《道路工程》第12章路基擋土墻設計.ppt

第一節(jié)概述 第二節(jié)擋土墻的構造與布置 第三節(jié)擋土墻土壓力計算 第四節(jié)擋土墻的設計原則 第五節(jié)重力式擋土墻設計 第六節(jié)浸水路堤擋土墻設計 第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計 第八節(jié)輕型擋土墻 第九節(jié)加筋土擋土墻,第十二章 路基擋土墻設計,1、擋土墻的定義,擋土墻是支撐天然邊坡或人工填土邊坡以保持土體穩(wěn)定的結構物。公路中主要作用是支撐路堤、路塹、隧道洞口、橋臺及河岸防護等,第一節(jié)概述,2、擋土墻的類型,按擋土墻位置分: 路塹擋墻，路堤擋墻，路肩擋墻和山坡?lián)鯄Φ取?按擋土墻的墻體材料分: 石砌擋墻，混凝土擋墻，鋼筋混凝土擋墻，磚砌擋墻，木質擋墻和鋼板墻等。 按擋土墻的結構形式分: 重力式，半重力式，衡重式，懸臂式，扶壁式，錨桿式，拱式，錨定板式，板樁式和垛式等。,擋土墻位置分：a）路肩擋墻、b）路堤擋墻、c）路塹擋墻、d）山坡?lián)鯄?剛性擋土墻：本身變形極小，只能發(fā)生整體位移,柔性擋土墻： 本身會發(fā)生變形，墻上土壓力分布形式復雜,3、新型擋土墻,自嵌式擋土墻-主要依靠擋土塊塊體、填土通過加筋帶連接構成的復合體自重來抵抗動靜荷載，達到穩(wěn)定的作用。用于園林景觀、高速公路、立交橋和護坡、小區(qū)水岸等，比傳統(tǒng)的混凝土和漿砌塊石容易施工，并且美觀、耐久。,4、擋土墻的作用 路肩墻：護肩及改善綜合坡度； 路堤墻：收縮坡腳，防止邊坡或基底（對于陡坡）路堤滑動，沿河路堤可防水流沖刷等； 路塹墻：減少開挖，降低邊坡高度； 山坡墻：支擋坡上覆蓋層，可兼起攔石作用； 隧道及明洞口擋墻：縮短隧道或明洞口長度； 橋臺擋墻：護臺及連接路堤，作為翼墻或橋臺。,5、各式擋土墻的使用條件,6、擋土墻的破壞,第二節(jié)擋土墻的構造與布置,1、擋土墻的構造,墻面（墻胸） 墻背（俯斜、仰斜、垂 直、直線形、和折線形） 墻頂及護欄 墻底（墻趾、墻踵),擋土墻的組成示意圖,基礎 設計的主要內(nèi)容包括基礎形式的選擇和基礎埋置深度的確定。 排水設施 通常由地面排水和墻身排水兩部分組成。 沉降縫和伸縮縫 為防止因地基不均勻沉陷而引起墻身開裂，應根據(jù)地基地質條件及墻高墻身斷面的變化情況，設置沉降縫；為了減少圬工砌體因硬化收縮和溫度變化作用而產(chǎn)生的裂縫，須設置伸縮縫。,2、擋土墻布置,橫向布置 主要是在路基橫斷面圖上選定擋土墻的位置，確定是路塹墻、路肩墻、路堤墻還是浸水擋墻，并確定斷面形式及初步尺寸。 縱向布置 在墻趾縱斷面圖上進行墻的縱向布置，布置后繪成擋土墻正面圖。包括： 1）分段，設伸縮縫與沉降縫； 2）考慮始、末位置在路基及其它結構處的銜接； 3）基礎的縱向布置； 4）泄水孔布置。,平面布置 對于個別復雜的擋土墻，例如高、長的沿河擋墻和曲面擋墻；繞避建筑物擋墻，除了橫、縱向布置外，還應作平面布置，并繪制平面布置圖。,第三節(jié)擋土墻土壓力計算,1、作用在擋土墻上的荷載,（1）主要力系： 擋土墻自重及位于墻上的恒載； 墻后土體的主動土壓力（包括超載）； 基底的支撐力與摩阻力； 墻前土體的被動土壓力； 浸水墻的常水位靜水壓力及浮力。 （2）附加力： 季節(jié)性或規(guī)律性作用于墻的各種力， 如波浪沖擊、洪水。,（3）特殊力： 偶然出現(xiàn)的力，如地震荷載、浮力、水面物撞擊力等。,作用在擋土墻上的力系,2、擋土墻移動形式與土壓力關系,（1）墻體外移,（3）墻體不移動,（2）墻體內(nèi)移,Ea:墻體外移,土壓力逐漸減小,當土體破壞,達到極限平衡狀態(tài)時所對應的土壓力(最小) Ep:墻體內(nèi)移,土壓力逐漸增大,當土體破壞,達到極限平衡狀態(tài)時所對應的土壓力(最大) E0:墻體不移動,土壓力即是土體產(chǎn)生的側壓力,3、路基擋土墻的土壓力考慮,1）主動土壓力與被動土壓力的區(qū)分： 假定擋土墻處于極限移動狀態(tài)，土體有沿墻及假想破裂面移動的趨勢，則土推墻即為主動土壓力，墻推土即為被動土壓力。 2）路基擋土墻的土壓力考慮： 路基擋土墻一般都有可能有向外的位移或傾覆，因此，在設計中按墻背土體達到主動極限平衡狀態(tài)考慮，即只考慮Ea ，且取一定的安全系數(shù)以保證墻背土體的穩(wěn)定。 墻趾前土體的被動土壓力Ep一般不計。,4、不同墻背傾斜形式的土壓力大小,墻背傾斜形式： 仰斜 直立 俯斜,5、擋土墻的土壓力計算理論,（1）朗肯土壓力理論 1857年英國學者朗肯（Rankine）從研究彈性半空 間體內(nèi)的應力狀態(tài)，根據(jù)土的極限平衡理論，得出 計算土壓力的方法，又稱極限應力法。 （2）庫侖土壓力理論 1776年法國的庫倫（C.A.Coulomb）根據(jù)極限平 衡的概念，并假定滑動面為平面，分析了滑動楔體 的力系平衡，從而求算出擋土墻上的土壓力，成為 著名的庫倫土壓力理論。,基本假設：, 墻本身剛性，因此，不考慮墻身的變形； 墻后填土延伸到無限遠處，填土表面水平（=0）； 墻背垂直光滑（墻與土的摩擦角=0）。,朗肯理論,a、無粘性土；b、粘性土,計算公式：,朗肯主動土壓力系數(shù)，,土的重度；,土的粘聚力和內(nèi)摩擦角。,c、,主動土壓力,被動土壓力,基本假設：, 墻后填土為均勻的無粘性土（c=0），填土表面傾斜（0）； 擋土墻剛性，墻背傾斜，傾角為； 墻面粗糙，墻背與土本之間存在摩擦力（0）； 滑動破裂面為通過墻踵的平面。,庫倫理論,（3）分析方法的異同 朗肯理論和庫倫理論都是簡化方法。它們各有其不同的基本假定、分析方法和適用條件。 共同點：均屬于極限狀態(tài)土壓力理論。計算出的土壓力均為墻后土體處于極限平衡狀態(tài)下的主動土壓力Pa和被動土壓力Pp。 不同點：朗肯理論從土體中一點的極限平衡狀態(tài)出發(fā)，由處于極限平衡狀態(tài)時的大小主應力關系求解（極限應力法）；庫倫理論根據(jù)墻背與滑裂面之間的土楔處于極限平衡，用靜力平衡條件求解（滑動楔體法） 。,（4）適用條件 1）朗肯理論的適用條件 根據(jù)朗肯理論推導的公式，作了必要的假設，因此有一定的適用條件： 填土表面水平（=0），墻背垂直（=0），墻面光滑（=0）的情況； 墻背垂直，填土表面傾斜，但傾角的情況； 地面傾斜，墻背傾角(45-/2）的坦墻； L型鋼筋混凝土擋土墻； 墻后填土為粘性土或無粘性土。,2）庫倫理論的適用條件 下述情況宜采用庫倫理論計算土壓力： 需考慮墻背摩擦角時，一般采用庫倫理論； 當墻背形狀復雜，墻后填土與荷載條件復雜時； 墻背傾角(45-/2）的俯斜墻； 數(shù)解法一般只用于無粘性土，圖解法則對于無粘性土或粘性土均可方便使用。 擋土墻一般采用庫倫理論,6、一般條件下庫侖主動土壓力計算,擋土墻因路基形式和荷載分布不同土壓力有多種計算圖式,（1）破裂面交于內(nèi)邊坡-適用于路堤或路塹擋土墻,主動土壓力計算圖示,將Pa 對 求導數(shù),并令其等于零,被動土壓力計算圖示,（2）破裂角交于路基面,破裂面交與荷載中部b) 破裂面交與荷載外側c) 破裂面交與荷載內(nèi)部a),（3）破裂面交于外邊坡,（4）大俯角墻背的主動土壓力第二破裂面法, 有時土體并不沿墻背滑動，而是沿另一滑動面滑動，這一般是折線形重力墻背、懸臂墻墻背或帶衡重臺的墻背，其傾角大于第二破裂面的傾角i、且墻背面上的抗滑力大于下滑力的情況。 出現(xiàn)第二破裂面的條件： 墻背或假想墻背的傾角或必須大于第二破裂面的傾角i ，以不妨礙第二破裂面的出現(xiàn)； 在墻背或假想墻背面上產(chǎn)生的抗滑力必須大于其下滑力，使破裂棱體不會沿墻背或假想墻背下滑。 仰斜擋土墻很少采用平緩背坡，不易出現(xiàn)i的情況；衡重式擋墻的上墻或懸臂式墻，采用假想的墻背，=，只要i，即存在第二破裂面。,衡重式擋土墻,折線形墻,（5）不同土層的土壓力計算,（6）有限范圍填土的土壓力計算,7、車輛荷載的換算,換算方法： 換算為對應于墻后填料的一定高度的均布土層。換算土層高： h0= q / 其中： 墻高H2.0m時，q=20.0kN/m2； 墻高H10.0m時，q=10.0kN/m2； 墻高H在2.0m 10.0m時，q內(nèi)插取用。,8、計算參數(shù),填料的計算內(nèi)摩擦角和重度,墻背摩擦角,第四節(jié)擋土墻的設計原則,1、擋土墻設計一般規(guī)定 1）擋土墻類型應綜合考慮工程地質、水文地質、沖刷程度、荷載作用情況、環(huán)境條件、施工條件、工程造價等因素； 2）應根據(jù)墻背滲水，合理布置排水溝造物。合理設置伸縮縫和沉降縫。 3）擋土墻墻背填料宜采用滲水性強的砂性土、砂礫、粉煤灰等材料，嚴謹采用淤泥、膨脹土等； 4）擋土墻的頂面不宜占據(jù)硬路肩、行車道及路緣帶的路基,5）墻身構造 重力式擋土墻的墻背坡度一般采用1:0.25仰斜，仰斜墻背坡度不宜緩于1:0.3,俯斜墻背坡度一般為1:0.25-1:0.4； 衡重式或凸折式擋土墻下墻墻背坡度多采用1:0.25-1:0.30仰斜，上墻墻背坡度受墻身強度控制，根據(jù)上墻高度，采用1:0.25-1:0.45俯斜。,6）排水措施 包括疏干墻后積水和防止地表水下滲，以減小墻背土壓力和靜水壓力；減少凍脹壓力；消除膨脹壓力。 (1)設置地面排水溝，截引地表水；夯實回填土頂面，防止雨水和地面水下滲，必要時可設鋪砌層。 (2) 墻背設泄水孔和排水層； (3)路塹擋墻趾前溝應鋪砌，以防邊溝水滲入基礎。,7）基礎埋置深度 基礎埋置深度應按地基的性質、承載力的要求、凍脹的影響、地形和水文地質等條件確定。其基礎深度應符合下列要求： (1)基礎埋置深度不小于lm; (2)受水流沖刷時，基礎應埋置在沖刷線以下不小于lm； (3)路塹擋土墻基礎頂面應低于邊溝底面不小于0.5m。 (4)擋土墻基礎置于斜坡地面時，其趾部埋人深度和距地面的水平距離應符合下表的要求。,2建筑物總體設計資料 為滿足樞紐或單體建筑物與路基連接、擋土、水流、防滲排水等各項要求，需要具有與總體設計有關的下述資料： (1)建筑物的工程等級及設計標準； (2)建筑物總體布置圖，并根據(jù)總體布置要求確定擋土墻平面和立面的布置及基本尺寸的要求； (3)設計、建成、正常運營及施工期墻前、墻后各種水位； (4)根據(jù)總體防滲排水要求確定擋土墻需滿足的側向防滲排水要求。,3墻址地形、地質平面圖 一般擋土墻布置簡單，不大比例尺平面圖。對于下列情況，宜有1：5001：200的工程地質平面圖： (1)需要在紙上研究布置擋土墻的平面位置地段； (2)需要選取不同方向的地形、地質斷面，而現(xiàn)場勘測又不易掌握選準的地段； (3)擋土墻設計牽涉有關改河、改溝、改移公路、拆遷建筑物等需用平面圖反映的地段。,4地質橫斷面圖 一般采用1：200比例尺。測繪時應考慮以下問題： (1)斷面間距視地形、地質變化情況而定，以能滿足設計、施工的要求為準。在復雜情況下橫斷面間距采用5l0m，基礎標高變化不大的可采用10-25m。在墻的兩端應適當加密，以便確定起訖位置。 (2)橫斷面寬度、精度除滿足路基設計要求外，要考慮計算土壓力的需要，因此，代表性橫斷面應較一般斷面寬些。,5、擋土墻的設計原則 按“極限狀態(tài)分項系數(shù)法”進行設計，其設計的極限狀態(tài)分構件承載力極限狀態(tài)和正常使用極限狀態(tài)。 1）承載力極限狀態(tài)： 整個擋土墻或其一部分失去剛體平衡; 擋土墻構件或連接部件因材料承受的強度超過極限而破壞，或因超過塑性變形而不適于繼續(xù)承載； 擋土墻結構變?yōu)闄C動體系或局部失去平衡極限狀態(tài)分項荷載系數(shù)見規(guī)范。,2）正常使用極限狀態(tài)： 影響正常使用或外觀變形； 影響正常使用的耐久性局部破壞； 影響正常使用的其他待定狀態(tài)。 極限狀態(tài)的分項荷載系數(shù)除Ep取0.5外，其余均取1.0 3）合力偏心距計算時的極限狀態(tài) 分項荷載系數(shù)取值同正常使用極限狀態(tài)。,6、擋土墻的設計荷載，其它見規(guī)范JTG D30,7、施加于擋土墻的荷載分類，見表5.4.22,8、擋土墻的荷載組合，見表5.4.23,9、擋土墻的荷載分項系數(shù),第五節(jié)擋土墻設計,包括：抗滑穩(wěn)定性驗算，抗傾覆穩(wěn)定性驗算。 （1）抗滑穩(wěn)定性驗算 目的：檢查基底在土壓 力、自重等作用下的摩阻力抵抗擋土墻滑動的能力。,1、擋土墻穩(wěn)定性驗算,保證基底摩阻力低抗滑移力,（2）抗傾覆穩(wěn)定性驗算,目的：檢查墻身繞 墻趾向外轉動傾覆 的抵抗能力。,保證抵抗墻身繞墻趾向外轉動傾覆的能力,（3）擋土墻穩(wěn)定性驗算要求,2、基底應力及合力偏心距驗算,基礎的容許承載力：,巖石地基的承載力較高，一般不會產(chǎn)生不均勻沉陷。土質地基較復雜，其承載力與地基的物理力學性質、地面形態(tài)、基礎埋置深度、基底傾斜度等有關。,3、墻身截面強度驗算, 為保證墻身具有足夠強度，應選擇12個控制斷面進行驗算，如墻身底部、二分之一墻高處、上下墻(凸形及衡重式墻)交界處。 根據(jù)公路磚石及混凝土橋涵設計規(guī)范的規(guī)定，當構件采用分項安全系數(shù)的極限狀態(tài)設計時，荷載效應取不利組合的設計值，應小于或等于結構抗力效應的設計值。,4、重力式擋土墻設計,1）增加抗滑穩(wěn)定性的方法 設置傾斜基底 采用凸榫形基礎,5、增加擋土墻穩(wěn)定性的措施,2）增加抗傾覆穩(wěn)定性的方法 1）展寬墻趾 2）改變墻面及墻背坡度 3）改變墻身斷面類型,屬重力式；衡重臺上填土使墻身重心后移，增加抗傾覆穩(wěn)定性；基底面積較小，對地基要求較高。 設計與一般重力式擋墻相同。墻背為帶有衡重臺的折線形，土壓力計算及墻身構造都有其特殊性。 穩(wěn)定性驗算的內(nèi)容和要求同一般重力式擋墻。當上墻出現(xiàn)第二破裂面時，第二破裂面與上墻背之間填土與墻身一起移動，其重量計入墻身自重。,6、衡重式擋土墻設計,第六節(jié)浸水路堤擋土墻設計,1、考慮因素, 1）浸水的填料受水的浮力而使土壓力減小； 2）砂性土內(nèi)摩擦角受水的影響不大，可認為浸水后不變，粘性土浸水后抗剪強度顯著降低； 3）墻背與墻面均受到靜水壓力，在墻背與墻面水平一致時，兩者互相平衡；而當有一水位差時，則墻身受到靜水壓力差所引起的推力； 4）墻外水位驟然降落，或者墻后暴雨下滲在填料內(nèi)出現(xiàn)滲流時，填料受到滲透動水壓力。滲水性填料，動水壓力一般很小，可略而不計； 5）墻身受到水的浮力作用，而使其抗傾覆及抗滑動穩(wěn)定性減弱。, 6）墻后填料應盡量用片、碎石或砂性土分層填筑并夯實，并做好排水設施。 7）擋土墻修建在設計裂度為8度及以上的地震區(qū)，以及修筑在地震時可能發(fā)生大規(guī)?；卤浪牡囟位蜍浫醯鼗?，要進行地震穩(wěn)定性驗算。 8）驗算時要考慮破裂棱體和擋土墻身分別承受地震力的作用，將地震荷載與恒載組合，并考慮常年水位的浮力，不考慮季節(jié)性浸水的影響，其他外力，包括車輛荷載的作用均不考慮。,2、當填料為砂性土時 （1）浸水部分重度采用水中重度； （2）浸水前后的內(nèi)摩擦角不變； （3）破裂面為一平面，并且不考慮進水對破裂面的影響。,因此，浸水擋土墻土壓力Eb可采用不浸水時的土壓力Ea扣除因浮力影響而減少的土壓力Eb。,3、填土為黏性土時 由于粘性土浸水后c值明顯減小，要求將水位上下兩部分分為不同性質的土層進行計算。 先計算水位以上的土壓力E1；然后再將上層填土重量作為荷載,計算進水部分的土壓力E2；兩部分的矢量為全墻土壓。,第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計,1、一般防震措施, 1）盡可能采用重心低的墻身斷面形式。 2）基礎盡可能置于堅硬均質地層上；遇有軟粘土、飽和砂土或嚴重不均勻地基時，應采取適當措施進行加固處理。 3）宜采用漿砌片(塊)石、混凝土和鋼筋混凝土修筑。干砌片(塊)石的墻高須加以限制：設計烈度8度時，一般不超過5m；9度時，則不超過3m。 4）墻體應以垂直通縫分段，每段長度不宜超過5m。地基變化或地面標高突變處，也應設置通縫。 5）應嚴格控制砌筑質量，砂漿標號按非地震區(qū)要求提高一級采用。,2、地震荷載的計算,第八節(jié)輕型擋土墻,薄壁式擋土墻是鋼筋混凝土結構，包括懸臂式和扶壁式兩種主要型式。 懸臂式擋土墻由立壁和底板組成，有三個懸臂，即立壁、趾板和踵板。 當墻身較高時，可沿墻長一定距離立肋板（即扶壁）聯(lián)結立壁板與踵板，從而形成扶壁式擋墻。,1、薄壁式擋土墻,懸臂式和扶壁式結構示意圖,懸臂式和扶壁式擋土墻的結構穩(wěn)定性是依靠墻身自重和踵板上方填土的重力來保證，基底應力小。 特點：構造簡單、施工方便，墻身斷面較小，自身質量輕，可以較好地發(fā)揮材料的強度性能，能適應承載力較低的地基。 一般情況下，墻高6m以內(nèi)采用懸臂式，6m以上采用扶壁式。,懸臂式擋土墻結構受力示意,按一般庫倫理論計算作用于假想墻背AC上的土壓力Ea，此時墻背摩擦角=。,錨定式擋土墻也屬于輕型擋土墻，通常包括錨桿式和錨定板式兩種。 錨桿式擋土墻主要由預制的鋼筋混凝土立柱和擋土板構成墻面、與水平或傾斜的鋼錨桿聯(lián)合作用支擋土體，主要以埋置于巖土中的錨桿拉住立柱保證土體穩(wěn)定的。 錨定板式擋土墻則將錨桿換為拉桿，在其土中的末端連上錨定板。它不適于路塹，路堤施工容易實現(xiàn)。,2、錨定式擋土墻,1）錨定式擋土墻特點： (1)結構質量輕，與重力式擋土墻相比，可以節(jié)約大量的圬工和節(jié)省工程投資； (2)利于擋土墻的機械化、裝配化施工，可以提高勞動生產(chǎn)率； (3)不需要開挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困難，并利于施工安全。 缺點： 施工工藝要求較高，要有鉆孔、灌漿等配套的專用機械設備。 使用場合： 一般適用于路塹地段，也可應用于陡坡路堤。,2）、錨桿抗拔力 錨桿抗拔力的確定是錨桿擋土墻設計的基礎，它與錨桿錨固的形式、地層的性質、錨孔的直徑、有效錨固段的長度以及施工方法、填注材料等因素有關。,錨桿的類型： 摩擦型灌漿錨桿； 擴孔型灌漿錨桿,3）錨桿式擋土墻,錨桿是一種受拉桿件，它的一端與工程結構物聯(lián)結，另一端通過鉆孔、插入錨桿、灌漿、養(yǎng)護等工序錨固在穩(wěn)定的地層中，以承受土壓力對結構物所施加的推力，從而利用錨桿與地層間的錨固力來維持結構物的穩(wěn)定。,4）錨定板式擋土墻,錨定板擋土墻按墻面結構形式分為柱板式和壁板式。 柱板式擋土墻的墻面由肋柱與擋土板拼裝而成，根據(jù)運輸和吊裝能力可采用單根柱，也可以分段拼接，上下肋柱之間用榫連接。,第九節(jié)加筋土擋土墻,加筋土擋土墻是利用加筋土技術修建的支擋結構物。由填料、在填料中布置的拉筋以及墻面板三部分組成。 加筋土是一種在土中加入拉筋的復合土，它能改善土體的變形條件和提高其工程性能，從而達到穩(wěn)定土體的目的。 加筋土擋土墻屬于柔性結構，對地基變形適應性強，建筑高度也可很大，適于填土路基。須考慮其擋板后填土的滲水穩(wěn)定及地基變形對其影響，通過計算分析選用。,1、概述,加筋擋土