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[6] 挡土墙设计.ppt

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第六章挡土墙设计 第一节概述第二节挡土墙的构造与布置第三节挡土墙土压力计算第四节挡土墙设计总则第五节重力式挡土墙设计第六节浸水路堤挡土墙设计第七节地震地区挡土墙设计第八节轻型挡土墙第九节加筋挡土墙 第一节概述 1 挡土墙的含义 用来支挡天然边坡或人工填土边坡以保持土体稳定的建筑物 为防止土体滑塌而修筑的 主要承受侧向土压力的墙式建筑物 2 挡土墙的作用 1 防止路基边坡或基底滑动 2 收缩坡脚 减少占地面积 保护重要建筑物 3 防止水流冲刷和浸蚀 防止压缩河床等作用 4 支挡滑坍 缩短涵洞长度 保护桥台及连接路堤等作用 一 挡土墙 RetainingWall 的用途 应用 支撑路堤 路堑 隧道洞口 桥梁两端及河岸等 3 挡土墙的使用场合 1 路堑挡墙 用于陡峭山坡的路堑底部 降低边坡高度 减少开挖 防止地质不良地段的滑坡 2 路堤挡墙 收缩坡脚 减少填方量 防止边坡或基底 对于陡坡路堤 滑动 保证沿河路堤不受水流冲刷 3 路肩挡墙 用于支挡陡坡路堤下滑 抬高公路路基高程 收缩坡脚 减少占地 减少填方量 4 山坡挡墙 用于支挡山坡覆盖层或滑坡下滑 用作支承桥梁上部建筑及保证桥头填土稳定 5 桥头挡墙 二 挡土墙的类型 按挡土墙位置分 路堑挡墙 路堤挡墙 路肩挡墙和山坡挡墙等 按挡土墙的墙体材料分 石砌挡墙 混凝土挡墙 钢筋混凝土挡墙 砖砌挡墙 木质挡墙和钢板墙等 按挡土墙的结构形式分 重力式 半重力式 衡重式 悬臂式 扶壁式 锚杆式 拱式 锚定板式 板桩式和垛式等 重力式挡土墙 Gravityretainingwall 1 依靠墙身自重承受土侧压力2 一般用浆砌片石砌筑 在缺乏石料地区或墙身较高时也用混凝土灌注3 形式简单 取材容易 施工简便 但对地基的承载能力要求较高 衡重式挡土墙 Balanceweightretainingwall 1 利用衡重台上的填土重量及墙体自重共同抵抗土压力以增加墙身的稳定性2 上墙背俯斜而下墙背仰斜 可降低墙高 减少基础开挖3 主要用于地面横坡较陡的路肩墙和路堤墙 也可用于拦挡落石的路堑墙 悬臂式挡土墙 Cantileverretainingwall 1 采用钢筋混凝土材料 由立臂 墙趾板 墙踵板三部分组成 墙的断面尺寸较小2 墙高时立臂下部的弯矩较大 需设置较多钢筋3 宜在石料缺乏 地基承载力较低的填方地段位用4 墙高不宜大于7m 扶壁式挡土墙 Counterfortretainingwall 1 当悬臂式挡墙的立臂较高时 沿墙长方向每隔一定距离加一道扶壁把墙面板和墙踵板连接起来 以减小立臂下部的弯矩2 扶壁式挡墙宜在石料缺乏 地基承载力较低的地段使用 墙高不宜大于10m 垮塌的重力式挡墙 锚定板挡土墙 Anchoredbulkheadretainingwall 锚定板挡土墙是由钢筋混凝土墙面板和锚杆及锚定板共同组成 靠固定在稳定区的锚定板提供的抗拔力来维持墙体的稳定 锚杆挡土墙 AnchorRodRetainingWall 锚杆插入稳定地层的钻孔中 抗拔力来源于灌浆锚杆与孔壁之间的粘结强度 加筋土挡土墙 Reinforcedearthretainingwall 1 由墙板 拉筋和填料共同组成的挡土结构 由拉筋和填土间的摩阻力来抵抗侧向土压力 2 加筋土挡土墙适用于石料缺乏地区 由于其为柔性结构 对地基承载力的要求不高 能适应地基轻微的变形 一般对墙高没有限制 失稳的立交桥加筋土挡土墙 悬臂式 扶壁式锚拉式 锚碇式 1 刚性挡土墙本身变形极小 只能发生整体位移 重力式 2 柔性挡土墙 本身会发生变形 墙上土压力分布形式复杂锚杆板桩板桩上土压力实测计算板桩变形 第二节挡土墙的构造与布置 一 挡土墙的构造 挡土墙的组成示意图 一 墙身 1 墙背 石砌挡土墙断面形式图a 仰斜 b 垂直 c 俯斜 d 凸形折线式 e 衡重式 2 墙面考虑墙趾处地面的横坡度 3 墙顶石砌挡土墙墙顶的最小宽度 浆砌的不小于50cm 干砌的不小于60cm 为保证交通安全 在地形险峻地段 或过高过长的路肩墙的墙顶应设置护栏 4 护栏 墙顶 墙面 墙背倾角 护栏 二 基础1 基础形式的选择 挡土墙通常采用浅基础 只有在特殊情况下 才使用桩基 绝大多数挡土墙的基础直接设置在天然地基上 当地基软弱 墙身较高时 为减少基底压应力 增加稳定性 墙趾可做成台阶 以拓宽基底 地基为较弱土层时 可用砂砾 碎石 矿渣或石灰土等质量较好的材料换填 以提高地基承载力 a 扩大基础 b 钢筋混凝土底板 c 台阶形基础 d 拱形基础 纵断面 高速公路松木桩挡土墙软基处理 2 基础埋置深度的确定 考虑冲刷线及冻结深度 三 排水设施 1 排水设施的作用2 排水设施包括地面排水和墙身排水两部分 泄水孔 四 沉降缝与伸缩缝 为防止因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂 应根据地基地质条件及墙高墙身断面的变化情况 设置沉降缝 为了减少圬工砌体因硬化收缩和温度变化作用而产生的裂缝 须设置伸缩缝 二 挡土墙的布置 一 挡土墙的横向布置 主要是在路基横断面图上进行挡土墙位置的选定 确定出是路堑墙 路肩墙 路堤墙或浸水挡墙 并确定断面形式及初步尺寸 沉降缝与伸缩缝 确定挡土墙的起讫点和墙长 选择挡土墙与路基或其他结构物的衔接方式 按地基及地形情况进行分段 确定伸缩缝与沉降缝的位置 布置各段挡土墙的基础 布置泄水孔的位置 包括数量 间隔和尺寸等 二 挡土墙的纵向布置 三 平面布置 对于个别复杂的挡土墙 例如高的 长的沿河挡墙和曲面挡墙 绕避建筑物挡墙 除了横 纵向布置外 还应作平面布置 并绘制平面布置图 第三节挡土墙土压力计算 一 作用在挡土墙上的力系 主要力系 挡土墙自重及位于墙上的衡载 墙后土体的主动土压力 包括超载 基底的支撑力与摩阻力 墙前土体的被动土压力 浸水墙的常水位静水压力及浮力 附加力 季节性或规律性作用于墙的各种力 如波浪冲击 洪水 特殊力 偶然出现的力 如地震力 水面物撞击力等 作用在挡土墙上的力系 在一般地区 挡土墙设计仅考虑主要力系 在浸水地区还应考虑附加力 而在地震区应考虑地震对挡土墙的影响 各种力的取舍 应根据挡土墙所处的具体工作条件 按最不利的组合作为设计的依据 二 一般条件下库仑 Coulomb 主动土压力计算 主动土压力 Activeearthstress 被动土压力 Passiveearthstress 静止土压力 Staticearthstress 三种不同性质的土压力 3 被动土压力 Passiveearthpressure 1 静止土压力 Earthpressureatrest 2 主动土压力 Activeearthpressure 岩石 拱桥桥台 工程实例 静止土压力 墙后为主动土压力 工程实例 工程实例 桥台后为被动土压力 路基挡土墙的土压力考虑 路基挡土墙一般都有可能有向外的位移或倾覆 因此 在设计中按墙背土体达到主动极限平衡状态考虑 且取一定的安全系数以保证墙背土体的稳定 墙趾前土体的被动土压力一般不计 库伦理论的基本假定 1 假设墙背填料为均质的散粒体 粒间仅有摩阻力而无粘结力存在 挡土墙和土楔是无压缩或拉伸变形的刚体 3 当墙后土体开始破裂时 土体处于极限平衡状态 破裂棱体在其自重G 墙背反力E和破裂面上反力R的作用下维持静力平衡 4 通过墙踵假拟若干个破裂面 而其中使主动土压力值达到最大的那个破裂面 即为最大危险的破裂面 2 当墙身向外移动或绕墙趾外倾时 墙背填料内会出现一通过墙踵的破裂面 将具有和对数螺旋线相似的实际破裂面以一平面代替 5 假定土压应力沿墙高呈直线分布 土压力作用在墙高的下三分点处 土楔上无荷载作用时 与墙背的法线夹角为 1 破裂面交于内边坡 由正弦定理 将破裂棱体自重G转换为挡土墙高H的函数 得 式中 墙后填土的重度 kN m3 填土的内摩擦角 墙背与填土间的摩擦角 墙后填土表面的倾斜角 墙背倾斜角 俯斜墙背 为正 仰斜墙背 为负 H 挡土墙高度 m 最大主动土压力 最危险破裂面的确定 当参数 固定时 Ea随破裂面的位置而变化 即Ea是破裂角 的函数 取dEa d 0 得到最大土压力公式和最危险破裂角如下 P cos sin cos sin cos cos Q cos cos cos cos R cos sin cos sin cos cos 土压力通式 Ea A0tg B0 cos sin 2 破裂角交于路基面 a 交于荷载内侧 b 交于荷载中部 c 交于荷载外侧 1 破裂面交于荷载中部 2 破裂面交于荷载外侧 3 破裂面交于荷载内侧 3 破裂面交于外边坡 以上公式可应用于其它类型的挡土墙 1 当为路肩墙时 式中a b 0 2 对于俯斜墙背 取正值 垂直墙背 为零 仰斜墙背 取负值 3 当荷载沿路肩边缘布置时 取d 0 挡土墙压力Ea计算方法 首先是确定产生最大土压力的破裂面 求出破裂角 但是 是事先不知道的 需进行试算 通常先假定破裂面位置通过荷载中心 按照图式和对应的计算公式算出的 角与假定情况进行对比 若与假定不符 根据试算出来的 角重新假定破裂面 重复以上运算 直到相符为止 最后根据此破裂角计算最大土压力 三 大俯角墙背的主动土压力 第二破裂面法 出现第二破裂面的条件 1 墙背或假想墙背倾角必须大于第二破裂面倾角 2 在墙背或假想墙背上的抗滑力必须大于其下滑力 一般挡墙不会产生第二破裂面 衡重式和悬臂式 因系假想墙面 只要满足第一个条件 就会产生第二破裂面 四 折线形墙背的土压力计算 一 上墙土压力 不考虑下墙影响 按照俯斜墙背计算土压力 衡重式考虑是否出现第二破裂面 以墙背转折点或衡重台为界分为上墙 下墙 分别计算取两者矢量和 二 下墙土压力计算 1 延长墙背法 在上墙土压力算出后 延长下墙墙背交于填土表面C 以B C为假想墙背 根据延长墙背的边界条件 用相应的库伦公式计算土压力 并绘出墙背应力分布图 从中截取下墙BB 部分的应力图作为下墙的土压力 将上下墙两部分应力图叠加 即为全墙土压力 2 力多边形法 在墙背土体处于极限平衡条件下 作用于破裂棱体上的诸力 应构成矢量闭合的力多边形 在算得上墙土压力E1后 就可绘出下墙任一破裂面力多边形 利用力多边形来推求下墙土压力 五 粘性土土压力计算 一 等效内摩擦角法 按换算前后土的抗剪强度相等的原则或土压力相等的原则来计算 D值 通常把粘性土的内摩擦角值增大5 10 或采用等效内摩擦角 D为30 35 对于矮墙偏于安全 对于高墙则偏于危险 因此在设计高墙时 应按墙高酌情降低 D值 二 力多边形法 1 首先求得当c 0时的土压力E Ea E Ec 2 再求得由于粘聚力的作用而减少的土压力Ec 3 用求驻点的办法求最大土压力和最危险破裂面 六 不同土层的土压力 填土为两层以上不同性质的土体 首先求得上一土层的土压力及作用点 并近似的假定上下两土层层面平行 计算下一土层时 将上一土层视为均布荷载 按地面为一平面时的库仑公式计算 七 有限范围填土时的土压力 挡土墙修在陡坡的半路堤上 或者山坡土体有倾向路基的层面 则墙后存在着已知坡面或潜在滑动面 当其倾角陡于由计算求得的破裂面的倾角时 墙后填料将沿着陡破面 或滑动面 下滑 而不是沿着计算破裂面下滑 八 被动土压力 通常情况下挡土墙前的被动土压力可不计算 当基础埋置较深且地层稳定 不受水流冲刷和扰动破坏时 可计入 但是应对被动土压力的计算值进行大幅度的折减 九 墙背填土上的附加荷载 1 车辆荷载换算 1 按墙高确定的附加荷载强度进行换算 式中 墙后填土的重度q 附加荷载强度 2 根据破裂棱体范围内布置的车辆荷载换算 2 计算参数 1 填料的计算内摩擦角和重度 2 墙背摩擦角 例 有一路肩挡土墙 墙高H 5m 墙身及路基断面尺寸如图所示 试计算该挡土墙所受主动土压力 墙后填土 17kN m3 35 2 3 1 求破裂角根据已知条件得 假设破裂面交于荷载外侧 计算结果与原假设不符合 重新假定破裂面交于荷载分布范围内 按公式计算 校核假定 故破裂面交于荷载分布范围内 与假设符合 有时也会出现两种边界条件都符合的情况 即出现双解区 此时应分别计算两种情况的土压力 然后按大者进行设计 一 挡土墙上的荷载组合 第四节挡土墙设计总则 原则 根据挡土墙所处的具体工作条件 最不利组合一般地区仅考虑主要力系浸水地区考虑附加力地震区考虑地震力 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 1 整个挡土墙或挡土墙的一部分作为刚体失去平衡 2 挡土墙构件或连接部件因材料强度超过而破坏 或因过度塑性变形而不适于继续承载 3 挡土墙结构变为机动体系或局部失去平衡 二 挡土墙的设计原则1 承载力极限状态 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 1 影响正常使用或外观变形 2 影响正常使用或耐久性的局部破坏 包括裂缝 3 影响正常使用的其它特定状态 2 正常使用极限状态 式中 0 结构重要性系数 按表6 10的规定采用 S 作用 或荷载 效应的组合设计值 R 挡土墙结构抗力函数 Rk 抗力材料的强度标准值 f 结构材料 岩土性能的分项系数 d 结构或结构构件几何参数的设计值 当无可靠数据时 可采用几何参数标准值 3 挡土墙构件承载能力极限状态设计采用的一般表达式 第五节重力式挡土墙设计 一 挡土墙稳定性验算1 抗滑稳定性验算 为保证挡土墙抗滑稳定性 应验算在土压力及其他外力作用下 基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力 用抗滑稳定系数Kc表示 若将竖直方向的力和水平方向的力Ex分别按倾斜基地的法线方向和切线方向分解 则倾斜基地法向力和切向力为 式中 基底倾角 即基底与水平面的夹角 挡土墙在设置倾斜基底后的抗滑稳定系数应为 除验算沿基底的抗滑稳定性外 尚应验算沿墙踵水平面 I I面 上的抗滑稳定性 以免挡土墙连同地基土体一起滑动 沿墙踵水平面的抗滑稳定系数为 式中 基底与通过墙踵的地基水平面 I I面 间的土楔重 KN 地基土的内摩擦系数 2 抗倾覆稳定性验算 检查墙身绕墙趾向外转动倾覆的抵抗能力 式中 ZG 墙身 基础及其上的土重合力重心到墙趾的水平距离 m Zy 土压力垂直分力作用点到墙趾的水平距离 m Zx 土压力水平分力作用点到墙趾的水平距离 m 二 基底应力及合力偏心距验算 为了保证挡土墙基底应力不超过地基承载力 应进行基底应力验算 同时 为了避免挡土墙不均匀沉陷 控制作用于挡土墙基底的合力偏心距 1 基础地面的压应力 1 轴心荷载作用时 式中 P 基底平均压应力 kPa A 基础底面每延米的面积 即基础宽度 B 1 0 m2 N1 每延米作用于基底的总竖向力设计值 kN 2 偏心荷载作用时 作用于基底的合力偏心距e为 式中 Zn 作用于基底的合力的法向分力N对O点的力臂 m 式中 pmax pmin 基底边缘最大 最小压应力设计值 kN B 基础宽度 m 当时 当时 基底的一侧将出现拉应力 考虑到一般情况下地基与基础间不能承受拉力 故不计拉力而按应力重分布计算基底最大压应力 式中 倾斜基底的宽度B 为 倾斜基底的合力偏心距e 为 基底的法向应力 e B 6 e B 6 2 基底合力偏心距 基底合力偏心距 3 地基承载力抗力值 地基应力的设计值应满足地基承载力的抗力值 应满足以下各式 当轴向荷载作用时p f式中 p N1 Af 地基承载力抗力值 kPa 当偏心荷载作用时p 1 2f 地基承载力抗力值的规定当挡土墙的基础宽度大于3m 或埋置深度大于0 5m时 除岩石地基外 地基承载应力抗力值按下式计算 式中 f 地基承载应力抗力值 fk 地基承载应力标准值 1 2 承载力修正系数 1 基底下持力层上土的天然容重 kN m3 如在水面以下且不透水者 应采用浮重 2 基础地面以下各土层的加权平均容重 水面以下用有效浮容重 kN m3 b 基础底面宽度小于3m时取3m 大于6m时取6m h 基础底面的埋置深度 m 从天然地面算起 有水流冲刷时 从一般冲刷线算起 当不满足式6 53的计算条件或计算出的结果f 1 1fk时 可按f 1 1fk直接确定地基承载应力抗力值 f值可以根据不同荷载组合予以提高 提高系数K按表6 16的值 当偏心距e小于或等于0 333倍基础底面宽度时 可根据土的抗剪强度指标确定地基承载应力抗力值 为了保证墙身具有足够的强度 应根据经验选择1 2个控制断面进行验算 如墙身底部 二分之一墙高处 上下墙 凸形及衡重式墙 交界处 三 墙身截面强度验算 验算断面的选择 墙身截面强度验算包括法向应力和剪应力验算 1 法向应力及偏心距e验算 验算I I截面的强度 获取I I截面以上的土压力 墙身自重和截面宽度 具体计算方法与普通挡土墙验算方法一致 考虑主要组合时 截面偏心距ei 0 3Bi 以保证墙型的合理性 考虑主要组合时 应使最大压应力和最大拉应力不超过圬工的容许应力 2 剪应力验算 重力式挡土墙只验算水平剪应力 对I I剪切面上的水平剪力等于I I截面以上墙身所受水平土压力 式中 圬工的容许剪应力 kPa 例 如图中所示 路肩式挡土墙墙身为M7 5浆砌片石圬工 墙与地基土之间的摩擦系数为f 0 4 地基为粘性土质 容许承载力 墙身圬工容重 墙后填土 墙背摩擦角 墙高H 5m 在例题1土压力作用下 试确定该墙尺寸 墙身截面 抗滑稳定验算 解 如右图所示 墙重G为 所以不能满足抗滑要求 需重新拟定挡土墙尺寸 取墙顶宽为2m 墙胸坡度为1 0 3 墙背坡度为1 0 25 墙高不变 如下图所示 1 抗滑稳定检算 所以满足要求 2 抗倾覆稳定检算 3 合力偏心矩检算 4 挡土墙墙身H 2截面强度检算 a 法向应力 b 剪应力 因此 所拟定的挡土墙尺寸满足稳定要求 四 增加挡土墙稳定性的措施 一 增加抗滑稳定性的方法 土质地基 不陡于1 5 岩石地基 不陡于1 3 凸榫的高度按照抗滑稳定性要求设计 高宽比满足圬工刚性角的要求 倾斜基底 凸榫基底 二 增加抗倾覆稳定性的方法 1 展宽墙趾 2 改变墙面及墙背坡度 3 改变墙身断面类型 五 衡重式挡土墙设计 衡重式挡墙属重力式挡墙 衡重台上填土使得墙身重心后移 增加了墙身的稳定性 墙胸很陡 下墙背仰斜 可以减小墙的高度和土方开挖 但基底面积较小 对地基要求较高 衡重式挡土墙设计与一般重力式挡土墙相同 但因为墙背为带有衡重台的折线形 所以土压力计算及墙身构造都有其特殊性 衡重式挡土墙稳定性验算的内容和要求同一般重力式挡土墙 当上墙出现第二破裂面时 第二破裂面与上墙墙背之间的填土与墙身一起移动 其重量应计入墙身自重 75 验算墙身截面强度时 应按上墙实际墙背所承受的土压力计算 验算内容同重力式 最危险的截面是上下墙分界面2 2 以及与上墙土压力大致平行的3 3斜截面 对于斜截面验算 应将诸力投影到斜截面上 验算的重点是抗剪强度能否满足要求 第六节浸水路堤挡土墙设计 考虑因素 1 填料浸水受浮力 土压力减小 2 砂性土中 不变 粘性土浸水C降低 3 墙背 墙面受静水压力 水位水平一致 两者相互平衡 4 墙外水位骤降 墙后暴雨下渗在填料内出现渗流 受动水压力 5 墙身受水浮力作用 稳定性降低 考虑因素 采用水中容重 不变 破裂面不变在此情况下 浸水挡土墙墙背土压力Eb可采用不浸水时的土压力Ea扣除计算水位以下因浮力影响而减少的土压力 Eb 土压力 Eb Ea Eb Eb 0 5 b Hb2Ka浸水容重 一 浸水挡土墙土压力计算1 填料为砂土时 土压力作用点的位置 将上下两层看作不同土层 先算上层E1 再把上层填料看作均布荷载计算下层 二者矢量和作为全墙土压力 在计算浸水部分的土压力E2时 现按水中重度 b将上部土层及超载换算为均布土层作为超载 上层超载为 hb h0 H1 b 2 填料是粘性土时 二 静水压力 动水压力与上浮力1 静水压力 墙胸受静水压力 墙背受静水压力 其水平分力及垂直分力为 静水压力的垂直分力计入上浮力 2 上浮力 对于常年浸水的挡土墙 上述静水压力及上浮力在计算时应视作主要荷载组合中的作用力 对于季节性浸水的挡土墙 则当作附加组合中的作用力 当墙后为弱透水性填料时 由于墙外水位急骤下降 在填料内部将产生渗流 由此而引起动水压力P3 动水压力 3的作用点为 面积的重心 其方向平行于Ij 透水性材料 动水压力一般很小 可略而不计 3 动水压力 具体验算方法同前述 只是验算时注意考虑浸水挡土墙的受力特点 设计浸水挡土墙 应求算最不利水位进行验算 求算最不利水位 优选法 三 浸水挡墙稳定性验算 第七节地震地区挡土墙设计 挡土墙修建在设计烈度为8度及8度以上的地震区 以及修筑在地震时可能发生大规模滑坡 崩塌的地段或软弱地基 如软弱粘性土层 上时 应验算挡土墙在地震力作用下的强度和稳定性验算 验算时要考虑破裂棱体和挡土墙身分别承受地震力的作用 将地震荷载与恒载组合 并考虑常年水位的浮力 不考虑季节性浸水的影响 其他外力 包括车辆荷载的作用均不考虑 Ps C1CzKHG式中 C1 重要性修正系数CZ 综合影响系数 表示实际建筑物的地震反应与理论计算间的差异 采用0 25 KH 水平地震系数 为地震时地面最大水平加速度的统计平均值与重力加速度的比值 G 破裂棱体与挡土墙的重量 一 地震荷载的计算 二 地震条件下土压力 1 采用低重心断面 2 采用坚强有力基础 3 采用浆砌结构 4 预留沉降缝 5 保证砌筑质量 6 选择良好填料 三 地震条件下挡土墙的验算 四 一般防震措施 第八节轻型挡土墙 轻型挡土墙则常用钢筋混凝土构件组成 墙身断面较小 墙的稳定性不是或不完全是依靠本身重量来维持 因而结构较轻巧 圬工量省 占地较少 有利于机械化施工 轻型挡土墙的类型很多 有悬臂式挡土墙 锚杆挡土墙和锚定板挡土墙等 悬臂式挡土墙由立壁和底板组成 有三个悬臂 即立壁 趾板和踵板 墙的稳定性依靠墙身自重和踵板上的填土重量来保证 而趾板的设置又显著地增加了抗倾覆力矩的力臂 结构形式比较经济 一 悬臂式挡土墙 对于悬臂式挡土墙 通常采用朗金理论来计算通过墙踵的竖直面上的土压力Ea 然后结合位于该竖直面与墙背间的土重 得到作用于墙上的总压力 二 悬臂式挡土墙设计1 土压力计算 1 夹块宽度B2同立壁底部厚度 2 踵板宽度B3踵板宽度受滑动稳定控制 要求 Kc Ex f N 2 底板宽度计算 3 趾板宽度B1趾板宽度除高墙受倾覆稳定系数K0控制外 一般都由地基应力或偏心距e来决定 要求墙踵不出现拉应力 即 e B 64 底板宽度 B B1 B2 B3 B3 主要取决于结构要求和截面强度要求 结构要求 趾板与踵板同厚 指与中间夹块连接处 趾板端部不宜小于30cm 踵板顶面要求水平 强度计算 主要根据配筋率及构件裂缝宽度控制板的厚度 1 趾板的弯矩和剪力2 踵板的弯矩和剪力 3 底板厚度计算 2 为防止斜裂缝开展过大和端部斜压破坏 截面厚度可由下式确定 3 趾板和踵板的厚度计算 用下述两式计算 取其大者 1 根据配筋率确定截面厚度一般常用的配筋率为0 3 0 8 二 锚杆挡土墙三 锚定板挡土墙 锚定式挡土墙也属于轻型挡土墙 通常包括锚杆式和锚定板式两种 锚杆式挡墙主要由预制的钢筋混凝土立柱和挡土板构成墙面 与水平或倾斜的钢锚杆联合作用支挡土体 主要是靠埋置于岩土中的锚杆的抗拉力拉住立柱保证土体稳定的 锚定板式挡墙则将锚杆换为拉杆 在其土中的末端连上锚定板 它不适于路堑 路堤施工容易实现 第九节加筋土挡土墙 加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的支挡结构物 加筋土是一种在土中加入拉筋的复合土 它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性能 从而达到稳定土体的目的 一 概述 常见加筋挡土墙形式 1 单面式加筋挡土墙 2 双面式加筋挡土墙 分离式 交错式 对拉式 分离式 3 台阶式加筋挡土墙 4 无面板加筋挡土墙 加筋土的基本原理是借助于拉筋而提高填土的抗剪强度 从而保证土体平衡 通常用摩擦加筋原理或准粘聚力原理加以解释 面板式 无面板式 摩擦加筋原理认为 加筋土墙面板由筋带拉住 墙面板承受的土压力企图将筋带拉出 而筋带又被填土压住 土与筋带之间的摩擦力企图阻止筋带拉出 因此 只有筋带具有足够的强度并与土产生足够的摩擦力 则加筋土体即可保持稳定 准粘聚力理论认为 加筋土结构可以看作是各向异性的复合材料 通常采用的拉筋的弹模远大于填土的模量 二者共同作用 由于填土的抗剪力 填土与拉筋的摩擦阻力及拉筋的抗拉力的存在 使得加筋土的整体强度明显提高 1 加筋体墙面的平面线形可采用直线 折线和曲线 2 相邻墙面的内夹角 不宜小于70 3 加筋土挡墙常用面板尺寸 加筋土挡墙常用面板尺寸 cm 二 加筋土挡墙的构造1 墙面 在墙顶的凸 凹部和角隅处可采用异型面板 角隅面板 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 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 2 筋带 扁钢带 钢筋混凝土板带 钢塑复合带 土工格栅 聚丙烯土工带 一般应采用矩形 断面尺寸由计算确定 底部筋带长度不应小于3m 同时不小于0 4H 加筋体横断面形式 3 加筋体横断面形式 5 面板基础底面的埋置深度 墙面下部应设宽不小于0 3m 厚不小于0 2m的混凝土基础 加筋体面板基础底面的埋置深度 对于一般土质地基不小于0 6m 间距 土质地基10 30m 岩石地基可适当增大 缝宽 一般为1 2cm 采用沥青板 软木板或沥青麻絮填塞 6 软弱地基 可选用换填砂砾 碎 石垫层 挤密桩 砂桩 石灰桩 碎石桩 抛石挤淤 土工织物等方法处理 7 沉降缝 填料应慎重选择 墙高的中部宜设宽度不小于1m的错台 错台顶部设20 的排水横坡 用混凝土板防护 当采用细粒填料时 上级墙的面板基础下宜设置宽不小于1 0m高不小于0 5m的砂砾或灰土垫层 8 加筋土挡土墙高度大于12m时 加筋土桥台类型图a 整体式 b 内置组合式 c 外置组台式1 上部结构 2 垫梁或盖梁 3 桥头搭板 4 筋条 5 基础 6 台柱 7 台身 8 墙面板 9 加筋土桥台类型 加筋体筋带的断面积 长度以及加筋体的稳定性 应通过加筋体内部和外部的稳定性分析确定 1 加筋体内部稳定性 按局部平衡法计算 对整体式桥台和墙高大于12m的挡土墙 应用总体平衡法验算荷载组合 2 加筋体外部稳定性分析包括地基应力 基底滑移和倾覆 必要时增加整体滑动稳定性 筋带断面计算应考虑车辆荷载引起的拉力 筋带锚固长度计算不计车辆荷载引起的抗拔力 三 加筋挡土墙结构计算 与加筋土挡土墙内部稳定性有关的破坏形式有 1 由于拉筋开裂造成的断裂起因于拉筋强度不足 断裂渐渐地沿最大拉力线发展 2 由于拉筋与填土之间结合力不足造成的加筋体断裂拉筋与填土之间的摩擦力不足以平衡施加于拉筋的拉力 加筋土的机理 内部稳定性分析主要是用拉筋在拉力作用下抗拉能力和抗拔能力来衡量 常用的设计方法为应力分析法 该方法将加筋体本身分为活动区和稳定区 活动区的加筋体力图将拉筋材料从稳定区拔出 而稳定区的加筋体则力图阻止拔出 如果阻止的力不足以抵挡拔出的力 则加筋体产生拔出破坏 破裂面就是两区的交界面 若用高模量 高粘附拉筋 如钢带或钢筋混凝土带 按正常方法布置拉筋时 则宜用应力分析法中的垂直应力均匀分布法 该法计算简便 用筋量较少 1 加筋体的潜在破裂面最大拉力点的连线 称简化破裂面 将加筋体分为活动区与稳定区 1 加筋体中活动区与稳定区 简化破裂面图1 垫梁 2 活动区 3 简化破裂面 4 稳定区 简化 上部平行于墙面 相距0 3H 下部通过墙脚 与水平面夹角 的两段折线 当整体式桥台垫梁后缘距离ba大于0 3H时 则采用bh ba 2 简化破裂面上 下两部分高度H1 H2 2 应力分析法 应力分析法是以朗金理论为基础 视加筋土为复合材料 其基本原理是根据作用在填土中最大拉应力点上的应力来计算拉筋的最大拉力 在最大拉力点处剪应力等于零 仅存在竖向应力和水平应力 而水平应力则由拉筋所平衡 3 拉筋拉力计算 1 加筋体自重产生的拉力 根据应力分析法的基本假定和基本原理 加筋体内任一深度hi处的水平应力由拉筋来局部地平衡 加筋体自重对第i层拉筋所产生的拉力Thi为 式中 vi 第i层拉筋处的竖向应力 kPa Ki 第i层拉筋处的土压力系数 Sx Sy 拉筋水平方向 垂直方向的计算间距 m 式中 K0 静止土压力系数 Ka 主动土压力系数 作用于拉筋上的竖向应力 vi可按均匀分布计算 均匀分布认为加筋体后填土的土压力对加筋体内部的竖向应力不产生影响 即 式中 加筋体内填土容重 kN m3 hi 自加筋体顶面至第i层拉筋的高度 m 因此 拉筋拉力为 2 加筋体上路堤填土产生的拉力 加筋体上的路堤填土重力需换算为假想的均布连续荷载 其等代均布土层厚度hF为距墙面板背面1 2加筋体高度的水平距离处的加筋体上填土高度 即 式中 a 加筋体上路堤填土高度 m m 加筋体上路堤填土的坡率 因此 加筋体上路堤填土对第i层拉筋产生的拉力TFi为 式中 2 路堤填土容重 kN m3 3 车辆荷载产生的拉力车辆荷载对拉筋产生的拉力可近似地以均布土层进行计算 在深度hi处 拉筋承受的拉力Tai为 其中 ai为车辆荷载作用下 加筋体内深度hi处的竖向应力 kPa 式中 h0 均布土层厚度 m B0 结构计算时采用的荷载布置宽度 m loi 第i层拉筋的活动区长度 m lci 第i层拉筋墙面板背面至均布土层扩散线外侧的距离 m Bi 均布土层扩散至第i层筋带处的分布宽度 m 对于路肩式挡土墙 不考虑车辆荷载的扩散作用 因此 车辆的荷载引起的附近拉力Tai为 4 拉筋拉力 第i层拉筋总的拉力Ti按下式计算 竖向应力均匀分布 路堤式挡土墙 路肩式挡土墙 式中 Ai 第i层拉筋的断面积 mm2 L 拉筋容许应力 MPa K 筋带容许应力提高系数 Ti 第i层拉筋带所受拉力 kN 4 拉筋断面计算 第i层筋带每束需要的根数ni为 ni Ai bt 式中 b 筋带宽度 mm t 筋带厚度 mm 5 筋带长度 式中 Li 筋带总长度 m L1i 筋带锚固长度 m L2i 活动区筋带长度 m 其中 bH 简化破裂面的垂直部分与墙面板背面距离 m L2i活动区筋带长度 L1i筋带锚固长度 路肩式挡土墙 路堤式挡土墙 其中 Kf 筋带要求抗拔稳定系数 f 筋带与填料的似摩擦系数 bi 第i单元筋带宽度总和 m 四 外部稳定性分析 1 加筋土挡土墙外部失稳形式 加筋土挡土墙的外部稳定性分析时 把拉筋的末端与端面板之间的填土视为一整体墙 即加筋体 验算方法与普通重力式挡土墙相似 视加筋体为刚体 根据破坏形式 外部稳定性分析的内容有抗滑稳定性与抗倾覆稳定性验算 地基承载力验算 必要时还应对整体滑动稳定性和地基沉降进行验算 2 基底抗滑稳定系数Kc 3 抗倾覆稳定系数K0 式中 My 稳定力系对加筋体墙趾的力矩 KN m M0 倾覆力系对加筋体墙趾的力矩 KN m 4 基础底面地基承载力验算 5 整体抗滑稳定系数Ks 6 134 抗震验算 一般情况 加筋土挡土墙的结构分析 1 外部稳定性分析 1 滑动稳定性分析 2 倾覆稳定性分析 3 基底偏心矩和基底应力验算 4 建于软土地基上或地基下可能存在深层滑动时 应做加筋体与地基整体稳定分析 2 内部稳定性分析 1 拉筋的拉断分析 2 拉筋的拔出分析 3 拉筋的耐久性分析
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