如何设计挡土墙

如何设计挡土墙摘要：挡土墙是特种结构中非常重要的结构，是建筑工程、道桥工程、矿山工程和码头工程当中应用很广的一种支挡结构。本文是介绍挡土墙的选择种类，和各类型适合的环境因素，即各种挡土墙的适用性分析，以及设计时应该注意的哪些方面的问题。后附设计实例。关键词：挡土墙，设计种类，适用性，环境因素，设计实例。正文：一， 我们首先得了解什么是挡土墙及其作用。挡土墙是指支承路，填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物在挡土墙横断面中，与被支承土体直接接触的部位称为墙背；与墙背相对的、临空的部位称为墙面；与地基直接接触的部位称为基地；与基底相对的、墙的顶面称为墙顶；基底的前端称为墙趾；基底的后端称为墙踵。挡土墙主要起到支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的作用。二， 还需知道挡土墙的分类和各类的特点。常用的挡土墙型式有：重力式、悬壁式和扶壁式还有加筋土挡土墙。重力式挡土墙一般用块石、砖或素混凝土筑成，它是靠挡土墙本身所受到的重力保持稳定，通常用于h5m的重要工程。在设计挡土墙时的要求，面坡常用1：0.02到1：0.05，背坡可直立。 顶宽0.15m，路肩墙0.2m，踵板采用等厚,趾板端部厚度可减薄,但不小于0.30m，墙高一般在6m-9m之间。底板是由墙趾板和墙踵板组成，底板一般是水平设置，做成变厚度板，底面为水平。土压力的计算，铁路列车和公路汽车荷载均可按等效的均布荷载计算，挡土墙受的土压力，可按库伦土压力理论和朗肯土压力理论计算，也可按第二破裂面理论计算，这些都是我们土力学的具体计算方法。内力计算包括墙身内力和墙踵板的内力。墙身可视为固定在底板上的悬臂梁，主要承受墙后的主动土压力和地下水压力，墙前的土压力可忽略不计。至于墙踵板可看成是墙身为固定端的悬臂梁，墙踵上作用的有第二破裂面与墙背间的土体的重力，墙踵的自重，主动土压力的竖直分量，地基土反力，地下水浮力和静水压力等荷载。扶壁式挡土墙，扶臂式挡土墙指的是沿悬臂式挡土墙的立臂，每隔一定距离加一道扶壁，将立壁与踵板连接起来的挡土墙（如下图）。扶壁式挡土墙是一种钢筋混凝土薄壁式挡土墙，其主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好的发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的低级。适用环境，适用于缺乏石料及地震地区。一般在较高的填方路段采用来稳定路堤，以减少土石方工程量和占地面积。扶壁式挡土墙，断面尺寸较小，踵板上的土体重力可有效地抵抗倾覆和滑移，竖板和扶壁共同承受土压力产生的弯矩和剪力，相对悬臂式挡土墙受力好。适用612m高的填方边坡，可有效地防止填方边坡的滑动。扶壁式挡土墙是路肩挡土墙的一种，是将预制的挡墙板焊接在预埋于基础混凝土中的钢板上，然后在其内倒填土的一种挡墙形式与其它几种形式的挡墙比较，扶壁式挡土墙具有节省占地空间、缩短施工工期、美化城市环境、较易施工等优点，是城市公路工程立交桥引道中常用的一种挡墙形式。 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。扶肋把立壁同墙踵板连接起来，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，但拼装式扶壁挡土墙不宜在地质不良地段和地震烈度大于或等于八度的地区使用。悬臂式和扶壁式挡土墙的结构稳定性是依靠墙身自重和墙踵板上方填土的重力来保证的，而且墙趾板的设置也显著地增大了挡土墙的抗倾覆稳定性并大大减小了基底接触应力。扶壁式挡土墙所受的计算荷载，作用在墙踵板上的荷载有：计算墙背与实际墙背的土重级活荷载，墙踵板自重，作用在墙趾板顶面的土压力竖向分量，有墙趾板固端弯矩的作用在墙趾板上引起的等代荷载，以及地基反力等。加筋土挡土墙指的是由填土、拉带和镶面砌块组成的加筋土承受土体侧压力的挡土墙（如下图）。加筋土挡土墙是在土中加入拉筋，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特性，从而达到稳定土体的目的。加筋土挡土墙由填料、在填料中布置的拉筋以及墙面板三部分组成。适用范围, 用于传统的重力式挡土墙无法满足设计要求的情况，如墙顶坡度较大、有活载或地基土质较差等。在加筋土挡土墙的设计施工中用多层拉接网片按设计的标高和长度在自嵌式景观后一定范围的回填土内分层布置一般应用于地形较为平坦且宽敞的填方路段上，在挖方路段或地形陡峭的山坡，由于不利于布置拉筋，一般不宜使用。 加筋土的显著特点：加筋土是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形，填土引起的地基变形对加筋土挡土墙的稳定性影响比对其他结构物小，地基的处理也较简便；它是一种很好的抗震结构物；节约占地，造型美观；造价比较低，具有良好的经济效益。 加筋土挡土墙施工简便、快速，并且节省劳力和缩短工期，一般包括下列工序：基槽（坑）开挖、地基处理、排水设施、基础浇（砌）筑、构件预制与安装、筋带铺设、填料填筑与压实、墙顶封闭等，其中现场墙面板拼装、筋带铺设、填料填筑与压实等工序是交叉进行的。加筋土挡土墙的荷载及其稳定性分析，加筋土挡土墙内部稳定性分析主要是确定拉筋拉力和验算抗拉和抗拔稳定性，它与加筋体破裂面形状、拉筋与填土间的，摩擦作用及土压力等因素有关；外部稳定性与工程的地基土和工程相连的整体土层等有关。至于土压力计算采用库伦第二理论计算。三，工程应用实例（加筋土挡土墙设计实例）1。工程概况受2005年19号台风影响，福州恩顶水库库区在3小时内降雨量达195mm。特大暴雨造成水库临时管理房右岸的山体发生大面积的塌方和滑坡，严重影响了水库的安全运行。为保证水库安全运行必须对管理房右岸山体大面积塌方和滑坡(包括大冲沟)进行加固修复。修复方案的研究比较对已被拉沟形成将近20米高差的滑坡采用建挡土墙的办法来除险加固。建造挡土墙有四种方案，即一是进行整修岸坡塌陷部份，用以1：15坡度粘土回填夯实，在表层再护砌C20厚度100mm的砼预制块护坡，由于落差较大，这样处理斜坡回填土的夯实较为困难，质量难保证。二是采用建台阶式挡土墙代替斜坡，即按6m高度建造C15埋石砼卸荷式挡土墙，分段加固岸坡。三是采用钢筋砼建三级挡土墙。四是用自嵌式挡土墙技术建造三级挡土墙。恩顶水库因龙王台风造成的水毁严重，除险加固项目多，经费有限，加上现场道路堵塞，地方狭窄，施工难度较大。通过对四种方案进行充分计算、分析、对比后，最终选择第四个方案，即采用自嵌式挡土墙技术建造3级总高18m挡土墙。与其它方案对比，自嵌式挡土墙最突出优点是：基础处理简单(墙体建在18m高回填基础上)，挡土墙允许有较大的变形，施工简单，进度快，造价低。工程施工自嵌式挡土墙工程分上中下三层，单层高度6m，长度分别为60m、82m、97m。自嵌式挡土块尺寸为400mm300mm150mm，层与层之间的挡土块错缝摆放，利用塑料棒进行卡位，没有使用砂浆或其它黏合剂。每层自嵌式挡土墙铺设12层土工格栅：开始3层为两块一层(到0，75m)，接着3层为三块一层(到2，1m)，最后6层为四块一层(到5，7m)格栅长度均为5，5m。铺好土工格栅后，人工铺设上层填料，及时完成碾压。为减少墙后回填土内的水对墙体的压力和回填土颗粒的流失，自嵌式挡土墙后面设置300mm宽，内填5mm到20mm的级配碎石作为滤水层。自嵌式挡土墙在挡土块体顶部设置了一道厚200mm的C15素混凝土的压顶。自嵌式挡土墙面层为厚300mm低渗透性粘土夯填层。恩顶水库自嵌式挡土墙，经过了一年多的观测与运行考验，各项指标都满足设计要求，达到了预期的目标。通过这项工程应用，可以得到以下几点结论：(1)自嵌式挡土墙是依靠自嵌式挡土块干垒而成的柔性挡土结构，用来防止山坡、堤岸的滑坡与倾覆，特别是能代替浆砌石或砼挡土墙用于一些工程地质差、施工条件差且要求施工进度快、造价低的水利工程上。(2)恩顶水库挡土墙单层高6m，总高18m，且建在18m原回填土的松软基础上，通过一年多的观测，其变形、沉降都在允许范围内。(3)自嵌式挡土墙技术虽然在设计方法、规范标准等方面有待改善补充，但从恩顶水库自嵌式挡土墙实测与运行结果与设计进行比较后，现采用的设计方法可以保证自嵌式挡土墙能安全运行，且具有较高的安全系数。(4)针对恩顶水库挡土墙的地形地质条件及护坡要求在方案比较时用C15埋石砼衡重式挡土墙与自嵌式挡土墙两种结构形式进行分析比较。结果表明，采用自嵌式挡土墙的工程直接造价为799877万元，而C15埋石砼衡重式挡土墙工程直接预算价为10873万元，两者对比采用自嵌式挡土墙可节省2875万元，即节约造价26 。考虑到恩顶水库自嵌式挡土墙是第一次在我省应用，且砼砌块又要从外省运进，造成费用增大。如果这项技术能在我省推广应用，砼砌块也由本省自行生产，挡土墙的造价还有相当大的下降空间。(5)恩顶水库自嵌式挡土墙于2007年1月通过竣工验收。挡土墙建设不仅取得良好的经济效益，还总结了施工经验、教训，编写出运用于自嵌式挡土墙施工的操作手册，为这项新技术在这省的推广应用起到积极的作用。四，计算设计实例2：1、设计基本资料基本参数：填土容重：20KN/m3，墙体材料容重23KN/m3，填土内摩擦角，墙背与填土之间摩擦角，基底摩擦系数，地基土容许承载力。如图：2、设计尺寸及材料参数如下：墙身尺寸: 墙身高:H= 5.000(m) 墙顶宽: a=1.500(m) 面坡倾斜坡度: 1:0.000 背坡倾斜坡度: m=1:0.400 墙底倾斜坡率: 0.000:1 物理参数: 圬工砌体容重: 23.000(kN/m3) 圬工之间摩擦系数: 0.400 砌体种类: 片石砌体 水泥土砂浆强度等级: M7.5 挡土墙类型: 一般挡土墙 墙后填土内摩擦角: 30.000(度) 墙后填土粘聚力: 0.000(kPa) 墙后填土容重: 20.000(kN/m3) 墙背与墙后填土摩擦角: 16.000(度) 修正后地基土容许承载力: 270.000(kPa) 墙底摩擦系数: 0.450 地基土类型: 土质地基 地基土内摩擦角: 30.000(度)土压力计算方法: 库仑3、计算检验3.1求破裂角及主动土压力 土压力计算 计算高度为 5.000(m)处的库仑主动土压力 按实际墙背计算得到: 第1破裂角： 25.560(度)因为俯斜墙背，需判断第二破裂面是否存在，但是设计已经给出与墙背的法线夹角为。所以第二破裂面不会出现。墙身截面积 单位墙体重量 3.2 滑动稳定性验算 基底摩擦系数 f= 0.450 滑移验算满足:= 1.7672 1.3003.2 倾覆稳定性验算验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性相对于墙趾点，墙身重力的力臂 Zw = 1.317 (m) 相对于墙趾点，Eay的力臂 =2.833 (m) 相对于墙趾点，Eax的力臂 = 1.667 (m) 倾覆力矩=163.806(kN-m) 抗倾覆力矩=597.958 (kN-m)倾覆验算满足: 3.3地基应力及偏心距验算作用于基础底的总竖向力 作用于墙趾下点的总弯矩 基础底面合力作用点距离基础趾点的距离(m)基础底面宽度 B = 3.500 (m) 偏心距 作用于基底的合力偏心距验算满足: e=0.556 = 0.167*3.500 = 0.583(m)满足要求，不会发生不均匀沉降基底压应力: 趾部踵部4.870(kPa)最大应力与最小应力之比 = 202.982 / 4.870= 41.683地基承载力验算满足: 最大压应力=202.982 = 270.000(kPa)3.4 墙底截面强度验算挡土墙H/2截面强度验算，截面宽验算截面以上，墙身截面积 S= 5.000(m2) 重量 = 115.000 kN相对于验算截面外边缘，墙身重力的力臂 Zw = 1.021 (m)相对于验算截面外边缘，Ey的力臂 Zx = 2.167 (m)相对于验算截面外边缘，Ex的力臂 Zy = 0.833 (m)3.4.1砌体法向应力检算:容许应力法: 作用于验算截面的总竖向力 = 134.060(kN)作用于墙趾下点的总弯矩138.217(kN-m)相对于验算截面外边缘，合力作用力臂 = 1.031(m)验算基底截面宽度 = 2.500 (m) 偏心距 = 0.219(m)截面上偏心距验算满足: e= 0.219 = 0.300*2.500 = 0.750(m)截面上压应力: 面坡 =81.808 背坡=25.440(kPa)压应力验算满足: 计算值= 81.808 = 1050.000(kPa)3.4.2砌体切向剪应力检算:24.571=-9.28剪应力验算满足: 计算值= -9.28 = 125.000(kP