路基路面挡土墙设计PPT课件

1、2021-11-181第六章 挡土墙设计(retaining wall design) 第一节 概述 第二节 挡土墙土压力计算 第三节 挡土墙设计 第四节 浸水路堤挡土墙设计 第五节 地震地区挡土墙设计 第六节 轻型挡土墙 第七节 加筋挡土墙第1页/共90页2021-11-182第一节 概述 一、挡土墙的用途 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。在公路工程中，它广泛应用于支撑路堤或路坡、隧道洞口、桥梁两端及河流岸壁等。第2页/共90页2021-11-183二、挡土墙的类型 1.重力式挡土墙： 依靠墙身自重支撑土压力来维持稳定。 2.锚定式挡个土墙： 包括锚杆式和锚定板

2、式两种。 3.薄壁式挡土墙： 是钢筋混凝土结构，包括悬臂式和扶壁式。 4.加筋土挡土墙： 由填土、填土中布置的拉筋及墙面板三部分组成。第3页/共90页2021-11-1846-1 概述三、 设计的目的与分类: 1a.防止路基填土或山坡岩土失稳.坍塌.滑动、用途 b.收缩坡脚,减少土石方,搬迁与占地c.防止水流冲刷与侵蚀2路肩墙路堤墙、 分类位置路堑墙山坡墙外部支挡系统支挡机理 内部支挡系统混合系统(杂交)3、各部分名称:3、各部分名称:第4页/共90页2021-11-185第5页/共90页2021-11-186四、类型: 1.重力式挡土墙:依靠墙身自重支撑土压力以保持稳定. 优点:构造简单,取

3、材容易. 适用条件:地基强度高,石料供应充足. 类型:普通式 衡重式A 竖直式B 俯斜式C 仰斜式D 折线式E 衡重式第6页/共90页2021-11-187优点: 截面尺寸小,轻巧,可以预制,工程量小,受地基强度限 制小,有利于机械化施工. 适用条件: 墙身高,缺乏石料,地基开挖困难的路堑墙,路堤墙 缺点: 钢材用量大,对水较敏感,易受水侵蚀产生断裂与滑移锚定杆.锚定式挡土墙锚定板第7页/共90页2021-11-188(1)锚杆式 (2)锚定板式 第8页/共90页2021-11-189悬臂式3.薄壁式挡土墙扶壁式优点:强身断面小,结构稳定性不依赖 于自身重量,自重轻,省工省料 适用条件:墙身高

4、 缺点:需要大量钢材第9页/共90页2021-11-18104.加筋挡土墙: 特点:受力主要是土与加筋条之间的摩擦力,加筋条数量 多,加筋条一般是塑料制品,合成纤维,经济效益好。 缺点:对水敏感第10页/共90页2021-11-18115土钉（钉土）挡土墙土钉墙是一种较新式的结构物，它主要由“钉”（即锚杆）、混凝土面板（挂网喷射混凝土）、锚板组成。 第11页/共90页2021-11-18126柱板式挡土墙钢筋混凝土锚固桩7桩板式挡土墙第12页/共90页2021-11-18138垛式（框架式）挡土墙第13页/共90页2021-11-1814第二节 挡土墙土压力计算一、作用在挡土墙上的力系 作用在

5、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。第14页/共90页2021-11-18156-2 挡土墙土压力计算()NTap自重G及恒载墙背土压力E基底反力1、主要力系墙底摩擦力墙前土体的被动土压力E正常浸水时的静水压力与浮力 浸水挡土墙GEaEpTN第15页/共90页2021-11-1816洪水时的静水压力和浮力动水压力、附加力 波浪冲击力季节性作用冻胀压力冰压力第16页/共90页2021-11-18174.计算方法: n 一般地区 只考虑主要力系 n 浸水地区 还应考虑附加力 n 地震地区 还应考虑特殊力地震力、特殊力 施工荷载偶然出现漂浮物撞击力第17页/共90页2021-

6、11-1818二、一般条件下库仑主动土压力计算 (110)aspEEPE主动土压力静止土压力定义见课本被动土压力挡土墙设计一般认为有侧向移动,不必计算,只需计算, 对于墙趾前的被动土压力,一般忽略不计(小,对稳定有利)第18页/共90页2021-11-18191.破裂面交于内边坡： Ea=?H2Ka ? 墙后填土的容重，KN/m3; H 挡土墙高度，m; Ka主动土应力系数； 第19页/共90页2021-11-1820（一）各种边界条件下主动土压力计算:(五种位置)12345第20页/共90页2021-11-1821n1.破裂面交于内边坡: 图示sin(90)cos()(1)sin()sin(

7、)1sin()2seccos()secsin(90)cos()sin(90)aEGGGr AB BCABHABHBC2222221cos()sin()sec(2)2cos()1cos()sin() cos()1secseccos()2cos()sin()2sin()cos()(3)cos()sin()aaGr HErHAHErA代入（）式令则：第21页/共90页2021-11-1822第22页/共90页2021-11-18230, , ,/0Ed aaa当参数 ，固定时，E 随破裂面位置变化，即E 是破裂角 的函数为求最大土压力E ，首先对应于最大土压力时的破裂角 ，取22cos() cos(

8、)cos()sin()sin()sin()cos ()sin() sin()sin()cos()cos()0cos()sin ()rA2204(4)2PtgQtgRQQPRtgP整理化简得：第23页/共90页2021-11-1824cossincos()sincoscos()cos()cos()cos()cos()cossincos()sincos()cosPQR式中：2222(4)(3)11cos ()22sin()sin()coscos() 1cos()cos()aaErH KrH将式代入式cos()sin()xayaEEEE水平分力垂直分力第24页/共90页2021-11-1825n2.

9、破裂面交于路基面:aah0第25页/共90页2021-11-1826（1）破裂面交于荷载中部 n 破裂棱角的断面面积:2000011() ()()22()111(2)()()(22)222SaHtgtgbatgaaH tgHtgba haHhaH tgabbd hH Hah tg000001(2)()2:11()(22)22AaHhaHBabbd hH Hah tg令00:(5)SA tgB则第26页/共90页2021-11-18270000cos()cos()()()(6)sin()sin()aGr A tgBEGA tgB代入00022:0cos()sin()sin()cos()cos()

10、()0sin ()sin()cosadEdAA tgB令200:2()0Btgtg tgctg tgctgtgA 整理化00()()BtgtgctgtgtgA 第27页/共90页2021-11-1828n将代入(6)式求得主动土压力Ea. n注意:(5)、(6)式具有普遍意义,无论破裂面交于荷载 n 中、内、外侧,断面面积S都可以归纳为: n n nA0、B0为边界条件系数,将不同的A0、B0 值代入可 n 求得相应的破裂角和最大主动土压力Ea.00;SA tgB第28页/共90页2021-11-1829(2)破裂面交于荷载外侧: n则: (7) n.20020011() ()()22111(

11、)(2 )222Sahtgtgbatgal hah tgH Ha tgabl h00SA tgB200001()211(2 )22AaHBabl hH Ha tg第29页/共90页2021-11-1830特殊情况: n (1)当为路肩墙时,式中; n (2)俯斜墙背取正值,垂直,仰斜取负值; n (3)当荷载沿路肩边缘布置时取第30页/共90页2021-11-1831(3)破裂面交于荷载内侧: n在(7)式中令0000,hSA tgB2001()211(2 )22AaHBabH Ha tg第31页/共90页2021-11-1832n3.破裂面交于外边坡:aa90+-1CA1第32页/共90页2

12、021-11-1833001coscos()SAB20120001()sin21() 2()()2iAbLHa ctgHtgBHabLHa ctgabH tgl h000011coscoscos()()()cos()cos()sin()aGABEAB第33页/共90页2021-11-1834化简: 002111021:0cossin()sin()cos()cos()cos()sin ()0cos()sinsin()coscos()sin()cos ()adEdABA令22402QQPRPtgQtgRtgP式中:P，Q，R见课本P115第34页/共90页2021-11-1835三、大俯角墙背的主

13、动土压力第二破裂面法:n1.定义:当墙背俯斜较缓,即倾角很大,墙后土体达到主动 n 极限平衡状态时,破裂棱体并不沿墙背或假想墙 n 背滑动,而是沿土体的另一个破裂面滑动,这个破 n 裂面称为第二破裂面,远离墙的破裂面称为第一 n 破裂面.出现第二破裂面的条件： 1.墙背或假想墙背的倾角必须大于第二破裂面角，即墙背或假想墙背不妨碍第二破裂面出现； 2.在墙背或假想墙背面上产生的抗滑力必须大于其下滑力，使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑；第35页/共90页2021-11-1836第36页/共90页2021-11-1837xE(,):iixiiEf 是、 的函数00 xixiEE2222222220

14、,0,()0 xxxxxiiiiiiEEEEE满足：第37页/共90页2021-11-1838四、折线形墙背的土压力计算: n 1.分为上、下墙分别计算,再求矢量和 n 2.计算上墙时,先判别是否出现第二破裂面 n 3.计算下墙时:12aEBBCBC efghE 、延长墙背法 先求再延长至 以为 假想墙背 截取为下墙b、力多边形法第38页/共90页2021-11-1839n五、粘性土土压力计算:00D0000D1c2(45)(45)225 1030 35DDDctgtgHctgtgH、等效内摩擦角法：将 与 换算成较实有 值为大的等效内摩擦角按砂性土公式计算土压力。一般换算前后土的抗剪强度相等

15、的原则或土压力相等的原则计算值。通常把粘性土的内摩擦角值增大或采用为第39页/共90页2021-11-18402.力多边形法(数解法): n水平压应力 n n 静力平衡条件： 32aazkc k03220(45)2accHtgrr k，cos()cos0sin()sin()aadEGLEGd，令：第40页/共90页2021-11-1841六、不同土层的土压力计算:近似方法P122P123 n七、有限范围填土的土压力计算: n 沿原地面横坡滑动 n而不是沿计算破裂面下滑cos()sin()cacEG第41页/共90页2021-11-1842第42页/共90页2021-11-1843八、被动土压力

16、计算: n 212ppErH k第43页/共90页2021-11-1844九、车辆荷载的换算:33/ ./hq rrkN mkN m、等代均布土厚度：填土容重，q=附加荷载强度按表取用2.公路桥涵设计通用规范中,车辆荷载换算为等代均布土层厚度.00QhrB LL-挡土墙计算长度,m. B0 -破裂棱体的宽度,对路堤墙,为破裂棱体范围内的路基宽. -布置在B0L面积内的轮重或履带重.KN.Q车辆荷载引起的附加土侧应按等代均布土层厚度计算： 第44页/共90页2021-11-1845L的计算长度,取下述两者之较大值: n(1)分段长度,应不大于15m. n(2)一辆重车的扩散长度,按下式计算,若计

17、算值大于15m, n 仍用15m. n L0-重车前后轴距加一个轮胎着地长度(m). n H-挡土墙高度(m). n a -墙顶面以上填土高度(m).00(2 )30LLHa tg破裂面第45页/共90页2021-11-1846规定: na.汽车荷载: n 纵向:当取用分段长度,为分段长度内可能布置的车轮, n 当采用一段重车的扩散长度时,为一辆重车. n 横向:最不利荷载组合:范围内可能布置的车轮,当为路肩 n 墙时,车轮后轮外缘靠墙顶内缘布置,当为路堤墙时, n 车轮后轮中心至路基边缘0.5m. nb.验算荷载: n 验算荷载应在路面宽度内居中行驶,其等代均布土层厚度为: n 挂-120为

18、0.96m,挂-100为0.80m,挂-80为0.64m, n 履带-50为0.40m.第46页/共90页2021-11-1847补充: n库仑土压力理论：n在土压力理论的研究中，假定破裂面形状，依据极限状态下破裂棱体的静力平衡条件来确定土压力，这类土压力理论最初是由法国的库伦CA Coulomb)于1773年提出的，称为库伦理论。n从研究墙后宏观土体的滑动出发，当破裂面棱体滑动时，土体处于极限平衡状态，根据静力平衡条件求算Ea 第47页/共90页2021-11-1848n基本假设： n1) 填料为各向同性，均匀散粒体，仅有内摩擦阻力，c=0; n2) 破裂面通过墙踵，并假定若干破裂面，Ea为

19、最大时 n 即最危险滑裂面。 n3）下滑土体为刚性体，同墙背、破裂面存在摩擦角 n4）滑动面为平面，考虑单位墙段。 n5）假定土压力沿墙高呈分段线性分布，作用点在分布图形的重心。 n 当墙后土坡为一直线形，土压力呈线性分布，作用于墙 n 下三分点处。第48页/共90页2021-11-1849朗肯土压力理论：从研究弹性伴半无限体内的应力状态出发，根据土的极限平衡理论计算土压力。 朗肯土压理论是 1857 年法国人朗肯 (W ， J M Rankine) 提出的，这一理论建立在土的极限平衡理论基础上。 第49页/共90页2021-11-1850 它的基本假定是： (1) 挡土墙墙面是竖直、光滑的；

20、 (2) 挡土墙墙背面的填土是均质各向同性的无粘性土或粘性土，填土表面是水平的； (3) 墙体在压力作用下将产生足够的位移和变形，使填土处于极限平衡状态； (4) 填土滑动面为直线。第50页/共90页2021-11-1851 经典的库伦和朗肯土压力理论，因其计算简单和力学概念明确，一直为工程设计所采用。但由于经典土压力理论存在着两个明显的弱点? 第51页/共90页2021-11-1852 一、是只能计算土体变形达到极限状态的临界条件时的土压力大小，不能计算未到临界状态时的土压力大小。 二、是经典土压力理论没有考虑建筑物的变位方式的对土压力的影响。第52页/共90页2021-11-1853aaE

21、RGE1cc 0221053) 4) r, , 注意：库仑土压力 且只考虑 ， ， ）忽略内聚力 ，对砂性土较合适（ = ） ）平截面误差 %-% ,工程误差% 可以接受 若为滑动圆弧怎么算设计参数第53页/共90页2021-11-1854a2a2Ecos( + ) 1cos( + ) EGsin( + )2sin( + )1122tan(+ )HH kHk Hk 作图法求其中令库尔曼作图法第54页/共90页2021-11-1855第三节 挡土墙设计一、挡土墙的布置 1.挡土墙位置的选定 2.挡土墙的纵向布置内容： （1）确定挡墙起点和墙长，选择挡墙与路基或其结构物的衔接方式； （2）按地基及

22、地形情况进行分段，确定伸缩缝和沉降缝的位置； （3）布置各段挡土墙的基础； （4）布置泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等；第55页/共90页2021-11-1856 3.挡土墙的横向位置 横向布置选择在墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处，以及其它必须桩号处的横断面上。 4.平面布置 沉降伸缩缝基地线泄水孔路线纵坡锥坡挡土墙正面图第56页/共90页2021-11-1857二、挡土墙的构造 1.墙身构造：a.墙背；b.墙面；c.墙顶；d.护栏 2.基础：（1）基础类型： 扩大基础刚性角 n 钢筋砼基础 拱形基础 n 台阶基础换填基础 （2）基础埋置深度：无冲刷时，应在天然地面下 至少1.0米

23、；有冲刷时，应在冲刷线以下至少1.0米；受冻胀影响时，应在冻结线以下不少于0.25米；第57页/共90页2021-11-1858 对于岩石地基：清除表面风化层按表确定 n 襟边宽度：墙趾前至地面横坡的水平距离。 :一般要求满足地基容许承载力避免水流冲刷避免受冻胀影响第58页/共90页2021-11-18593、排水设施：墙身泄水孔5 10,10 10,15 205-1010cm2-3m,cmcmc方形圆形 间距 上下错开疏干水分防止静水压力作用防止冻胀压力填料浸水膨胀压力：填砂性土第59页/共90页2021-11-18604.沉降缝与伸缩缝：n合并设置1015设置一条，缝宽23cm n内，外，

24、顶三方填塞胶泥、沥青或涂沥青木板第60页/共90页2021-11-1861三挡土墙荷载的计算方法 n1、作用荷载：、恒载 n 、可变荷载 n 、温度及施工荷载 n常用荷载组合： n 组合：基本可变荷载（平板车及履带车除外） n 的一种或几种恒载的组合 n 组合II : 组合I+其他一种或几种可变荷载 n 组合III : 组合I+静水压力及浮力 n 组合IV : 组合II+静水压力及浮力 n 组合V : 组合I+地震力第61页/共90页2021-11-18622、 设计原则： 分项安全系数极限状态平衡法abcabc、 整体或局部失去平衡承载力极限状态、 材料强度不足或变形过大不能继续承载、 结构

25、变为机动体系、 影响正常使用或外观变形正常使用极限状态、 影响正常使用或耐久性的局部破坏（包括裂缝）、 影响正常使用的其他特定状态承载能力极限状态表达式：0GGK11S)/QQ kQiciQikkkSSR （第62页/共90页2021-11-18633 、 计算状态及荷载系数 n (1) 承载能力极限状态分项荷载系数（表6-6） n (2) 正常使用极限状态 全部荷载系数采用1.0 n (3) 合力偏心距计算时 全部荷载系数采用 1.0第63页/共90页2021-11-186416-4 挡土墙稳定性分析n一 、 设计参数的敏感性分析 yQ10Q10G+E1.3cos()sin()0.9G+)0

26、.9k13)xxayayxfkEEEEEEGtgE（）抗滑力推力同时满足 （增大 值方法： ）采用换土法，增大f( ) . 2)倾斜基底凸榫基底第64页/共90页2021-11-1865二、计算要求 n 1、 控制墙身不产生沿基底的滑移破坏 n 2 、墙身不产生沿墙趾的倾覆 n 3、 基底不出现过大的沉陷 n 4、 控制出现不均匀沉降而引起墙身倾斜 n 5、 控制墙身截面不出现开裂第65页/共90页2021-11-1866n三、 抗滑稳定性分析yQ10Q10G+E1.3cos()sin()0.9G+)0.9k13)xxayayxfkEEEEEEGtgEpxx（）抗滑力推力同时满足 （增大 值方

27、法： ）采用换土法，增大f( ) . 2)倾斜基底(G+W+ W)f+E凸榫基底k=E + EGEa ExEy 第66页/共90页2021-11-1867四、抗倾覆稳定验算y01M0.9()0k1)23GyxxyGQyxxyG ZEZkMEZGZE ZEZ稳定力矩倾覆力矩增大 值方法： 展宽基底）改变墙背（面）的型式和坡度 ）改变墙身断面类型第67页/共90页2021-11-1868五、基底应力及合力偏心矩验算： n 1） 基础地面压应力1010(1)N()cossinGQyQxNPAGEWE轴心荷载作用0(2)2NyGyxxyNyBeZMMG ZE ZE ZZNGE偏心荷载作用基底合力偏心矩

28、第68页/共90页2021-11-18691max1min11B6)|e|(1)66(1)N,0.9GGyGNeaPABNePABGEW当时其中1maxmin2B)|e|,063C=()26NbPPCBBee当时式中第69页/共90页2021-11-18702）基底合力偏心矩： 满足表6-9 n3）地基承载力抗力值k(1)(2)1.2(3)3f 11f5 f6-116e0.333BNpfANpfAk1 122k当轴向荷载作用时当偏心荷载作用时地基承载力抗力值的规定 f=f +k(b-3)+k(h-0.5)(4)当不满足上式( ) 或f1.1f时,可按 = .直接确定( ) 值可根据实际组合荷载

29、予以提高，提高系数符合表（ ）当时，可根据土的抗剪强度指标确定地基承载力的抗力值第70页/共90页2021-11-1871六、 墙身截面强度验算 n 1、 验算断面选择验算截面的选择第71页/共90页2021-11-1872第四节 浸水路堤挡土墙设计一、浸水挡土墙土压力计算 1.当填料为砂性土时设计时考虑： 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； 破裂面为一平面； 2.当填料为粘性土时 粘性土浸水后c值显著降低，应将填土的上下两部分视为不同性质的土层，应分别计算土压力。第72页/共90页2021-11-1873二、静水压力、动水压力和上浮力 1.浸水压力 2.上浮力 3.动

30、水压力：透水性材料，动水压力一般很小，可略而不计。三、浸水挡土墙稳定性验算 设计浸水挡土墙，应对最不利水位进行验算。应用优选法求最小稳定系数。第73页/共90页2021-11-1874第五章 地震地区挡土墙设计一、地震荷载的计算 在挡土墙设计中，一般只考虑水平地震力的影响。 最大水平地震力Ps = C z K h G C z 综合影响系数； K h 水平地震系数； G 破裂棱体与挡土墙的重量；二、地震作用下的土压力 直接采用一般库仑土压力公式计算地震土压力。三、地震条件下挡土墙的验算 具体验算方法同前，只在验算时注意考虑地震对挡墙的影响。第74页/共90页2021-11-1875四、一般防震措

31、施 1.尽可能采用重心低的墙身断面形式； 2.基础尽可能置于基岩或坚硬的均质土层上； 3.挡土墙宜采用浆砌片石、混泥土和钢筋混泥土修筑； 4.墙体应以垂直通缝分段，每段长度不宜超过15米；地基变化或地面标高突变处，也应该设置通缝； 5.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； 6.墙后填料应尽量用片、碎石或砂性土分层填筑并夯实，并做好排水设施。第75页/共90页2021-11-1876第六节 轻型挡土墙一、悬臂式挡土墙 1.构造：由立壁和底板组成。 2.适用条件:施工简单，适用于比较松软的地基，墙高一般在69米之间。 3.设计：（1）土压力计算 （2

32、）底板宽度计算 （3）底板厚度计算 （4）立壁厚度计算第76页/共90页2021-11-1877二、锚杆挡土墙 1.构造：钢筋混泥土墙面和钢锚杆组成。 2.布置：当挡土墙较高时，应布置两级或两级以上，两级之间设12米宽的平台。每级挡土墙不宜过高，一般5 6米。 3.设计：（1）主动土压力计算； （2）挡土板内力计算； （3）立柱的内力计算； （4）锚杆设计： 锚杆截面设计； 锚杆长度设计； 锚杆与立柱的连接；第77页/共90页2021-11-1878三、锚定板挡土墙 1.构造：由钢筋混凝土墙面、钢拉杆、锚定板以及其间的填土共同形成的一种组合挡土结构。 2.设计： （1）锚定板设计； （2）锚定

33、板挡土墙的整体稳定性； 3.与锚防挡土墙的主要区别：锚杆挡土墙的锚杆插入稳定地层的钻孔中，抗拔力来源与灌浆锚杆与孔壁地层之间的粘结强度，而锚定板挡土墙的钢拉杆及其端部的锚定板都埋设在人工填土当中，抗拔力主要来源与锚定板前的填土的被动抗力。第78页/共90页2021-11-1879第七节 加筋挡土墙一、加筋挡土墙的构造 加筋挡土墙的平面线性可采用直线、折线和曲线。相邻墙面的内夹角不宜小于70度。加筋体筋带一般应水平布设并垂直于面板，当一个结点有两条以上筋带时，应扇状分开。当相邻墙面的内夹角小于90度时，宜将不能垂直布设的筋带逐渐斜放，必要时在角隅处增设加强筋带。二、加筋挡土墙结构计算 1.加筋体

34、中活动区与稳定区 2.加筋挡土墙 3.总体平衡法验算第79页/共90页2021-11-18802006-1-19 80 加筋土挡土墙 是一种由竖直面板、水平拉筋和内部填土三部分组成的加筋体，通过拉筋与填土间的摩擦力拉住面板、稳定填土、形成一个整体结构，依靠其自重抵抗墙后填土所产生的侧向压力。加筋土挡土墙按设置位置分为路堤式、路肩式，按设置方式分为双面交错式、双面分离式、台阶式等.第80页/共90页2021-11-18812006-1-19 81 面板的作用是防止拉筋间填土从侧向挤出，保证拉筋、填料、墙面板构成具有一定形状的整体。面板的形状有十字形、六角形、矩形、槽形、L L形、弧形等。一般采用强度不低于C20C20的混凝土或钢筋混凝土预制板，国外也有采用半椭圆形的金属板。其设计应满足坚固、美观、运输方便和安装方便等要求。为满足加筋体的排水要求，墙面板应预留泄水孔。第81页/共90页2021-11-18822006-1-19 82 拉筋，又称筋带，承受垂直力和水平拉力，其作用是通过拉筋与填料之间的摩擦力而达到外部稳定。拉筋常用带肋的扁钢带、钢筋混凝土带、聚丙烯土工带等