道路工程路基挡土墙设计讲义三

第八章路基挡土墙设计第八章路基挡土墙设计第一节挡土墙的类型、构造和布置第二节土压力计算第三节挡土墙的稳定性验算第四节加筋土结构第五节其他轻型挡土墙结构第一节挡土墙的类型、构造和布置一、基本概念挡土墙是用来支撑路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。挡土墙的各部分名称如图：二、挡土墙类型及适用范围常见的挡土墙形式有：重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式和锚定板式1．重力式挡土墙：依靠墙身自重支撑土压力来维持其稳定，特点圬工量较大，但其形式简单，施工方便，可就地取材，适应性较强2．锚定式挡土墙：分锚杆式和锚定板式两种，特点工程量省，施工安全，较为经济，有利于实现结构轻型化和施工机械化

3．薄壁式挡土墙：钢筋混凝土结构，包括悬臂式和扶壁式两种，特点钢筋与混凝土用量大，经济性差，宜在石料缺乏、地基承载力较低的填方路段采用4．加筋土挡土墙：通过填土与拉筋间的摩擦作用，把土的侧压力传给拉筋稳定土体，特点施工简便、外形美观、占地面积少，而且对地基的适应性大，结构简单，圬工数量少，经济效益大三、挡土墙构造及布置

（一）挡土墙的构造常用的重力式挡土墙一般是由墙身、基础、排水设施和伸缩缝等部分组成1、墙身构造重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1:0.25仰斜，仰斜墙背坡度不宜缓于1:0.3；俯斜墙背坡度一般为1:0.25～1:0.4，衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1:0.25～1:0.30仰斜，上墙墙背坡度受墙身强度控制，根据上墙高度，采用1:0.25～1:0.45俯斜，,如下图所示；在地形险峻地段，或过高过长的路肩墙的墙顶应设置护栏；设置沉降缝2、排水设施由地面排水和墙身排水两部分组成地面排水措施：①设置地面排水沟，截引地表水；②夯实回填土顶面和地表松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可设铺砌层；③路堑挡土墙墙趾前的边沟应予以铺砌加固，以防边沟水渗入基础。墙身排水：为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔。如下图所示：3、基础埋置深度（二）挡土墙的布置挡土墙的布置，通常在路基横断面图和墙址纵断面图上进行。1、挡土墙位置的选定路堑挡土墙大多数设在边沟旁，当路肩墙和路堤墙的墙高或截面圬工数量相近、基础情况相似时优先选用路肩墙，按路基宽布置挡土墙位置2、纵向布置挡土墙纵向布置在墙址纵断面图上进行，布置后绘成挡土墙正面图。如图：

布置的内容有：（1）确定挡土墙的起讫点和墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。（2）按地基及地形情况进行分段，确定伸缩缝与沉降缝的位置（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。

3、横向布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，以及其它必需桩号的横断面图上进行。

4、平面布置针对于个别复杂的挡土墙，如高、长的沿河挡土墙和曲线挡土墙

第二节节土土压压力计计算一、土土压力力类型型根据挡挡土墙墙的位位移和和墙后后土体体所处处的应应力状状态分分静止土土压力力、主动土土压力力和被动土土压力力三种类类型。。a)静止土土压力力;b)主动土土压力力;c)被动土土压力力1．静止止土压压力如果挡挡土墙墙的刚刚度很很大，，在土土压力力作用用下，，墙体体不发发生变变形和和任何何位移移，墙墙背后后土体体处于于弹性性平衡衡状态态，，此时时墙背背所受受的土土压力力称为为静止止土压压力，，以以表表示2．主动动土压压力如果挡挡土墙墙在土土压力力作用用下产产生位位移，，墙对对土体体的侧侧向应应力逐逐渐减减小，，土体体出现现向下下滑动动的趋趋势。。土的的抗剪剪应力力抵抗抗着这这一滑滑动。。当墙墙的侧侧向应应力减减小到到某一一数值值，且且土的的抗剪剪强度度充分分发挥挥时，，土体体处于于极限限平衡衡状态态，与与此相相应的的土压压力称称为主主动土土压力力，以以符号号表表示示。3．被动动土压压力如果挡挡土墙墙在外外力作作用下下推挤挤土体体，墙墙对土土体的的侧向向应力力增大大，土土体出出现向向上滑滑动，，土的的抗剪剪力阻阻止着着这一一滑动动。当当墙对对土体体的侧侧向应应力增增大到到某一一数值值，使使土的的抗剪剪强度度充分分发挥挥时，，土体体处于于另一一种极极限平平衡状状态，，与此此相应应的土土压力力称为为被动动土压压力，，以符符号表表示。。二、库伦土压力力理论论（一））基本本原理理库伦土土压力力理论论从研研究墙墙后宏宏观土土体的的滑动动出发发，当墙后后破裂裂棱体体产生生滑动动时，土体处处于极极限平平衡状状态，根据破破裂棱棱体的的静力力平衡衡条件件，求得墙墙背主主动土土压力力和被被动土土压力力。假设：：（1）墙后土体体为均均质散散粒体体，粒间仅仅有内内摩擦擦力而而无粘粘聚力力；（2）当墙产生生一定定位移移，墙后土土体形形成破破裂棱棱体，并沿墙墙背和和破裂裂面滑滑动；（3）破裂面面为通通过墙墙踵的的一平平面；（4）当墙后后土体体开始始滑动动时，土体处处于极极限平平衡状状态，破裂棱棱体在在其自自重、墙背反反力和和破裂裂面反反力的的作用用下维维持静静力平平衡。（5）挡土墙墙及破破裂棱棱体均均视为为刚体体，在外力力作用用下不不发生生变形形。（二））主动动土压压力如下图图，AB为挡土土墙墙墙背，，BC为破裂裂面，，BC与竖值值方向向的夹夹角为为破裂裂角θ，即为为破裂裂棱柱柱体。。这个个棱体体上作作用着着三个个力，，即破破裂棱棱体自自重、、主动动土压压力的的反力力、破破裂面面上的的反力力。当填土土表面面为倾倾斜平平面时时，如如下图图所示示：所得的的主动动土压压力的的表达达式为为：＝（三））库伦伦土压压力理理论的的适用用范围围（1）库伦伦理论论概念念清晰晰、计计算简简单、、适应应范围围较广广（2）库伦伦理论论较适适用于于砂性性土，，用于于粘性性土时时，应应考虑虑粘聚聚力的的影响响。（3）库伦伦理论论不仅仅适用用于墙墙背平平面为为平面面或近近似平平面的的挡土土墙，，也可可用于于形墙墙背。。（4）土体体中出出现第第二破破裂面面，应应按第第二破破裂面面法计计算。。（5）库伦伦理论论用于于仰斜斜墙背背时，，墙背背坡度度不宜宜太缓缓。（6）库伦伦理论论仅适适用于于刚性性挡土土墙。。（7）库伦伦理论论适用用于地地面或或墙后后填土土表面面倾角角的的情情况。。三、不不同情情况下下的土土压力力计算算（一））第二二破裂裂面的的土压压力在挡土土墙设设计中中，当当墙背背俯斜斜很缓缓时，，即墙墙背倾倾角很很大的的情况况，如如折线线形挡挡土墙墙的上上墙墙墙背或或衡重重式挡挡土墙墙的假假想墙墙背（（下图图），，当墙墙后土土体达达到主主动极极限平平衡状状态时时，破破裂棱棱体并并不沿沿墙背背或假假想墙墙背滑滑动，，而是是沿土土体的的另一一滑动动面滑滑动，，则称称为第第二破破裂面面。第二破破裂面面出现现的条条件是是：（1）墙背背倾角角必须须大于于第二二破裂裂面的的倾角角；（2）作用用于墙墙背或或假想想墙背背上的的合力力对墙墙背法法线的的倾角角δ′应小于于或等等于墙墙背摩摩擦角角δ。对于一一般常常用的的俯斜斜墙背背，上上述条条件不不能满满足，，故不不会出出现第第二破破裂面面。衡衡重式式墙的的上墙墙或悬悬臂式式墙只只要满满足第第一个个条件件，即即出现现第二二破裂裂面。。设计计时应应首先先辨别别是否否出现现第二二破裂裂面，，然后后再用用相应应的公公式计计算土土压力力。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、挡土墙墙设计原则则挡土墙设计计按“分项项安全系数数极限状态态”法进行行。挡土墙墙设计分承载力极限限状态和正常使用极极限状态。当挡土墙出出现以下任任何一种状状态，即认认为超过了了承载力极极限状态：：①整个挡挡土墙或挡挡土墙的一一部分作为为刚体失去去平衡；②②挡土墙的的构件或连连接部件因因材料强度度超过而破破坏，或过过度塑性变变形；③挡挡土墙结构构变为机动动体系或局局部失去平平衡。挡土墙出现现下列状态态之一时，，即认为超超过了正常常使用极限限状态：①①影响正常常使用或外外观变形；；②影响正正常使用或或耐久性的的局部破坏坏（包括裂裂缝）；③③影响正常常使用的其其他特定状状态。三、稳定性性验算（一）滑动动稳定性验验算挡土墙的滑滑动稳定性性：在土压压力和其他他外荷载作作用下，基基底摩阻力力抵抗挡土土墙滑移的的能力。如如图：滑动稳定方方程抗滑动稳定定系数（二）抗倾倾覆稳定性性验算为保证抗倾倾覆稳定性性，须验算抵抗墙墙身绕墙趾趾向外转动动倾覆的能能力，如图图：倾覆稳定方方程抗倾覆稳定系数数四、基底应力及及合力偏心距验验算1、基底合力的偏偏心矩：避免挡挡土墙不均匀沉沉陷＝2、基础地面的压压应力：保证挡挡土墙的基底应应力不超过地基基承载力五、墙身截面强强度验算1、强度计算：2、稳定计算：第四节加筋筋土结构一、加筋土的机机理1、摩擦加筋理论论在加筋土结构中中，由填土自重重和外力产生的的土压力作用于于墙面板，通过过墙面板上的拉拉筋连接件将此此土压力传递给给拉筋，企图将将拉筋从土中拉拉出。而拉筋材材料又被土压住住，于是填土与与拉筋之间的摩摩擦力阻止拉筋筋被拔出，如图图。因此，只要要拉筋材料具有有足够的强度，，并与土产生足足够的摩阻力，，则加筋的土体体就可保持稳定定。2、准粘聚力理论论采用的拉筋，其其弹性模量远大大于填土。拉筋筋与填土的共同同作用，包括填填土的抗剪力、、填土与拉筋的的摩擦阻力及拉拉筋的抗拔力，，使得加筋土的的强度明显提高高，这可以从三三轴试验中得到到验证。在没有拉筋的土土体中，在竖向向应力作用下，，土体产生竖向向压缩和侧向膨膨胀变形。随着着竖向应力的加加大，压缩变形形和膨胀变形也也随之加大，直直到破坏。应应力状态如图：：如下图a所示。莫尔圆I为土体未破坏时时的弹性应力状状态；圆II则是未加拉筋的的土体极限应力力状态；圆III是加筋土体的应应力状态，在相相同的轴向变形形条件下，加筋筋土能承受较大大的主应力差。。这还可以通过过常规三轴试验验中的应力变化化情况来表示，，如图b所示，圆IV为无筋土极限状状态时的莫尔圆圆；圆VI为加筋土的莫尔尔圆，圆VI的与圆IV的相等，而能承承受的压力则增增加了；圆V为加筋土中填土土的极限莫尔圆圆，其最大主应应力与圆VI的相等，而最小小主应力却减小小了。上述分析析说明，加筋土土体的强度有了了增加，应有一一条新的抗剪强强度线来反映这这种关系，如图图c所示。这已被试验所证证实，如下图所所示，图中加筋筋砂与未加筋砂砂的强度曲线几几乎完全平行，，说明值在加筋筋前后基本不变变，加筋砂的力力学性能的改善善是由于新的复复合土体（即加加筋砂）具有““粘聚力”的缘缘故，“粘聚力力”不是砂土固固有的，而是加加筋的结果，所所以称为“准粘粘聚力”。二、破坏模式及及验算项目1、内部失稳形式式由于拉筋与填土土之间结合力不不足造成的加筋筋体断裂由于拉筋开裂造造成的断裂2、外部失稳形式式加筋土挡土墙与与地基间的摩阻阻力不足或墙后土体的侧侧向推力过大所所引起的滑移加筋土挡土墙被被墙后土体侧向向推力所倾覆由于地基承载力力不足或不均匀匀沉降而引起的的倾斜加筋土挡土墙及及墙后土体出现现整体滑动三、拉筋拉力计计算1、加筋体自重产产生的拉力对第i层拉筋所产生的的应力水平应力：竖向应力：2、加筋体上路堤填填土产生的拉力力：3、附加荷载产生生的拉力：4、拉筋拉力四、拉筋长度计计算第五节其他他轻型挡土墙结结构一、悬臂式和扶扶壁式挡土墙（一）悬臂式和和扶壁式挡土墙墙的构造及适用用条件悬臂式和扶壁式式挡土墙的结构构稳定性是依靠靠墙身自重和墙墙踵板上方填土土的重力来保证证，而且墙趾板板也显著地增大大了抗倾覆稳定定性，并大大减减小了基底应力力。它们的主要要特点是构造简简单、施工方便便，墙身断面较较小，自身质量量轻，可以较好好地发挥材料的的强度性能，能能适应承载能力力较低的地基。。但是需消耗一一定数量的钢材材和水泥一般情况下，墙墙高6m以内采用悬臂式式，6m以上采用扶壁式式。（二）土压力计计算（1）库伦土压力法法:一般可采用库伦伦土压力理论计计算，特别是填填土表面为为折折线或有局部荷荷载作用时（2）朗金土压力法法:填土表面为一平平面或其上有均均匀荷载作用时时采用，如下图图所示按朗金土土压力理论计算算的土压力作用用于通过墙踵的的竖直面AC上，在立壁和墙墙踵板设计时，，应将分成成两部分。（三）墙身构造造设计（1）悬臂式挡土墙墙构造设计悬臂式挡土墙分分段长度不应大大于15m，段间设置沉降降缝和伸缩缝,墙踵板顶面水平平,墙踵板宽度由全全墙抗滑稳定性性确定，并具有有一定的刚度（2）扶壁式挡土墙墙扶壁式挡土墙分分段长度不应大大于20m。扶肋间距一般般为1/4~1/2墙高。墙面板宽宽度和墙底板厚厚度与扶壁间距距成正比，扶壁壁式挡土墙有关关构造要求如图图：（四）墙身截面面尺寸的拟定悬臂式挡土墙的的整体稳定性通通常取决于墙底底板的宽度，增增大墙底板的宽宽度，可以提高高挡土墙的抗滑滑稳定性和抗倾倾覆稳定性，减减少基底应力。。墙底板的宽度度B可分为三部分：：墙趾板宽度、、立壁宽度和墙墙踵板宽度，如如下图所示。（五）立壁和墙墙底板厚度1、内力计算2、截面厚度计算算（六）墙身稳定定性及基底应力力验算验算内容包括抗抗滑稳性、抗倾倾覆稳定性、基基底应力及合力力偏心矩、墙身身截面强度等二、锚杆挡土墙墙（一）锚杆挡土土墙的构造与布布置锚杆挡土墙是由由钢筋混凝土墙墙面和钢锚杆组组成，靠锚固在在稳定地层内的的锚杆对墙面的的水平拉力以保保持墙身的稳定定。锚杆挡土