴心受压时可查规范取用；偏心受压时由下式计算。,H墙高；s与材料有关的系数。,增加挡土墙稳定性的措施,1.增加抗滑稳定性的措施设置倾斜基底倾斜基底的倾斜程度越大，抗滑稳定性越高；土质地基，基底倾斜不超过1:5；岩石地基，不超过1:3；验算挡土墙抗滑稳定性时，除验算基底抗滑稳定性外，对于倾斜基底，还应验算通过墙踵的水平面的抗滑稳定性。,增加挡土墙稳定性的措施,1.增加抗滑稳定性的措施凸榫基础可以明显提高挡土墙的抗滑稳定性；榫的高度不宜太高，榫的顶点到墙趾的连线与水平面的夹角不应小于主动破裂角；因为产生被动土压力需要很大的位移，实际上不允许挡土墙发生如此大的位移，因此，一般只考虑1/3的榫前被动土压力。,增加挡土墙稳定性的措施,2.增大抗倾覆稳定性的措施展宽墙趾：展宽宽墙趾增大了抗倾覆力的力臂，对增大抗倾覆稳定性有显著效果。但要注意趾部长度和厚度的协调，避免展宽的趾部被折断。,增加挡土墙稳定性的措施,2.增大抗倾覆稳定性的措施改变墙面及墙背坡度：改变墙面和墙背的坡度，可能有两方面的作用，一是使墙身的重心后移；二是减少土压力。,衡重式挡土墙设计,衡重式挡土墙与一般重力式挡土墙设计没有本质区别，计算稍有差异，一是上墙俯角大，计算的是假想墙背的土压力，另需计算实际墙背的土压力；二是需要验算衡重台处墙身斜截面的强度，在验算斜截面时，需要寻找最危险斜截面，计算最大剪应力。验算方法与一般重力式挡土墙一致。,增加挡土墙稳定性的措施,2.增大抗倾覆稳定性的措施改变墙身断面类型：改变墙身断面类型，从多方面影响挡土墙的抗倾覆能力，根据不同的改变，可以减少土压力、可以增大抗倾覆力、可以增大抗倾覆力的力臂等等。,第六节 浸水路堤挡土墙设计,挡土墙稳定性分析基底应力及合力偏心距验算墙身截面强度验算增加挡土墙稳定性的措施衡重式挡土墙设计,水对墙后填料和墙身的影响,填料受到水的浮力作用而使土压力减小；砂性土的内摩擦角受水的影响不大；粘性土浸水后抗剪强度显著降低；墙背与场面均受到静水压力，当有水位差时，墙身受到静水压力差所引起的推力；墙外水位骤然降落，墙后填料内出现渗流时产生渗透动水压力。渗水性填料，动水压力一般很小，可略而不计；墙身受到水的浮力作用，抗倾覆及抗滑动稳定性减弱。,浸水挡土墙土压力计算,1.填料为砂性土计算时的假设浸水部分填料单位重量采用浮容重；浸水前后的内摩擦角不变；破裂面仍为平面，由于浸水后破裂面的变动对于计算土压力的影响不大，因而不考虑浸水的影响。,浸水挡土墙土压力计算,1.填料为砂性土土压力计算：在前述假设下，土压力计算与一般情形相似，只需扣除计算水位以下因浮力影响而减少的土压力。,浸水挡土墙土压力计算,2.填料为粘性土浸水的主要影响：填料的强度明显下降，主要是c 值显著降低。处理方法：将计算水位上、下的填料作为不同性质的土层对待。按分层土计算土压力，水位以上的土层按非浸水的一般情形计算；计算水位以下的土层，重度取浮容重，其上的填土重量作为荷载，按浮容重换算为均布土层，再按一般情形计算土压力，截取水位以下的土压力。这样就获得了全墙的土压力。,浸水挡土墙土压力计算,2.填料为粘性土计算图式,静水压力、动水压力和上浮力,1.动水压力当填料透水性不大，墙前水位低，墙后水位高，墙后填料中因渗流而产生动水压力。,静水压力、动水压力和上浮力,2.静水压力和浮力静水压力：计算水位以下的墙面和墙背受到静水压力。浮力：当基底透水时，挡土墙还受到浮力，计算的浮力在根据基底的透水情况折减。,浸水挡土墙稳定性验算,1.验算方法某一水位下，挡土墙的验算过程与一般情形下的挡土墙相同，只是挡土墙上的力系不同。水位高低影响挡土墙的稳定性。并且，对不同的验算指标，影响不同，因此要分别找出最不利水位。只有在最不利情况下使挡土墙满足稳定性要求，才能保证挡土墙的完全稳定。,浸水挡土墙稳定性验算,2.最不利水位求算对高水位和低水位之间的不同水位进行试算，找出最不利的水位，此时的稳定性最差。为了最快找出最不利水位，一般采用优选法确定试算水位。,第七节 地震地区挡土墙设计,地震荷载的计算地震作用下的土压力地震条件下挡土墙的稳定一般防震措施,基本规定,地震烈度达到8级或以上，或者地震时可能产生大规模滑坡、崩塌等严重灾害时，挡土墙设计应考虑地震力的作用；考虑地震力时，只考虑恒载和常水位的浮力，不考其他虑荷载的作用。,地震荷载的计算,1.地震力由于竖向地震力的影响小，挡土墙设计中只考虑水平地震力的影响。作用于挡土墙和破裂棱体重心上的最大水平地震力为,C1重要性修正系数；CZ综合修正系数；KH水平地震系数，水平地震加速度与重力加速 度之比；G破裂棱体与挡土墙自重。,地震荷载的计算,2.地震角水平地震力Ps与挡土墙重力G的合力G1，与竖直线的夹角s称为地震角。,地震作用下的土压力,1.计算假设地震作用前后填料的内摩擦角及墙背摩擦角不变；破裂面形状不变。,地震作用下的土压力,2.计算图式,地震作用下的土压力,3.土压力计算用、取代、和的值，地震作用下的力三角形与一般情形下的力三角形相似，即力的关系不变，可以直接采用一般库伦土压力公式计算地震作用下的土压力，只是将、和替换为s、s和 s。这种处理方法只是为了利用一般土压力计算公式，是一种数学上的变换，并不表示土压力与墙背的夹角发生改变，土压力的方向仍按墙背摩擦角 来确定。,地震条件下挡土墙的验算,地震作用下的挡土墙验算过程与一般挡土墙相同，只是荷载组合不同，计算荷载中增加了水平地震力的影响。,一般防震措施,尽可能采用重心低的墙身断面形式。基础尽可能置于基岩或坚硬的均质土层上；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。挡土墙宜采用浆砌片(块)石、混凝土和钢筋混凝土修筑。当采用干砌片(块)石时，墙高须加以限制：设计烈度为8度时，一般不超过5m；9度时，一般不超过3m。,一般防震措施,墙体应以垂直通缝分段，每段长度不宜超过15m。地基变化或地面标高突变处也应设置通缝。应严格控制砌筑质量，石料要嵌挤紧密，砂浆要饱满，砂浆标号按非地震区要求提高一级采用。培后填料应尽量用片、碎石或砂性土分层填筑并夯实，并做好排水设施。,