PPT道路工程路基挡土墙设计讲义

第八章路路基基挡土墙墙设计第八章路路基基挡土墙墙设计第一节挡挡土土墙的类类型、构构造和布布置第二节土土压压力计算算第三节挡挡土土墙的稳稳定性验验算第四节加加筋筋土结构构第五节其其他他轻型挡挡土墙结结构第一节挡挡土土墙的类类型、构构造和布布置一、基本本概念挡土墙是是用来支支撑路基基填土或或山坡土土体，防防止填土土或土体体变形失失稳的一一种构造造物。挡土墙的的各部分分名称如如图：二、挡土土墙类型型及适用用范围常见的挡挡土墙形形式有：：重力式、、衡重式式、悬臂臂式、扶扶壁式、、加筋土土式、锚锚杆式和和锚定板板式1．重力式式挡土墙墙：依靠靠墙身自自重支撑撑土压力力来维持持其稳定定，特点点圬工量量较大，，但其形形式简单单，施工工方便，，可就地地取材，，适应性性较强2．锚定式式挡土墙墙：分锚锚杆式和和锚定板板式两种种，特点点工程量量省，，施工安安全，较较为经济济，有利利于实现现结构轻轻型化和和施工机机械化3．薄壁式式挡土墙墙：钢筋筋混凝土土结构，，包括悬悬臂式和和扶壁式式两种，，特点钢钢筋与混混凝土用用量大，，经济性性差，，宜在石石料缺乏乏、地基基承载力力较低的的填方路路段采用用4．加筋土土挡土墙墙：通过过填土与与拉筋间间的摩擦擦作用，，把土的的侧压力力传给拉拉筋稳定定土体，，特点施施工简便便、外形形美观、、占地面面积少，，而且对对地基的的适应性性大，，结构简简单，圬圬工数量量少，经经济效益益大三、挡土土墙构造造及布置置（一）挡挡土墙的的构造常用的重重力式挡挡土墙一一般是由由墙身、、基础、、排水设设施和伸伸缩缝等等部分组组成1、墙身构造造重力式挡挡土墙的的墙背坡坡度一般般采用1:0.25仰斜，仰斜墙背背坡度不不宜缓于于1:0.3；俯斜墙背坡度度一般为为1:0.25～1:0.4，衡重式或或凸折式式挡土墙墙下墙墙墙背坡度度多采用用1:0.25～1:0.30仰斜，上墙墙背背坡度受受墙身强强度控制制，根据上墙墙高度，采用1:0.25～1:0.45俯斜，,如下图所所示；在在地形险险峻地段段，或过过高过长长的路肩肩墙的墙墙顶应设设置护栏栏；设置沉降降缝2、排水设设施由地面排排水和墙墙身排水水两部分分组成地面排水水措施：①设置地面面排水沟沟，截引地表表水；②夯实回填土土顶面和和地表松松土，防止雨水水和地面面水下渗渗，必要时可可设铺砌砌层；③路堑挡土墙墙趾前的边边沟应予予以铺砌砌加固，以防边沟沟水渗入基础。。墙身排水水：为了排除除墙后积积水，通常在墙墙身的适适当高度度处布置置一排或或数排泄泄水孔。如下图图所示：：3、基础埋置置深度（二）挡挡土墙的的布置挡土墙的的布置，，通常在在路基横横断面图图和墙址址纵断面面图上进进行。1、挡土墙墙位置的的选定路堑挡土土墙大多多数设在在边沟旁旁，当当路肩墙墙和路堤堤墙的墙墙高或截截面圬工工数量相相近、基基础情况况相似时时优先选选用路肩肩墙，按按路基宽宽布置挡挡土墙位位置2、纵向布布置挡土墙纵纵向布置置在墙址址纵断面面图上进进行，布布置后绘绘成挡土土墙正面面图。如如图：布置的内内容有：：（1）确定挡挡土墙的的起讫点点和墙长长，选择择挡土墙墙与路基基或其它它结构物物的衔接接方式。。（2）按地基基及地形形情况进进行分段段，确定定伸缩缝缝与沉降降缝的位位置（3）布置各各段挡土土墙的基基础。（4）布置泄泄水孔的的位置，，包括数数量、间间隔和尺尺寸等。。3、横向布置置横向布置选选择在墙高高最大处、、墙身断面面或基础形形式有变异异处，以及及其它必需需桩号的横横断面图上上进行。4、平面布置置针对于个别别复杂的挡挡土墙，如如高、长的的沿河挡土土墙和曲线线挡土墙第二节土土压力计计算一、土压力力类型根据挡土墙墙的位移和和墙后土体体所处的应应力状态分分静止土压力力、主动土压力力和被动土压力力三种类型。。a)静止土压力力;b)主动土压力力;c)被动土压力力1．静止土压压力如果挡土墙墙的刚度很很大，在土土压力作用用下，墙体体不发生变变形和任何何位移，墙墙背后土体体处于弹性性平衡状态态，此时时墙背所受受的土压力力称为静止止土压力，，以表表示2．主动土压压力如果挡土墙墙在土压力力作用下产产生位移，，墙对土体体的侧向应应力逐渐减减小，土体体出现向下下滑动的趋趋势。土的的抗剪应力力抵抗着这这一滑动。。当墙的侧侧向应力减减小到某一一数值，且且土的抗剪剪强度充分分发挥时，，土体处于于极限平衡衡状态，与与此相应的的土压力称称为主动土土压力，以以符号表表示。3．被动土压压力如果挡土墙墙在外力作作用下推挤挤土体，墙墙对土体的的侧向应力力增大，土土体出现向向上滑动，，土的抗剪剪力阻止着着这一滑动动。当墙对对土体的侧侧向应力增增大到某一一数值，使使土的抗剪剪强度充分分发挥时，，土体处于于另一种极极限平衡状状态，与此此相应的土土压力称为为被动土压压力，以符符号表表示。二、库伦土压力理论论（一）基本本原理库伦土压力力理论从研研究墙后宏宏观土体的的滑动出发发，当墙后破裂裂棱体产生生滑动时，土体处于极极限平衡状状态，根据破裂棱棱体的静力力平衡条件件，求得墙背主主动土压力力和被动土土压力。假设：（1）墙后土体为均均质散粒体体，粒间仅有内内摩擦力而而无粘聚力力；（2）当墙产生一定定位移，墙后土体形形成破裂棱棱体，并沿墙背和和破裂面滑滑动；（3）破裂面为通通过墙踵的的一平面；（4）当墙后土体体开始滑动动时，土体处于极极限平衡状状态，破裂棱体在在其自重、墙背反力和和破裂面反反力的作用用下维持静静力平衡。（5）挡土墙及破破裂棱体均均视为刚体体，在外力作用用下不发生生变形。（二）主动动土压力如下图，AB为挡土墙墙墙背，BC为破裂面，，BC与竖值方向向的夹角为为破裂角θ，即为破裂裂棱柱体。。这个棱体体上作用着着三个力，，即破裂棱棱体自重、、主动土压压力的反力力、破裂面面上的反力力。当填土表面面为倾斜平平面时，如如下图所示示：所得的主动动土压力的的表达式为为：＝（三）库伦伦土压力理理论的适用用范围（1）库伦理论论概念清晰晰、计算简简单、适应应范围较广广（2）库伦理论论较适用于于砂性土，，用于粘性性土时，应应考虑粘聚聚力的影响响。（3）库伦理论论不仅适用用于墙背平平面为平面面或近似平平面的挡土土墙，也可可用于形墙墙背。（4）土体中出出现第二破破裂面，应应按第二破破裂面法计计算。（5）库伦理论论用于仰斜斜墙背时，，墙背坡度度不宜太缓缓。（6）库伦理论论仅适用于于刚性挡土土墙。（7）库伦理论论适用于地地面或墙后后填土表面面倾角的的情情况。三、不同情情况下的土土压力计算算（一）第二二破裂面的的土压力在挡土墙设设计中，当当墙背俯斜斜很缓时，，即墙背倾倾角很大的的情况，如如折线形挡挡土墙的上上墙墙背或或衡重式挡挡土墙的假假想墙背（（下图），，当墙后土土体达到主主动极限平平衡状态时时，破裂棱棱体并不沿沿墙背或假假想墙背滑滑动，而是是沿土体的的另一滑动动面滑动，，则称为第第二破裂面面。第二破裂面面出现的条条件是：（1）墙背倾角角必须大于于第二破裂裂面的倾角角；（2）作用于墙墙背或假想想墙背上的的合力对墙墙背法线的的倾角δ′应小于或等等于墙背摩摩擦角δ。对于一般常常用的俯斜斜墙背，上上述条件不不能满足，，故不会出出现第二破破裂面。衡衡重式墙的的上墙或悬悬臂式墙只只要满足第第一个条件件，即出现现第二破裂裂面。设计计时应首先先辨别是否否出现第二二破裂面，，然后再用用相应的公公式计算土土压力。计算是按上上下墙分别别计算（二）折线线形墙背的的土压力计计算（三）粘性性土土压力力计算采用换算内内摩擦角法法来计算粘粘性土的主主动土压力力（四）有限限范围填土土的土压力力计算墙后填土不不是沿着计计算的破裂裂面滑动，，而是沿着着已知滑动动面滑动用用有限范围围填土土压压力计算问问题，计算算图示如下下：（五）车辆辆荷载作用用下的土压压力车辆荷载近近似地按均均布荷载考考虑，并将将其换算成成容重与墙墙后填料相相同的均布布土层（1）按墙高确确定的附加加荷载强度度进行换算算挡土墙设计计中，换算算均布土层层厚度（m）可直接由由挡土墙高高度确定的的附加荷载载强度计算算，如下图图所示，即即：（2）根据破裂裂棱体范围围内布置的的车辆荷载载换算根据墙后破破裂棱体上上的车辆荷荷载换算为为容重与墙墙后填土相相同的均布布土层，如如下图所示示，其厚度度为：第三节挡挡土墙的的稳定性验验算一、作用在在挡土墙上上的力系力系永久荷载可变荷载偶然荷载长期作用在在挡土墙挡土墙结构构重力，，填土重力力，填土土侧压力，，墙顶上的有有效永久荷荷载，预预加力，，墙顶与第二二破裂面之之间的有效效荷载，，浮力及静水水压力，，混凝土收收缩及徐变变如下图车辆荷载引引起的土侧侧压力，，人群荷载载，动水压力，，温度变变化的影响响力等暂时性的或或属于灾害害性的，地地震，滑滑坡、泥石流作用用力等永久荷载如如图所示：：挡土墙设计计时，应根根据可能同同时出现的的作用荷载载，选择荷荷载组合，，常用的荷荷载组合如如表：组合荷载名称Ⅰ挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、填土重力、填土侧压力及其他永久荷载组合Ⅱ组合Ⅰ与基本可变荷载相组合Ⅲ组合Ⅱ与其他可变荷载、偶然荷载相组合二、挡土墙设设计原则挡土墙设计按按“分项安全全系数极限状状态”法进行行。挡土墙设设计分承载力极限状状态和正常使用极限限状态。当挡土墙出现现以下任何一一种状态，即即认为超过了了承载力极限限状态：①整整个挡土墙或或挡土墙的一一部分作为刚刚体失去平衡衡；②挡土墙墙的构件或连连接部件因材材料强度超过过而破坏，或或过度塑性变变形；③挡土土墙结构变为为机动体系或或局部失去平平衡。挡土墙出现下下列状态之一一时，即认为为超过了正常常使用极限状状态：①影响响正常使用或或外观变形；；②影响正常常使用或耐久久性的局部破破坏（包括裂裂缝）；③影影响正常使用用的其他特定定状态。三、稳定性验验算（一）滑动稳稳定性验算挡土墙的滑动动稳定性：在在土压力和其其他外荷载作作用下，基底底摩阻力抵抗抗挡土墙滑移移的能力。如如图：滑动稳定方程程抗滑动稳定系系数（二）抗倾覆覆稳定性验算算为保证抗倾覆覆稳定性，须须验算抵抗墙身身绕墙趾向外外转动倾覆的的能力，如图图：倾覆稳定方程程抗倾覆稳定系系数四、基底应力力及合力偏心心距验算1、基底合力的的偏心矩：避避免挡土墙不不均匀沉陷＝2、基础地面的的压应力：保保证挡土墙的的基底应力不不超过地基承承载力五、墙身截面面强度验算1、强度计算：2、稳定计算：：第四节加加筋土结构一、加筋土的的机理1、摩擦加筋理理论在加筋土结构构中，由填土土自重和外力力产生的土压压力作用于墙墙面板，通过过墙面板上的的拉筋连接件件将此土压力力传递给拉筋筋，企图将拉拉筋从土中拉拉出。而拉筋筋材料又被土土压住，于是是填土与拉筋筋之间的摩擦擦力阻止拉筋筋被拔出，如如图。因此，，只要拉筋材材料具有足够够的强度，并并与土产生足足够的摩阻力力，则加筋的的土体就可保保持稳定。2、准粘聚力理理论采用的拉筋，，其弹性模量量远大于填土土。拉筋与填填土的共同作作用，包括填填土的抗剪力力、填土与拉拉筋的摩擦阻阻力及拉筋的的抗拔力，使使得加筋土的的强度明显提提高，这可以以从三轴试验验中得到验证证。在没有拉筋的的土体中，在在竖向应力作作用下，土体体产生竖向压压缩和侧向膨膨胀变形。随随着竖向应力力的加大，压压缩变形和膨膨胀变形也随随之加大，直直到破坏。。应力状态如如图：如下图a所示。莫尔圆圆I为土体未破坏坏时的弹性应应力状态；圆圆II则是未加拉筋筋的土体极限限应力状态；；圆III是加筋土体的的应力状态，，在相同的轴轴向变形条件件下，加筋土土能承受较大大的主应力差差。这还可以以通过常规三三轴试验中的的应力变化情情况来表示，，如图b所示，圆IV为无筋土极限限状态时的莫莫尔圆；圆VI为加筋土的莫莫尔圆，圆VI的与圆IV的相等，而能能承受的压力力则增加了；；圆V为加筋土中填填土的极限莫莫尔圆，其最最大主应力与与圆VI的相等，而最最小主应力却却减小了。上上述分析说明明，加筋土体体的强度有了了增加，应有有一条新的抗抗剪强度线来来反映这种关关系，如图c所示。这已被试验所所证实，如下下图所示，图图中加筋砂与与未加筋砂的的强度曲线几几乎完全平行行，说明值在在加筋前后基基本不变，加加筋砂的力学学性能的改善善是由于新的的复合土体（（即加筋砂））具有“粘聚聚力”的缘故故，“粘聚力力”不是砂土土固有的，而而是加筋的结结果，所以称称为“准粘聚聚力”。二、破坏模式式及验算项目目1、内部失稳形形式由于拉筋与填填土之间结合合力不足造成成的加筋体断断裂由于拉筋开裂裂造成的断裂裂2、外部失稳形形式加筋土挡土墙墙与地基间的的摩阻力不足足或墙后土体的的侧向推力过过大所引起的的滑移加筋土挡土墙墙被墙后土体体侧向推力所所倾覆由于地基承载载力不足或不不均匀沉降而而引起的倾斜斜加筋土挡土墙墙及墙后土体体出现整体滑滑动三、拉筋拉力力计算1、加筋体自重重产生的拉力力对第i层拉筋所产生生的应力水平应力：竖向应力：2、加筋体上路堤堤填土产生的的拉力：3、附加加荷载载产生生的拉拉力：：4、拉筋筋拉力力四、拉拉筋长长度计计算第五节节其其他他轻型型挡土土墙结结构一、悬悬臂式式和扶扶壁式式挡土土墙（一））悬臂臂式和和扶壁壁式挡挡土墙墙的构构造及及适用用条件件悬臂式式和扶扶壁式式挡土土墙的的结构构稳定定性是是依靠靠墙身身自重重和墙墙踵板板上方方填土土的重重力来来保证证，而而且墙墙趾板板也显显著地地增大大了抗抗倾覆覆稳定定性，，并大大大减减小了了基底底应力力。它它们的的主要要特点点是构构造简简单、、施工工方便便，墙墙身断断面较较小，，自身身质量量轻，，可以以较好好地发发挥材材料的的强度度性能能，能能适应应承载载能力力较低低的地地基。。但是是需消消耗一一定数数量的的钢材材和水水泥一般情情况下下，墙墙高6m以内采采用悬悬臂式式，6m以上采采用扶扶壁式式。（二））土压压力计计算（1）库伦伦土压压力法法:一般可可采用用库伦伦土压压力理理论计计算，，特别别是填填土表表面为为为折折线或或有局局部荷荷载作作用时时（2）朗金金土压压力法法:填土表表面为为一平平面或或其上上有均均匀荷荷载作作用时时采用用，如如下图图所示示按朗朗金土土压力力理论论计算算的土土压力力作用用于通通过墙墙踵的的竖直直面AC上，在在立壁壁和墙墙踵板板设计计时，，应将将分分成成两部部分。。（三））墙身身构造造设计计（1）悬臂臂式挡挡土墙墙构造造设计计悬臂式式挡土土墙分分段长长度不不应大大于15m，段间间设置置沉降降缝和和伸缩缩缝,墙踵板板顶面面水平平,墙踵板板宽度度由全全墙抗抗滑稳稳定性性确定定，并并具有有一定定的刚刚度（2）扶壁壁式挡挡土墙墙扶壁式式挡土土墙分（四））墙身身截面面尺寸寸的拟拟定悬臂式式挡土土墙的的整体体稳定定性通通常取取决于于墙底底板的的宽度度，增增大（五））立壁壁和墙墙底板板厚度度1、内力力计算算2、截面面厚度度计算算（六））墙身身稳定定性及及基底底应力力验算算验算内内容包包括抗抗滑稳稳性、、抗倾倾覆稳稳定性性、基基底应应力及及合力力偏心心矩、、墙身身截面面强度度等二、锚锚杆挡挡土墙墙（一））锚杆杆挡土土墙的的构造造与布布置锚杆挡挡土墙墙是由由钢筋筋混凝凝土墙墙面和和钢锚锚杆组组成，，靠锚锚固在在稳定定地层