路基路面工程課件：第七章?lián)跬翂υO(shè)計

1、 擋土墻是一種能夠抵抗側(cè)向土壓力，防止墻后土體坍塌的建筑物。廣泛用于道路工程、鐵路、水利及其它土建工程。 在公路工程中，擋土墻主要有以下幾種用途：第七章 擋土墻設(shè)計 擋 土 墻在公路工程中 的 用 途收縮路堤坡腳，減少填方量減少拆遷和占地面積防止山坡覆蓋層下滑和抵抗滑坡降低挖方邊坡高度，減少挖方量，避免山體失穩(wěn)塌滑縮短隧道增加明洞長度沿河路堤 此外還可設(shè)于橋梁兩端，做橋臺或翼墻；設(shè)于河流岸壁，可起到護岸，防止水流沖刷岸壁的作用等。 本章的主要內(nèi)容： 7- 1、 擋土墻的類型構(gòu)造和布置 7- 2、 擋土墻土壓力計算 7- 3 、擋土墻驗算 7- 4、加筋土結(jié)構(gòu)計算本章的學習要求： 1、了解各類擋

2、土墻的特點和適用場合，熟悉擋 土墻的布置。 2、懂得郎金和庫倫主動土壓力的計算原理和使 用條件，并能運用土壓力圖進行土壓力計算。 3、掌握擋土墻的外部穩(wěn)定驗算和加筋土擋墻的內(nèi)部穩(wěn)定 計算。 7-1 擋土墻的類型、構(gòu)造和布置 按照墻的設(shè)置位置，路基擋土墻分為： 路肩墻、路堤墻和路塹墻等。一、類型 按照墻的結(jié)構(gòu)形式，擋土墻可分為：1、重力式2、薄壁式3、錨固式4、跺式（又稱框架式）5、加筋土式等 多采用片（塊）石漿砌或干砌而成，缺乏石料地區(qū)可用混凝土建造。 依靠墻身自重抵御墻后土體側(cè)壓力作用，墻身斷面尺寸大。 干砌擋土墻，僅適用于地震烈度較低，不受水流沖刷，地基條件好和墻高小于6米的地段。 又包括

3、： 重力式擋土墻 衡重式擋土墻 半重力式擋土墻1、重力式擋土墻 重力式擋土墻墻背可做成直線形（仰斜、豎直、俯斜）或折線形（凸形、衡重式）。重力式擋土墻 仰斜墻背 俯斜墻背 凸形墻背 重力式擋土墻墻背可做成直線形（仰斜、豎直、俯斜）或折線形（凸形、衡重式）。重力式擋土墻 臺階形墻背 （俯斜墻背） 衡重式墻背 * 墻背垂直式 俯斜式 仰斜墻背 凸形折線式 衡重式 采用鋼筋混凝土結(jié)構(gòu)，墻身斷面較薄。 主要依靠底板上的土重來平衡墻后土體側(cè)壓力。 又包括： 懸臂式擋土墻 扶壁式擋土墻 柱板式擋土墻2、薄壁式擋土墻 懸臂式擋土墻利用踵板上的填土重量來保持穩(wěn)定，趾板還可以增加抗覆蓋能力和減小基底應(yīng)力。 常用

4、于地基情況較差的路肩墻。懸臂式擋土墻 扶臂式擋土墻是在墻高超過6米時，在懸臂式基礎(chǔ)上沿墻長方向每隔一定距離加設(shè)扶壁，把立壁與底板連接起來，起到加勁作用。扶壁式擋土墻 柱板式擋土墻由立柱、擋板、底梁、底板、基座、拉桿拼裝而成。 底板位置升高，基礎(chǔ)開挖量較懸臂式和扶壁式少。 適用于支擋土質(zhì)路塹高邊坡或處治邊坡坍滑，也可用于路堤墻。柱板式擋土墻 由鋼筋混凝土墻面部分和錨固構(gòu)件連接而成。 主要依靠埋設(shè)在穩(wěn)定巖土層內(nèi)錨固件的抗拔力，承受土壓力，保持全墻平衡。 墻面常用立柱和擋板拼成，也可就地澆筑成整體板壁。 錨固式擋土墻屬于輕型結(jié)構(gòu)，材料節(jié)省，占地較少，地基要求不高，有利于機械化施工。 又包括： 錨桿式

5、擋土墻 錨定板式擋土墻 樁板式擋土墻3、錨固式擋土墻 錨桿式擋土墻采用錨入穩(wěn)定地層內(nèi)的鋼桿（錨桿），拉住肋柱或板壁。墻高時可分級建造。 適用于高度較大、挖基困難、具有錨固條件的路塹墻、路肩墻和抗滑墻。錨桿式擋土墻 結(jié)構(gòu)形式與錨桿式擋土墻基本相同，只是鋼桿的錨固端改用錨定板，并埋在填料穩(wěn)定區(qū)內(nèi)。 柔性較好，特別適用于地基不良的高路肩墻或路堤墻。錨定板式擋土墻 樁板式擋土墻系將支承擋板的立柱改為深埋地下的樁柱。 適用于墻后土體下滑力較大而要求基礎(chǔ)埋置又深的滑坡整治地段。 施工時，可避免大面積開挖，對山體穩(wěn)定有利。樁板式擋土墻 跺式擋土墻常采用鋼筋混凝土預(yù)制桿件縱橫交錯拼裝成框架，內(nèi)填以土石，借其自

6、重抵抗墻后土體的推力。 常用作高路肩墻、路堤墻、抗滑墻。4、跺式擋土墻（框架式） 加筋土式擋土墻是由豎直面板、水平拉筋和內(nèi)部填土組成的加筋體。 面板用混凝土預(yù)制，拉筋常用鋼帶、鋼筋混凝土帶或聚丙烯土工帶，金屬或聚合物材料做的網(wǎng)格。 通過拉筋與填土間摩阻力，拉住面板，穩(wěn)定填土，形成整體結(jié)構(gòu)，再依靠自重抵抗墻后填土的側(cè)壓力。 適用于較高的路肩墻和路堤墻。但不應(yīng)修建在滑坡、急流沖刷、崩塌等不良地質(zhì)路段，也不宜用于8度及以上的地震區(qū)。5、加筋土式擋土墻加筋土擋土墻的形式：5、加筋土式擋土墻7-1 擋土墻的類型、構(gòu)造和布置1、墻身2、基礎(chǔ)3、填料4、排水設(shè)施5、沉降伸縮縫等二、構(gòu)造1、墻身構(gòu)造 * 墻背

7、垂直式 俯斜式 仰斜墻背 凸形折線式 衡重式 * 墻面 墻面坡度 -與墻背的坡度相配合 -考慮地面橫坡陡緩 -墻高隊穩(wěn)定性的要求2、基礎(chǔ) 形勢： ）與墻身一體式的基礎(chǔ) ）擴大基礎(chǔ) ）鋼筋混凝土底板式基礎(chǔ) ）陡坡堅巖地基上的臺階基礎(chǔ) 基礎(chǔ)的形式基礎(chǔ)的埋深基礎(chǔ)的埋置深度 土質(zhì)地基的要求： -承載能力、沖刷、凍脹 巖石地基的要求： - 堅硬程度和抗風化能力 -墻前地面橫坡、襟邊寬度 地質(zhì)不良地段： -底基穩(wěn)定的地層中3、填料 一般采用當?shù)氐耐粱靥畈簩崳?有條件時： 選用摩擦角大、透水性好、遇水后不易膨脹和非凍脹性的材料。 以免墻體承受的多余的靜水壓力、凍脹壓力和粘土填料浸水后的膨脹壓力。4、擋土墻

8、排水設(shè)施) 墻后表面水的排除夯實地表松土和鋪筑封閉層、上方設(shè)置截、排水溝等； 路塹墻墻趾前邊溝加固鋪砌) 墻身排水干砌擋土墻-砌縫自身排水漿砌擋土墻-泄水孔5、沉降縫與伸縮縫1、設(shè)縫的作用 2、設(shè)置要求 -縫間距 -填縫7-2 擋土墻土壓力計算 作用在擋土墻的側(cè)向土壓力，是擋土墻設(shè)計和穩(wěn)定性分析的主要依據(jù)，它涉及到填料、墻和地基三者之間的相互作用，是一個十分復(fù)雜的問題。目前應(yīng)用最廣的土壓力計算理論：1、朗金（Rankine）理論2、庫倫（Coulomb）理論 墻體位移與土壓力類型 墻體位移的方向和位移量決定著所產(chǎn)生的土壓力性質(zhì)和土壓力大小。太沙基的模型試驗結(jié)果三種土壓力的關(guān)系：靜止土壓力對應(yīng)于

9、圖中A點 墻位移為0，墻后土體 處于彈性平衡狀態(tài)主動土壓力對應(yīng)于圖中B點 墻向離開填土的方向位 移，墻后土體處于主動 極限平衡狀態(tài)被動土壓力對應(yīng)于圖中C點 墻向填土的方向位移，墻后土體處于被動極限平衡 狀態(tài)PaP00.1H繞墻頂轉(zhuǎn)動0.05H粘土主動平移0.004H繞墻趾轉(zhuǎn)動0.004H擋土墻在土壓力作用下，不向任何方向發(fā)生位移和轉(zhuǎn)動時，墻后土體處于彈性平衡狀態(tài)，作用在墻背上的土壓力稱為靜止土壓力。當擋土墻沿墻趾向離開填土方向轉(zhuǎn)動或平行移動，且位移達到一定量時，墻后土體達到主動極限平衡狀態(tài)，填土中開始出現(xiàn)滑動面 ，這時在擋土墻上的土壓力稱為主動土壓力。 當擋土墻在外力作用下向墻背填土方向轉(zhuǎn)動或

10、平行移動時，土壓力逐漸增大，當位移達到一定量時，潛在滑動面上的剪應(yīng)力等于土的抗剪強度，墻后土體達到被動極限平衡狀態(tài)，填土內(nèi)開始出現(xiàn)滑動面 ，這時作用在擋土墻上的土壓力增加至最大，稱為被動土壓力。 作用在擋土墻上的荷載，按性質(zhì)不同可分為： 恒載、可變荷載、溫度和施工荷載等 按力對擋墻的作用持久性又分為： 1、主要力系 2、附加力系 3、特殊力系設(shè)計時，應(yīng)根據(jù)擋土墻的具體工作條件，按最不利的組合作為設(shè)計依據(jù)。在一般地區(qū)，擋土墻設(shè)計僅考慮主要力系，在浸水地區(qū)還應(yīng)考慮附加力，而在地震區(qū)應(yīng)考慮地震對擋土墻的影響。一、作用于擋土墻上的力系 主要力系是經(jīng)常作用于擋土墻的各種力： 1、擋土墻自重及位于墻上的恒

11、載； 2、墻后土體主動土壓力； 3、基底法向反力及摩擦力； 4、墻前土體被動土壓力。 對浸水擋土墻，主要力系還應(yīng)包括常水位時的靜水壓力和浮力。 附加力是季節(jié)性作用于擋土墻的各種力，如洪水時的靜水壓力和浮力、動水壓力、波浪沖擊力、凍脹壓力及冰壓力等。 特殊力是偶然出現(xiàn)的力，如地震力、施工荷載、水流漂浮物的撞擊力。一、作用于擋土墻上的力系二、一般情況下主動土壓力計算 （一）郎金土壓力理論 郎金理論只適用于墻后填料內(nèi)存在郎金主動應(yīng)力狀態(tài)的情況，必須符合下列條件： （一）郎金土壓力理論作用于豎直面BV上任一深度z處的主動土壓應(yīng)力為：Ka為郎金主動土壓力系數(shù)，當土體表面水平，即： 時 （一）郎金土壓力理

12、論則主動土壓力作用于BV面高度H的下三分點處，大小為：若墻后填料表面作用連續(xù)均布荷載，則主動土壓力為：其作用點位置為：二、一般情況下主動土壓力計算 （二）庫侖土壓力理論 路基擋土墻因路基形式和荷載分布的不同，土壓力有多種計算圖式。以路堤擋土墻為例，按破裂面交于路基面的位置不同，可分為5種圖式：破裂面交于內(nèi)邊坡，破裂面交于荷載的內(nèi)側(cè)、中部和外側(cè)，破裂面交于外邊坡。 （二）庫侖土壓力理論 1、破裂面交于內(nèi)邊坡 （二）庫侖土壓力理論 當墻后土體表面為平面而無其他荷載作用時： 主動土壓應(yīng)力： 1、破裂面交于內(nèi)邊坡 （二）庫侖土壓力理論 2、破裂面交于堤頂荷載范圍內(nèi) （二）庫侖土壓力理論 2、破裂面交于

13、堤頂荷載范圍內(nèi) （二）庫侖土壓力理論 2、破裂面交于堤頂荷載范圍內(nèi) （二）庫侖土壓力理論庫倫土壓應(yīng)力圖形的繪制 （二）庫侖土壓力理論庫倫土壓應(yīng)力圖形的繪制 （二）庫侖土壓力理論庫倫土壓應(yīng)力圖形的繪制 （二）庫侖土壓力理論庫倫土壓應(yīng)力圖形的繪制 （二）庫侖土壓力理論庫倫土壓應(yīng)力圖形的繪制3、大俯角墻背的主動土壓力計算 -第二破裂面法出現(xiàn)第二破裂面的條件： 1）墻背或假想墻背不妨礙第二破裂面的出現(xiàn)； 2）破裂棱體不會沿墻背或假想墻背下滑。 （二）庫侖土壓力理論第二破裂面上的土壓力 計算 （二）庫侖土壓力理論 并滿足下列條件： 設(shè)計時，應(yīng)先判斷所分析的擋土墻是否會出現(xiàn)第二破裂面，然后再用相應(yīng)的公式計

14、算。 （二）庫侖土壓力理論 （二）庫侖土壓力理論 計算擋土墻土壓力時，需用試算法確定破裂面交于路基的位置。 庫倫理論適用于各種填料表面形狀和荷載情況等邊界條件，但是墻背必須是平面，否則土壓力作用方向很難確定。 如果墻后土體不沿墻背而沿假想墻背或第二破裂面下滑，則按庫倫理論計算作用于假想墻背或第二破裂面的主動土壓力。 （三）計算理論的選用 1、重力式擋土墻常用庫倫理論計算土壓力。 （1）直線形墻背坡度一般較陡，可直接按庫倫公式求算土壓力。 （2）折線形墻背，通常上下墻分別計算。 分開算：上墻 下墻然后矢量疊加。上墻：俯斜墻下墻土壓力計算方法：（1）延長墻背法 （2）均布超載法 （三）計算理論的選

15、用 2、懸臂式和扶壁式擋土墻 （1）如符合郎金理論使用條件，則按郎金公式計算作用在墻踵豎直面上的土壓力。 （2）若填料表面為折面或有局部荷載作用，又出現(xiàn)第二破裂面時，則按庫倫公式計算。 1、墻后填料為粘性土的主動土壓力計算 處理方法：由于土的流變性質(zhì)及其對墻的影響尚不十分清楚，因此計算方法均是以庫侖理論為基礎(chǔ)的近似方法。 1、等效內(nèi)擦角法 2、力多邊形法庫侖理論的假設(shè)：墻后填料為不具有粘聚力的砂性土問題：當填料為粘性土時，土的粘聚力對主動土壓力的影響很大，要考慮其影響。 二、不同情況下土壓力計算等效內(nèi)擦角法 按照換算前后土的抗剪強度相等或土壓力相當?shù)脑瓌t，將實際有粘聚力的填土換算成無粘聚力土，

16、然后按砂性土的公式來計算土壓力。通常是 ，或采取等效內(nèi)摩擦角 為 。 此法是非常近似的方法，誤差較大，適用于矮墻。力多邊形法 粘性土能夠承受一定的拉應(yīng)力，墻身外位移，粘性填土的頂部會出現(xiàn)拉應(yīng)力而出現(xiàn)開裂。裂縫深度為： 裂縫區(qū)豎直面上的側(cè)壓力等于零，此 范圍內(nèi)不計土壓力。力多邊形求解2、有限范圍填土的土壓力 處理方法： 作用在墻背的主動土壓力，直接用庫倫公式計算，滑動土楔為墻背與陡坡面之間的土體。庫侖理論的假設(shè)：墻后填料為均質(zhì)體問題：當墻后土體內(nèi)存在已知的陡坡面或潛在滑動面，且陡于計算求得的破裂面，則墻后填料將沿陡坡面（或滑動面）下滑。 二、不同情況下土壓力計算3、成層土的土壓力 處理方法： 先

17、求得上層土壓力E1，再近似假設(shè)上下兩土層層面平行，并將上層土重作為均布超載，求算下層土壓力E2，全墻的土壓力為二者的矢量和。問題：墻后填料為不同性質(zhì)的土層。 二、不同情況下土壓力計算4、車輛荷載引起的土壓力 二、不同情況下土壓力計算4、車輛荷載引起的土壓力 二、不同情況下土壓力計算擋土墻的計算長度，可按以下四種情況選用：4、車輛荷載引起的土壓力 二、不同情況下土壓力計算5、浸水條件下的土壓力 二、不同情況下土壓力計算當填料選取砂性土時，浸水擋土墻的土壓力為：6、地震作用下的土壓力 二、不同情況下土壓力計算采用以動力分析為基礎(chǔ)的靜力法，求算地震時的土壓力。6、地震作用下的土壓力 二、不同情況下土

18、壓力計算采用以動力分析為基礎(chǔ)的靜力法，求算地震時的土壓力。 三、土工參數(shù)的選取1、填料容重和計算內(nèi)摩擦角 三、土工參數(shù)的選取2、墻背摩擦角 墻背內(nèi)摩擦角，數(shù)值視墻背的粗糙程度和墻后填料的性質(zhì)及排水條件而定。 無試驗資料時，可按下列情況推算： 7-3 擋土墻驗算 重力式擋土墻的破壞形式及原因： （1）由于基礎(chǔ)滑動而造成的破壞； （2）由于繞墻趾轉(zhuǎn)動所引起的傾覆； （3）因基礎(chǔ)產(chǎn)生過大或不均勻的沉陷而引起的墻身傾斜； （4）因墻身材料強度不足而產(chǎn)生的墻身剪切破壞； （5）沿通過墻踵的某一滑動圓弧的淺層剪切破壞和沿基底下某一深度（如通過軟土下臥層底面）的圓弧的深層剪切破壞。 7-3 擋土墻驗算 設(shè)計

19、擋土墻時，一般均應(yīng)驗算： （1）沿基底的滑動穩(wěn)定性； （2）繞墻趾轉(zhuǎn)動的傾覆穩(wěn)定性； （3）基底應(yīng)力和偏心距； （4）墻身斷面的強度。 如地基有軟弱下臥層存在，還需驗算沿基底下某一可能滑動面滑動的穩(wěn)定性。 擋土墻驗算，系按平面問題取單位長度來進行。 一、滑動穩(wěn)定驗算 擋土墻抵抗沿基底滑移的能力，常用抗滑穩(wěn)定系數(shù)Kc表示（ Kc為抗滑力與滑動力之比）： 式中：N,T -擋土墻基底面上承受的法向合力和切向合力； f -基底摩擦系數(shù)，無試驗資料可按表7-3選用； Kc-容許抗滑穩(wěn)定系數(shù)，主要或附加組合荷載作用 時，取1.3；地震組合時，取1.1。 一、滑動穩(wěn)定驗算 基底摩擦系數(shù)f值 二、傾覆穩(wěn)定驗算 擋土墻抵抗繞墻趾向外轉(zhuǎn)動而傾覆的能力，用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)K0表示（ K0為穩(wěn)定力矩與傾覆力矩之比）： 式中：My -穩(wěn)定（豎直）力系對墻趾0 點總力矩； Mx -傾覆（水平）力系對墻趾0點的總力矩； K0-容許抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)，主要組合荷載作用 時，取1.5；附加組合時，取1.3；地震組合時，取1.2。 三、基底應(yīng)力驗算 擋土墻基底應(yīng)力和偏心距應(yīng)加以限制，以免引起過大和明顯不均勻沉降。采用偏心受壓公式計算。(1) eB/6基底合力偏心距：ZN為基底合力的法向分