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1、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
2、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1:0.251:0.4，衡重式或凸折式挡
3、土墙下墙墙背坡度多采用1:0.251:0.30仰斜，上墙墙背坡度受墙身强度控制，根据上墙高度，采用1:0.251:0.45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：设置地面排水沟，截引地表水；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；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
4、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
5、墙,第二节 土压力计算,一、土压力类型根据挡土墙的位移和墙后土体所处的应力状态分静止土压力、主动土压力和被动土压力三种类型。a)静止土压力;b)主动土压力;c)被动土压力,1静止土压力如果挡土墙的刚度很大，在土压力作用下，墙体不发生变形和任何位移，墙背后土体处于弹性平衡状态，此时墙背所受的土压力称为静止土压力，以 表示 2主动土压力如果挡土墙在土压力作用下产生位移，墙对土体的侧向应力逐渐减小，土体出现向下滑动的趋势。土的抗剪应力抵抗着这一滑动。当墙的侧向应力减小到某一数值，且土的抗剪强度充分发挥时，土体处于极限平衡状态，与此相应的土压力称为主动土压力，以符号 表示。3被动土压力如果挡土墙在外力
6、作用下推挤土体，墙对土体的侧向应力增大，土体出现向上滑动，土的抗剪力阻止着这一滑动。当墙对土体的侧向应力增大到某一数值，使土的抗剪强度充分发挥时，土体处于另一种极限平衡状态，与此相应的土压力称为被动土压力，以符号 表示。,二、库伦土压力理论（一）基本原理库伦土压力理论从研究墙后宏观土体的滑动出发，当墙后破裂棱体产生滑动时，土体处于极限平衡状态，根据破裂棱体的静力平衡条件，求得墙背主动土压力和被动土压力。假设：（1）墙后土体为均质散粒体，粒间仅有内摩擦力而无粘聚力；（2）当墙产生一定位移，墙后土体形成破裂棱体，并沿墙背和破裂面滑动；（3）破裂面为通过墙踵的一平面；（4）当墙后土体开始滑动时，土体
7、处于极限平衡状态，破裂棱体在其自重、墙背反力和破裂面反力的作用下维持静力平衡。（5）挡土墙及破裂棱体均视为刚体，在外力作用下不发生变形。,（二）主动土压力如下图，AB为挡土墙墙背，BC为破裂面，BC与竖值方向的夹角为破裂角，即为破裂棱柱体。这个棱体上作用着三个力，即破裂棱体自重、主动土压力的反力、破裂面上的反力。,当填土表面为倾斜平面时，如下图所示：所得的主动土压力的表达式为：,（三）库伦土压力理论的适用范围（1）库伦理论概念清晰、计算简单、适应范围较广（2）库伦理论较适用于砂性土，用于粘性土时，应考虑粘聚力的影响。（3）库伦理论不仅适用于墙背平面为平面或近似平面的挡土墙，也可用于形墙背。（4
8、）土体中出现第二破裂面，应按第二破裂面法计算。（5）库伦理论用于仰斜墙背时，墙背坡度不宜太缓。（6）库伦理论仅适用于刚性挡土墙。（7）库伦理论适用于地面或墙后填土表面倾角 的情况。,三、不同情况下的土压力计算（一）第二破裂面的土压力在挡土墙设计中，当墙背俯斜很缓时，即墙背倾角很大的情况，如折线形挡土墙的上墙墙背或衡重式挡土墙的假想墙背（下图），当墙后土体达到主动极限平衡状态时，破裂棱体并不沿墙背或假想墙背滑动，而是沿土体的另一滑动面滑动，则称为第二破裂面。,第二破裂面出现的条件是：（1）墙背倾角必须大于第二破裂面的倾角；（2）作用于墙背或假想墙背上的合力对墙背法线的倾角应小于或等于墙背摩擦角。
9、对于一般常用的俯斜墙背，上述条件不能满足，故不会出现第二破裂面。衡重式墙的上墙或悬臂式墙只要满足第一个条件，即出现第二破裂面。设计时应首先辨别是否出现第二破裂面，然后再用相应的公式计算土压力。计算是按上下墙分别计算,（二）折线形墙背的土压力计算（三）粘性土土压力计算采用换算内摩擦角法来计算粘性土的主动土压力（四）有限范围填土的土压力计算墙后填土不是沿着计算的破裂面滑动，而是沿着已知滑动面滑动用有限范围填土土压力计算问题，计算图示如下：,（五）车辆荷载作用下的土压力车辆荷载近似地按均布荷载考虑，并将其换算成容重与墙后填料相同的均布土层（1）按墙高确定的附加荷载强度进行换算挡土墙设计中，换算均布土
10、层厚度（m）可直接由挡土墙高度确定的附加荷载强度计算，如下图所示，即：,（2）根据破裂棱体范围内布置的车辆荷载换算根据墙后破裂棱体上的车辆荷载换算为容重与墙后填土相同的均布土层，如下图所示，其厚度为：,第三节 挡土墙的稳定性验算,一、作用在挡土墙上的力系,力系,永久荷载,可变荷载,偶然荷载,长期作用在挡土墙,挡土墙结构重力，填土重力，填土侧压力，墙顶上的有效永久荷载，预加力，墙顶与第二破裂面之间的有效荷载，浮力及静水压力，混凝土收缩及徐变 如下图,车辆荷载引起的土侧压力，人群荷载，动水压力，温度变化的影响力等,暂时性的或属于灾害性的，地震，滑坡、泥石流作用力等,永久荷载如图所示：挡土墙设计时，
11、应根据可能同时出现的作用荷载，选择荷载组合，常用的荷载组合如表：,二、挡土墙设计原则挡土墙设计按“分项安全系数极限状态”法进行。挡土墙设计分承载力极限状态和正常使用极限状态。当挡土墙出现以下任何一种状态，即认为超过了承载力极限状态：整个挡土墙或挡土墙的一部分作为刚体失去平衡；挡土墙的构件或连接部件因材料强度超过而破坏，或过度塑性变形；挡土墙结构变为机动体系或局部失去平衡。挡土墙出现下列状态之一时，即认为超过了正常使用极限状态：影响正常使用或外观变形；影响正常使用或耐久性的局部破坏（包括裂缝）；影响正常使用的其他特定状态。,三、稳定性验算（一）滑动稳定性验算挡土墙的滑动稳定性：在土压力和其他外荷
12、载作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力。如图：滑动稳定方程 抗滑动稳定系数,（二）抗倾覆稳定性验算为保证抗倾覆稳定性，须验算抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，如图：倾覆稳定方程 抗倾覆稳定系数,四、基底应力及合力偏心距验算1、基底合力的偏心矩：避免挡土墙不均匀沉陷 2、基础地面的压应力：保证挡土墙的基底应力不超过地基承载力 五、墙身截面强度验算1、强度计算：2、稳定计算：,第四节 加筋土结构,一、加筋土的机理1、摩擦加筋理论在加筋土结构中，由填土自重和外力产生的土压力作用于墙面板，通过墙面板上的拉筋连接件将此土压力传递给拉筋，企图将拉筋从土中拉出。而拉筋材料又被土压住，于是填土与拉筋之间的摩
13、擦力阻止拉筋被拔出，如图。因此，只要拉筋材料具有足够的强度，并与土产生足够的摩阻力，则加筋的土体就可保持稳定。,2、准粘聚力理论采用的拉筋，其弹性模量远大于填土。拉筋与填土的共同作用，包括填土的抗剪力、填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拔力，使得加筋土的强度明显提高，这可以从三轴试验中得到验证。在没有拉筋的土体中，在竖向应力作用下，土体产生竖向压缩和侧向膨胀变形。随着竖向应力的加大，压缩变形和膨胀变形也随之加大，直到破坏。应力状态如图：,如下图a所示。莫尔圆I为土体未破坏时的弹性应力状态；圆II则是未加拉筋的土体极限应力状态；圆III是加筋土体的应力状态，在相同的轴向变形条件下，加筋土能承受较大的
14、主应力差。这还可以通过常规三轴试验中的应力变化情况来表示，如图b所示，圆IV为无筋土极限状态时的莫尔圆；圆VI为加筋土的莫尔圆，圆VI的与圆IV的相等，而能承受的压力则增加了；圆V为加筋土中填土的极限莫尔圆，其最大主应力与圆VI的相等，而最小主应力却减小了。上述分析说明，加筋土体的强度有了增加，应有一条新的抗剪强度线来反映这种关系，如图c所示。,这已被试验所证实，如下图所示，图中加筋砂与未加筋砂的强度曲线几乎完全平行，说明值在加筋前后基本不变，加筋砂的力学性能的改善是由于新的复合土体（即加筋砂）具有“粘聚力”的缘故，“粘聚力”不是砂土固有的，而是加筋的结果，所以称为“准粘聚力”。,二、破坏模式
15、及验算项目,1、内部失稳形式,由于拉筋与填土之间结合力不足造成的加筋体断裂,由于拉筋开裂造成的断裂,2、外部失稳形式,加筋土挡土墙与地基间的摩阻力不足或墙后土体的侧向推力过大所引起的滑移,加筋土挡土墙被墙后土体侧向推力所倾覆,由于地基承载力不足或不均匀沉降而引起的倾斜,加筋土挡土墙及墙后土体出现整体滑动,三、拉筋拉力计算1、加筋体自重产生的拉力对第i层拉筋所产生的应力 水平应力：竖向应力：2、加筋体上路堤填土产生的拉力：3、附加荷载产生的拉力：4、拉筋拉力 四、拉筋长度计算,第五节 其他轻型挡土墙结构,一、悬臂式和扶壁式挡土墙（一）悬臂式和扶壁式挡土墙的构造及适用条件 悬臂式和扶壁式挡土墙的结
16、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，而且墙趾板也显著地增大了抗倾覆稳定性，并大大减小了基底应力。它们的主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载能力较低的地基。但是需消耗一定数量的钢材和水泥一般情况下，墙高6m以内采用悬臂式，6m以上采用扶壁式。（二）土压力计算（1）库伦土压力法:一般可采用库伦土压力理论计算，特别是填土表面为为折线或有局部荷载作用时,（2）朗金土压力法:填土表面为一平面或其上有均匀荷载作用时采用，如下图所示按朗金土压力理论计算的土压力作用于通过墙踵的竖直面AC上，在立壁和墙踵板设计时，应将 分成两部分。,（
17、三）墙身构造设计（1）悬臂式挡土墙构造设计悬臂式挡土墙分段长度不应大于15m，段间设置沉降缝和伸缩缝,墙踵板顶面水平,墙踵板宽度由全墙抗滑稳定性确定，并具有一定的刚度（2）扶壁式挡土墙扶壁式挡土墙分段长度不应大于20m。扶肋间距一般为1/41/2墙高。墙面板宽度和墙底板厚度与扶壁间距成正比，扶壁式挡土墙有关构造要求如图：,（四）墙身截面尺寸的拟定悬臂式挡土墙的整体稳定性通常取决于墙底板的宽度，增大墙底板的宽度，可以提高挡土墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性，减少基底应力。墙底板的宽度B可分为三部分：墙趾板宽度、立壁宽度和墙踵板宽度，如下图所示。,（五）立壁和墙底板厚度 1、内力计算 2、截面厚度计算
18、（六）墙身稳定性及基底应力验算验算内容包括抗滑稳性、抗倾覆稳定性、基底应力及合力偏心矩、墙身截面强度等,二、锚杆挡土墙（一）锚杆挡土墙的构造与布置锚杆挡土墙是由钢筋混凝土墙面和钢锚杆组成，靠锚固在稳定地层内的锚杆对墙面的水平拉力以保持墙身的稳定。锚杆挡土墙可根据地形设计为单级或多级（二）锚杆挡土墙设计 1、土压力计算 2、挡土板设计 3、肋柱设计 4、锚杆设计(1)锚杆截面设计:作用于肋柱上的侧压力由锚杆承受，如上图:(2)锚杆长度设计:锚杆由非锚固端和有效锚固段组成。非锚固段不提供抗拔力，其长度应根据肋柱与主动破裂面或滑动面的实际距离确定，如图所示。,三、锚定板挡土墙（一）锚定板挡土墙的构造
19、锚定板挡土墙是由钢筋混凝土墙面、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，它借助于埋在填土内的锚定板的抗拔力，平衡挡土墙墙背水平土压力，从而改变挡土墙的受力状态，达到轻型的目的。锚定板挡土墙的墙面是由挡土板和肋柱组成（二）锚定板挡土墙设计锚定板挡土墙的设计包括组成构件的设计和整体稳定性验算两部分。,1、锚定板设计 确定锚定板尺寸，首先要确定锚定板的容许抗拔力，即对于一定大小的拉杆拉力要用多大面积的锚定板去支撑。单块锚定板的抗拔力与锚定板的埋设位置（它取决于拉杆长度和埋置深度）、板的尺寸和填料的屋里力学性质有关。2、锚定板挡土墙的整体稳定性锚定板挡土墙的整体稳定性主要由抗滑稳定性控制。两种设想，即土墙假定和折线滑面假定。（1）整体土墙法当锚定板的布设达到足够的密度时，墙面与各锚定板以及其中的填料形成一个整体墙，用这个整体柔性结构来共同支承侧压力，保证路基的稳定，这就形成了群锚作用。如图：,（2）双拉杆设计理论折线滑面假定这种锚定板结构上部拉杆的长度小于下拉杆，如图。在此情况下，锚定板和的稳定分析应分别考虑 和 所受的外力及其稳定。为介于上下拉杆与肋柱相交处的中点。,
