擋土墻設計課件

第四章?lián)跬翂υO計主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計第一節(jié)概述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、橋梁兩端及河岸壁等。第一節(jié)概述2、擋土墻的類型

按擋土墻位置分：路肩擋墻，路堤擋墻，路塹擋墻和山坡?lián)鯄Φ取?/p>

a）路肩擋墻、b）路堤擋墻c）路塹擋墻、d）山坡?lián)鯄Φ谝还?jié)概述

2、擋土墻的類型

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。第一節(jié)概述第一節(jié)概述

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。第一節(jié)概述3、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；橋梁兩端擋墻：護臺及連接路堤，作為翼墻或橋臺。第一節(jié)概述4、各式擋土墻的使用條件擋土墻類型

適用條件重力式擋土墻適用于一般地區(qū)、浸水地區(qū)和地震地區(qū)的路肩、路堤和路塹等支擋工程。墻高不宜超過12m，干砌擋土墻的高度不宜超過6m.半重力式擋土墻適用于不宜采用重力式擋土墻的地下水位較高或較軟的地基上，填高不宜超過8m。懸臂式擋土墻宜在石料缺乏，地基承載力較低的填方路段采用，墻高不宜超過5m。第一節(jié)概述4、各式擋土墻的使用條件擋土墻類型

適用條件扶壁式擋土墻宜在石料缺乏，地基承載力較低的填方路段采用，墻高不宜超過15m。錨桿式擋土墻宜用于墻高較大的巖質路塹地段，可用作抗滑擋土墻，可采用助柱式或板壁式單級墻或多級墻，每級墻高不宜大于8m，多級墻的上下級墻體之間應該設置寬度不小于2m的平臺。第一節(jié)概述5、擋土墻的破壞垮塌的重力式擋墻第一節(jié)概述5、擋土墻的破壞垮塌的護坡?lián)鯄χ饕獌热莸谝还?jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計①墻面（墻胸）

②墻背（俯斜、仰斜、垂直）有直線形墻背和折線形墻背之分

③墻頂及護欄

④墻底（墻趾、墻踵）⑤基礎：設計的主要內容包括基礎形式的選擇和基礎埋置深度的確定。⑥排水設施：通常由地面排水和墻身排水兩部分組成。墻身排水即在適當高度設置泄水孔。第二節(jié)擋土墻的構造1、擋土墻的構造

⑦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生的裂縫，須設置伸縮縫。第二節(jié)擋土墻的構造2、擋土墻的布置①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。②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?；A形式、埋置深度

擋墻基礎嵌入巖石地基深度表地基種類最小埋入深度h(m)襟邊寬度L(m)嵌入示意圖較完整的堅硬巖石0.250.25～0.50一般硬質巖石0.600.60～1.50軟質巖石≮1.001.00～2.00土質≮1.001.50～2.50第二節(jié)擋土墻的構造a)加寬墻趾，b)鋼筋混凝土底板，c)臺階基礎，d)拱形基礎排水設施第二節(jié)擋土墻的構造主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計第三節(jié)土壓力計算1、作用在擋土墻上的力系

確定擋土墻上的力系是擋土墻設計的關鍵，其中主要是確定土壓力。1）永久作用（主要力系）是指經(jīng)常作用于擋土墻的各種力：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）可變作用（附加力系）是季節(jié)性作用于擋土墻上的各種力，

包括季節(jié)性洪水時的靜水壓力及浮力、動水壓力、波浪沖擊力、冰脹壓力、冰壓力等。3）偶然作用（特殊力）是偶然出現(xiàn)的力

如地震力、施工荷載及水流漂浮物

的撞擊力等。第三節(jié)土壓力計算常用作用（或荷載）組合各種作用對于擋土墻的影響不同，出現(xiàn)的頻率也不同，應區(qū)別對待。一般地區(qū)擋土墻只計永久作用和基本可變作用。浸水地區(qū)、地震峰值加速度達到0.2g及以上地區(qū)、產生凍脹力地區(qū)，應計算其他可變作用和偶然作用。各種作用（或荷載）的組合分三種。第三節(jié)土壓力計算組合作用（或荷載）名稱組合Ⅰ擋土墻結構重力、墻頂上的有效永久荷載、填土重力、填土側壓力及其他永久荷載組合組合Ⅱ組合Ⅰ與基本可變荷載組合組合Ⅲ組合Ⅱ與其他可變荷載、偶然荷載組合常用作用（或荷載）組合第三節(jié)土壓力計算2、土壓力類型第三節(jié)土壓力計算

（1）墻體外移（2）墻體內移（3）墻體不移動不同土壓力下需滿足的條件1）主動土壓力Ea：①土推墻；②土體達到主動極限平衡狀態(tài)2）被動土壓力Ep：①墻推土；②土體達到被動極限平衡狀態(tài)3）靜止土壓力：土靜止不動第三節(jié)土壓力計算3、不同墻背傾斜形式的土壓力大小墻背傾斜形式：仰斜、直立和俯斜E1＜E2＜E3第三節(jié)土壓力計算4、路基擋土墻的土壓力考慮問題（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。擋土墻的土壓力計算理論第三節(jié)土壓力計算5、一般條件下庫侖主動土壓力計算第三節(jié)土壓力計算庫倫理論的基本假設：①當擋土墻向前滑移時，墻后土體將形成一個沿墻背AB和破裂平面BC向下滑動的破裂菱體ABC，此時土楔處于主動應力狀態(tài)。②墻后填土為均勻的無粘性土；擋土墻剛性，墻背傾斜；③墻面粗糙，墻背與土本之間存在摩擦力（δ＞0）；④滑動破裂面為通過墻踵的平面。庫侖土壓力理論：

從研究墻后宏觀土體的滑動出發(fā)，當破裂面棱體滑動時，土體處于極限平衡狀態(tài)，根據(jù)靜力平衡條件求算Ea。庫侖主動土壓力的計算圖示庫侖主動土壓力計算

第三節(jié)土壓力計算各種邊界條件下主動土壓力

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種圖示：第三節(jié)土壓力計算破裂面交于內邊坡，1線；破裂面交于荷載的內側、中

部和外側，2-4線；破裂面交于外邊坡；5線（1）破裂面交于內邊坡這一圖式適用于路堤式或路塹式擋土墻。第三節(jié)土壓力計算滑動土體重力最大土壓力（1）破裂面交于內邊坡這一圖式適用于路堤式或路塹式擋土墻。第三節(jié)土壓力計算第三節(jié)土壓力計算滑動土體自重土壓力當參數(shù)γ、φ、δ、α、β固定時，Ｅa隨破裂面的位置而變化，即Ｅa是破裂角θ的函數(shù)。為求最大土壓力Ｅa,首先要求對應于最大土壓力時的破裂角θ。第三節(jié)土壓力計算最大土壓力計算采用微分法，取dEa/dθ=0并整理化簡后得：式中各參數(shù)定義詳見教材P127將式求得的值代入，即可求得最大主動土壓力Ea值。a)交于荷載內側；b)交于荷載中部；c)交于荷載外側

第三節(jié)土壓力計算（2）破裂面交于路基面（3）破裂面交于荷載外側第三節(jié)土壓力計算各種邊界條件下主動土壓力計算過程方法原理首先確定產生最大土壓力的破裂面。計算時可先假定破裂面交于路基的位置（一般是先假定交于荷載中部），按此圖式及選擇其相應的計算公式算出角，再與原假定的破裂面位置（邊界條件）相比較，看是否相符。在個別情況下，可能出現(xiàn)驗證與假定不符，改變圖式后仍然不符，此時可假定破裂面交于兩種邊界條件的分界點（例如交于荷載邊緣）來計算破裂角。第三節(jié)土壓力計算計算步驟①假設破裂角θ，（一般假設交于荷載中部）并進行受力分析，確定Ea和G的關系公式。②土體重力G計算，分為5種情況。a:交于內邊坡第三節(jié)土壓力計算b:交于路基面:交于荷載內側:交于荷載中部:交于荷載外側第三節(jié)土壓力計算c:交于外邊坡第三節(jié)土壓力計算計算步驟①假設破裂角θ。②土體重力G計算a:交于內邊坡b:交于路基面c:交于外邊坡③求θ根據(jù)土體重力求得滑動土體壓力，采用數(shù)學微分法計算最大土壓力對應的θ值。

對于各種邊界條件下θ的求解結果參見教材公式（6-5），（6-10）及（6-14）第三節(jié)土壓力計算計算步驟①假設破裂角θ。②土體重力G計算③求θ④檢驗假設是否成立⑤將求得的θ帶入E，并求最大土壓力Emax6、大俯角墻背主動土壓力-第二破裂法第三節(jié)土壓力計算a:第二破裂面的計算圖示b:出現(xiàn)第二破裂面的條件幾何條件：墻背不能阻礙第二破裂面的產生，即墻背傾角必須小于第二破裂面的傾角；力學條件：第二破裂面于墻背間的土體不能下滑，即墻背上的下滑力必須小于抗滑力?；颈磉_式：與一般情形的土壓力計算比較，基本表達式包括兩個自變量，即多了第二破裂角。第三節(jié)土壓力計算基本極限狀態(tài)判斷：按二元函數(shù)的極值判別式計算，求得破裂角后也應檢驗假設條件是否屬實。第三節(jié)土壓力計算a.延長墻背法上下墻土壓力分別計算，上墻為一般擋土墻。延長下墻墻背后按一般擋土墻計算土壓力，然后在土壓力分布圖上截取下墻相應部分的土壓力作為下墻土壓力。這樣就得到了全墻的土壓力。7、折線墻背的土壓力計算第三節(jié)土壓力計算P134b.力多邊形法繪出上、下墻對應的力多邊形，上墻為一般擋土墻；由下墻的力四邊形建立基本表達式，求出下墻土壓力。第三節(jié)土壓力計算P135Ea-式6-2930

等效內摩擦角法（強度等效）按土體抗剪強度相等的原則，將粘結力轉化為內摩擦力，土體的內摩擦角增大為等效內摩擦角。實際墻高小于換算高時，偏于安全，反之亦然。8、粘性土土壓力計算第三節(jié)土壓力計算庫侖理論本來只考慮不具有粘聚力的砂性土的土壓力問題。當墻背填料為粘性土時，土的粘聚力對主動土壓力的影響很大，因此應考慮粘聚力的影響。可以以庫侖理論為基礎計算粘性土主動土壓力，但需要近似，主要有以下近似方法：自上而下分層計算，將計算層以上土體按超載處理即可。9、不同土層的土壓力計算第三節(jié)土壓力計算a.車輛荷載換算車輛荷載換算為等代均布土層作用于擋土墻的墻后填土上。其中荷載強度q按規(guī)范規(guī)定取用。10、車輛荷載換算及計算參數(shù)算第三節(jié)土壓力計算主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計第五節(jié)重力式擋土墻設計擋土墻穩(wěn)定性分析基底應力及合力偏心距驗算墻身截面強度驗算增加擋土墻穩(wěn)定性的措施G——作用于基底以上的重力；Ey——墻后主動土壓力的豎向分量；Ex——墻后主動土壓力的水平分量；α0——基底傾斜角度，基底水平時α0=0；μ——基底與地基間的摩擦系數(shù)。γQ1——主動土壓力分項系數(shù)，墻前被動土壓力分項系數(shù)；

擋土墻穩(wěn)定性分析1.抗滑穩(wěn)定性驗算滑動穩(wěn)定方程擋土墻穩(wěn)定性分析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。傾覆穩(wěn)定方程Zx——墻后主動土壓力的豎向分量到墻趾的距離；Zy——墻后主動土壓力的水平分量到墻趾的距離；ZG——墻身、基礎、基礎上填土重力及作用于墻頂?shù)钠渌奢d的豎向力合力重心到墻趾的距離。容許應力驗算法1抗滑穩(wěn)定驗算2抗傾覆穩(wěn)定驗算K0擋土墻穩(wěn)定性分析3.穩(wěn)定系數(shù)的要求荷載情況驗算項目檢定系數(shù)荷載組合Ⅰ、Ⅱ抗滑動Kc1.3抗傾覆K01.5荷載組合Ⅲ抗滑動Kc1.2抗傾覆K01.3施工荷載驗算抗滑動Kc1.2抗傾覆K01.2擋土墻穩(wěn)定性分析基底應力及合力偏心距驗算1.基底合力偏心距M——作用于基底形心的彎矩組合設計值。

N1——作用于基底上的垂直力組合設計值；各類作用（或荷載）組合下，計算作用效應組合設計值時，除被動土壓力分項系數(shù)外，其余作用（或荷載）的分項系數(shù)均規(guī)定為1。2.基底應力當時：當時（一般只出現(xiàn)在巖石地基上），需要作應力重分配：σ1——擋土墻趾部的壓應力；σ2——擋土墻踵部的壓應力；B——基底寬度，傾斜基底為傾斜寬度；A——基礎底面每延米的面積。基底應力及合力偏心距驗算3.地基承載力抗力值基底應力的設計值不得超過地基地基承載力的抗力值。地基承載力抗力值按《公路橋涵地基與基礎設計規(guī)范》的規(guī)定采用?；讘昂狭ζ木囹炈銐ι斫孛鎻姸闰炈?.強度計算計算斷面選擇墻身截面強度驗算1.強度計算正截面強度驗算Ni——驗算截面上的軸向力組合設計值；

γ0——結構重要性系數(shù)；

γk——圬工構件或材料的抗力分項系數(shù)；

Rk——材料抗壓極限強度；

A——擋土墻計算截面的面積；αk——軸向力偏心影響系數(shù)，按右式計算。墻身截面強度驗算2.穩(wěn)定計算Ψk——受壓構件在彎曲平面內的縱向彎曲系數(shù)。軸心受壓時可查規(guī)范取用；偏心受壓時由下式計算。H——墻高；αs——與材料有關的系數(shù)。增加擋土墻穩(wěn)定性的措施1.增加抗滑穩(wěn)定性的措施設置傾斜基底

①傾斜基底的傾斜程度越大，抗滑穩(wěn)定性越高；②土質地基，基底傾斜不超過1:5；巖石地基，不超過1:3；③驗算擋土墻抗滑穩(wěn)定性時，除驗算基底抗滑穩(wěn)定性外，對于傾斜基底，還應驗算通過墻踵的水平面I-I上的抗滑穩(wěn)定性。增加擋土墻穩(wěn)定性的措施1.增加抗滑穩(wěn)定性的措施凸榫基礎可以明顯提高擋土墻的抗滑穩(wěn)定性；榫的高度不宜太高；因為產生被動土壓力需要很大的位移，實際上不允許擋土墻發(fā)生如此大的位移，因此，一般只考慮1/3的榫前被動土壓力。增加擋土墻穩(wěn)定性的措施2.增大抗傾覆穩(wěn)定性的措施展寬墻趾：展寬寬墻趾增大了抗傾覆力的力臂，對增大抗傾覆穩(wěn)定性有顯著效果。但要注意趾部長度和厚度的協(xié)調，避免展寬的趾部被折斷。改變墻面及墻背坡度：改變墻面和墻背的坡度，可能有兩方面的作用，一是使墻身的重心后移；二是減少土壓力。增加擋土墻穩(wěn)定性的措施改變墻身斷面類型：改變墻身斷面類型，從多方面影響擋土墻的抗傾覆能力，根據(jù)不同的改變，可以減少土壓力、可以增大抗傾覆力、可以增大抗傾覆力的力臂等等衡重式擋土墻設計衡重式擋土墻與一般重力式擋土墻設計沒有本質區(qū)別，計算稍有差異，一是上墻俯角大，計算的是假想墻背的土壓力，另需計算實際墻背的土壓力；二是需要驗算衡重臺處墻身斜截面的強度，在驗算斜截面時，需要尋找最危險斜截面，計算最大剪應力。驗算方法與一般重力式擋土墻一致。主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計第六節(jié)浸水路堤擋土墻設計水對墻后填料和墻身的影響浸水擋土墻土壓力計算靜水壓力、動水壓力和上浮力浸水擋土墻穩(wěn)定性驗算水對墻后填料和墻身的影響填料受到水的浮力作用而使土壓力減小；砂性土的內摩擦角受水的影響不大；粘性土浸水后抗剪強度顯著降低；墻背與墻面均受到靜水壓力。當有水位差時，墻身受到靜水壓力差所引起的推力；墻外水位驟然降落，墻后填料內出現(xiàn)滲流時產生滲透動水壓力。滲水性填料，動水壓力一般很小，可略而不計；墻身受到水的浮力作用，抗傾覆及抗滑動穩(wěn)定性減弱。浸水擋土墻土壓力計算1.填料為砂性土計算時的假設浸水部分填料單位重量采用浮容重；浸水前后的內摩擦角不變；破裂面仍為平面，由于浸水后破裂面的變動對于計算土壓力的影響不大，因而不考慮浸水的影響。土壓力計算：在前述假設下，土壓力計算與一般情形相似，只需扣除計算水位以下因浮力影響而減少的土壓力。浸水擋土墻土壓力計算2.填料為粘性土浸水的主要影響：填料的強度明顯下降，主要是c值顯著降低。處理方法：將計算水位上、下的填料作為不同性質的土層對待。按分層土計算土壓力，水位以上的土層按非浸水的一般情形計算；計算水位以下的土層，重度取浮容重，其上的填土重量作為荷載，按浮容重換算為均布土層，再按一般情形計算土壓力，截取水位以下的土壓力。這樣就獲得了全墻的土壓力。浸水擋土墻土壓力計算2.填料為粘性土計算圖式浸水擋土墻土壓力計算靜水壓力、動水壓力和上浮力1.動水壓力當填料透水性不大，墻前水位低，墻后水位高，墻后填料中因滲流而產生動水壓力。靜水壓力、動水壓力和上浮力2.靜水壓力和浮力靜水壓力：計算水位以下的墻面和墻背受到靜水壓力。浮力：當基底透水時，擋土墻還受到浮力，計算的浮力在根據(jù)基底的透水情況折減。浸水擋土墻穩(wěn)定性驗算1.驗算方法某一水位下，擋土墻的驗算過程與一般情形下的擋土墻相同，只是擋土墻上的力系不同。水位高低影響擋土墻的穩(wěn)定性。并且，對不同的驗算指標，影響不同，因此要分別找出最不利水位。只有在最不利情況下使擋土墻滿足穩(wěn)定性要求，才能保證擋土墻的完全穩(wěn)定。浸水擋土墻穩(wěn)定性驗算2.最不利水位求算對高水位和低水位之間的不同水位進行試算，找出最不利的水位，此時的穩(wěn)定性最差。為了最快找出最不利水位，一般采用優(yōu)選法確定試算水位。主要內容第一節(jié)概述第二節(jié)擋土墻的構造第三節(jié)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)浸水擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計第七節(jié)地震地區(qū)擋土墻設計地震荷載的計算地震作用下的土壓力地震條件下?lián)跬翂Φ姆€(wěn)定一般防震措施基本規(guī)定地震烈度達到8級或以上，或者地震時可能產生大規(guī)模滑坡、崩塌等嚴重災害時，擋土墻設計應考慮地震力的作用；考慮地震力時，只考慮恒載和常水位的浮力，不考其他慮荷載的作用。地震荷載的計算1.地震力由于豎向地震力的影響小，擋土墻設計中只考慮水平地震力的影響。作用于擋土墻和破裂棱體重心上的最大水平地震力為C1——重要性修正系數(shù)；CZ——綜合修正系數(shù)；KH——水平地震系數(shù)，水平地