1、 1 / 20挡土墙设计第 8-1 节 概述一、挡土墙的分类及用途为防止路基填土或山坡土体坍塌而修筑的承受土体侧压力的墙式构造物，称为挡土墙。在公路工程中，它广泛地用于支撑路堤填土或路堑边坡，以及桥台、隧道洞口和河流堤岸等处。路基工程中，挡土墙的建筑费用较高，故路基设计时，应与其他可能的工程方案进行技术经济比较，择优选定。公路工程中的挡土墙主要按下述几种方法进行分类。按照挡土墙设置的位置，挡土墙可分为：路堑墙、路堤墙、路肩墙和山坡墙等类型，如图 2-5-1 所示。按照结构形式，挡土墙可分为：重力式挡土墙、锚定式挡土墙、薄壁式挡土墙、加筋土挡土墙等。按照墙体材料，挡土墙可分为：石砌挡土墙、混凝土
2、挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙等。挡土墙各部分名称如图 2-5-1a)所示。靠回填土或山体的一侧面称为墒背；外露的一侧面称为墙面也称墙胸；墙的顶面部分称为墙顶；墙的底面部分称为基底或墙底；墙面与墙底的交线称为墙趾；墙背与墙底的变线称为墙踵；墙背与铅垂线的夹角称为墙背倾角 a。挡土墙设置位置不同，其用途也不相同。路堑墙设置在路堑边坡底部，主要用于支撑开挖后不能自行稳定的山坡，同时可减少挖方数量，降低挖方边坡的高度(图 2-5-1a)。路堤墙设置在高填土路提或陡坡路堤的下方，可以防止路堤边坡或路堤沿基底滑动，同时可以收缩路堤坡脚，减少填方数量，减少拆迁和占地面积(图 2-5-1b)。路肩墙设
3、置在路肩部位，墙顶是路肩的组成部分，其用途与路堤墙相同。它还可以保护临近路线的既有的重要建筑物(图 2-5-1c)。沿河路堤，在傍水的一侧设置挡土墙，可以防止水流对路基的冲刷和侵蚀，也是减少压缩河床的有效措施(图 2-5-1d)。山坡墙设置在路堑或路堤上方，用于支撑山坡上可能坍滑的覆盖层、破碎岩层或山体滑坡(图 2-5-1e、图 2-5-1f)。2 / 20为一个整体。在这个整体中起控制作用的是填土与拉筋之间的摩擦力。面板的作用是阻挡填土坍落挤出，迫使填土与拉筋结合为整体。加筋土挡土墙属于柔性结构，对地基变形适应性大，建筑高度大，具有省工、省料、施工方便、快速等优点，适用于填土路基。3锚定式挡
4、土墙锚定式挡土墙可分为锚杆式和锚定板式两种。锚杆式挡土墙是由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面，与水平或倾斜的钢锚杆联合组成，如图 2-5-3a)所示。锚杆的一端与立柱连接，另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中。墙后侧向土压力由挡土板传结立柱，由锚杆与稳定岩层或上层之间的锚固力，使墙获得稳定。它适用于墙高较大，缺乏石料或挖基困难地区，具有锚固条件的路堑挡土墙。锚定板式挡土墙是由钢筋混凝土墙面、钢拉杆、锚走板以及其间的填土共同形成的一种组合挡土结构，如图2-5-3b)所示。它借助于埋在填土内的锚定板的抗拔力抵抗侧土压力，保持墙的稳定。锚定式挡土墙的特点在于构件断面小，工程量省，不受地基承载
5、力的限制，构件可顶制有利于实现结构轻型化和施工机械化。它适用于缺乏石料地区的路肩墙或路堤墙；4薄壁式挡土墙薄壁式挡土墙属于钢筋混凝土结构，可以分为悬臂式和扶壁式两种。3 / 20第 8-2 节 重力式挡土墙的构造与布置常用的重力式挡土墙，一般由墙身、基础、排水设施和沉降、伸缩缝等几部分组成。(一) 墙身1墒背根据墙背倾斜方向的不同，墙身断面形式可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线式和衡重式等几种如图 2-5-5所示。以仰斜、垂直和俯斜式三种不同的墙背所受的土压力分析，在墙高和墙后填料等条件相同时，仰斜墙背所受的土压力为最小，垂直墙背次之，俯斜墙背较大；因此仰斜式的墙身断面较经济。用于路堑墙时，墙背
6、与开挖的临时边坡较贴合，开挖量与回填量均较小。但当墙趾处地面横坡较陡时，采用仰斜式墙背会增加墙高，断面增大。故仰斜墙背适用于路堑墙及墙趾处地面平坦的路肩墙或路堤墙。仰斜墙背的坡度愈缓，所受的土压力愈小，但施工愈困难，故仰斜墙背的坡度不宜缓于 1：0.3。俯斜墙背所受的土压力较大，相对而言，俯斜墙背的断面比仰斜式要大。但当地面横坡较陡时，俯斜式挡土墙可采用陡直的墙面，从而减小墙高。俯斜墙背的坡度缓些固然对施工有利，但所受的土压力亦随之增加，致使断面增大，因此墙背坡度不宜过缓，通常控制 a2148(即 1：0.4) 。垂直墙背的持点介于仰斜和俯斜墙背之间。凸形折线墙背系将仰斜式挡土墙的上部墙背改为
7、俯斜，以减小上部断面尺寸，故其断面较为经济，多用于路堑墙，也可用于路肩墙。衡重式墙背可视为在凸形折线式的上下墙之间设一衡重台，并采用陡直的墙面。上墙俯斜墙背的坡度通常为 1：0.251：0.45，下墙仰斜墙背的坡度一般在 1：0.25 左右，上下墙的墙高比一般为 2：3。适用于山区地形陡峻处的路肩墙和路堤墙，也可用于路堑墙。2墙面墙面一般为平面，墙面坡度除应与墙背的坡度相协调外，还应考虑到墙趾处地面的横坡度(影响挡土墙的高度)。当地面横坡度较陡时，墙面可直立或外斜 1：0.051：0.20，以减少墙高；当地面横坡平缓时，一般采用1：0.201：0.35 较为经济。3墙顶4 / 20重力式挡土墙
8、可采用浆砌或干砌圬工。墙顶最小宽度，浆砌时边不小于 50cm；干砌时应不小于 60cm。干砌挡土墙的高度一般不宜大于 6m。浆砌挡土墙墙顶应用 5 号砂浆抹平，或用较大石块砌筑，并勾缝。浆砌路肩墙墙顶宜采用粗料石或混凝土做成顶帽，厚度取 40cm。干砌挡土墙顶部 50cm 厚度内，宜用 5 号砂浆砌筑，以求稳定。4护栏为增加驾驶员心理上的安全感，保证行车安全，在地形险峻地段的路肩墙，或墙顶高出地面 6m 以上且连续长度大于 20m 的路肩墙，或弯道处的路肩墙的墙顶应设置护栏等防护设施。护栏分墙式和柱式两种，所采用的材料，护拦高度、宽度，视实际需要而定。护栏内侧边缘距路面边缘的距离，应满足路肩最
9、小宽度的要求。(二) 基础地基不良和基础处理不当，往往引起挡土墙的破坏，因此，应重视挡土墙的基础设计。基础设计的程序是：首先应对地基的地质条件作详细调查，必要时须做挖探或钻探，然后再来确定基础类型与埋置深度。1基础类型当地基承载力不足且墙趾处地形平坦时，挡土墙大多数都是直接砌筑在天然地基上的浅基础。为减少基底应力和增加抗倾覆稳定性，常常采用扩大基础，如图 2-5-6a)所示，将墙趾部分加宽成台阶，或墙趾墙踵同时加宽，以加大承压面积。加宽宽度视基底应力需要减少的程度和加宽后的合力偏心距的大小而定，一船不小于 20cm。台阶高度按基础材料的刚性角的要求确定，对于砖、片石、块石、粗料石砌体，当用低于
10、 5 号的砂浆砌筑时，刚性角应不大于 35；对混所示。台阶的高宽比应不大于 2：1台阶宽度不宜小于 50cm。最下一个台阶的宽度应满足偏心距的有关规定，并不宜小于 1.52.0m。如地基有短段缺口(如深沟等 )或挖基因难(如局部地段地基软弱等)，可采用拱形基础，如图 2-5-6d)所示，以石砌拱圈跨过，再在其上砌筑墙身。但应注意土压力不宜过大。以免横向推力导致拱圈开裂。设计时应对拱圈予以验算。当地基为软弱土层，如淤泥、软粘土等，可采用砂砾、碎石、矿渣或石灰土等材料予以换填，以扩散基底压应力，使之均匀地传递到下卧软弱土层中。2基础埋置深度挡土墙基础，应视地形、地质条件埋置足够的深度，以保证挡土墙
11、的稳定性。设置在土质地基上的挡土墙，基底埋置深度应符合下列要求：无冲刷时，一般应在天然地面下不小于 1.0m；有冲刷时，应在冲刷线下不小于 1.0m；受冻胀影响时，应在冰陈线以下不小于 0.25m。非冰胀土层中的基础，例如岩石、卵石、砾石、中砂或粗砂等，埋置深度可不受冻深的限制。挡土墙基础设置在岩石上时，应清除表面风化层；当风化层较厚难以全部清除时，可根据地基的风化程度及其相应的容许承载力将基底埋在风化层中。当墙趾前地面横坡较大时，基础埋置深度用墙趾前的安全襟边宽度 l 来控制，以防地基剪切破坏。襟边宽度见表 2-5-1。5 / 20(三)排水设施挡土墙的排水处理是否得当，直接影响到挡土墙的安
12、全及使用效果。因此，挡土墙应设置排水设施，以疏干墙后坡料中的水分，防止地表水下渗造成墙后积水，从而使墙身免受额外的静水压力；消除粘性土填料因含水量增加产生的膨胀压力；减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力。挡土墙的排水设施通常内地面排水和墙身排水两部分组成。地面排水可设置地面排水沟，引排地面水；夯实回填土顶面和地面松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可加设铺砌；对路堑挡土墙墙趾前的边沟应予以铺砌加固，以防止边沟水渗入基础。墙身排水主要是为了迅速排除墙后积水。浆砌挡土墙应根据渗水量在墙身的适当高度处布置泄水孔。如图 2-5-7 所示。泄水孔尺寸可视泄水量大小分别采用 5cm10cm、10cm10cm、1
13、5cm 20cm 的方孔，或直径 510cm 的圆孔。泄水孔间距一般为 23M，上下交错设置。最下排泄水孔的底部应高出墙趾前地面0.3m；当为路堑墙时，出水口应高出边沟水位 0.3m：若为浸水挡土墙则应高出常水位以上 0.3m，以避免墙外水流倒灌。为防止水分渗入地基，在最下一排泄水孔的底部应设置 30cm 厚的粘土隔水层。在泄水孔进口处应设置粗粒料反滤层，以避免堵塞孔道。当墙背填土透水性不良或有冻胀可能时，应在墙后最低一排泄水孔到墙顶 0.5m 之间设置厚度不小于 0.3m 的砂、卵石排水层或采用土工布。干砌挡土墙围墙身透水可不设泄水孔。挡墙排水孔6 / 20(四) 沉降缝和仲缩缝为了防止因地
14、基不均匀沉陷而引起墙身开裂，应根据地基的地质条件及墙高、墙身断面的变化情况设置沉降缝；为了防止圬工砌体因砂浆硬化收缩和温度变化而产生裂缝，须设置伸缩缝。通常把沉降缝与伸缩缝合并在一起，统称为沉降伸缩缝或变形缝。沉降伸缩缝的间距按实际情况面定，对于非岩石地基，宜每隔 1015m 设置一道沉降伸缩缝；对于岩石地基，其沉降伸缩缝间距可适当增大。沉降伸缩缝的缝宽般为 23cm。浆砌挡土墙的沉降伸缩缝内可用胶泥填塞，但在渗水量大、冻害严重的地区，宜用沥青麻筋或沥青木板等材料，沿墙内、外顶三边填塞，填深不宜小于 15m；当墙背为填石且冻害不严重时，可仅留空隙，不嵌填料。对于干砌挡土墙，沉降伸缩缝两侧应选平
15、整石料砌筑，使具形成垂直通缝。沉降缝二、挡土墙的布置挡土墙的布置是挡土墙设计的一个重要内容，通常是在路基横断面图和墙趾纵断面图上进行，个别复杂的挡土墙尚应作平面布置。(一) 横向布置横向布置主要是在路基横断面图上进行，其内容有：选择挡土墙的位置、确定断面形式、绘制挡土墙横断面图等。1挡土墙的位置选择路堑挡土墙，大多设置在边沟的外侧。路肩墙应保让路基宽度布设。路堤墙应与路肩墙进行技术经济比较，以确定墙的合理位置。当路堤墙与路肩墙的墙高或圬工数量相近，其基础情况亦相仿时，宜做路肩，因为采用路肩墙可减少填方和占地；但当路堤墙的墙高或圬工数量比路肩墙显著降低，且基础可靠时，则宜做路堤墙。浸水挡土墒应结
16、合河流情况布置，以保持水流顺畅，不致挤压河道而引起局部冲刷。山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处，墙的高度应保证墙后墙顶以上边坡的稳定性。2确定断面形式，绘制挡土墙横断面图不论是路堤墙，还是路肩墙当地形陡峻时，可采用俯斜式或衡重式；地形平坦时，则可采用仰斜式。对路堑墙来说，宜采用仰斜式或折线式。挡土墙横断面图的绘制，选择在起讫点、墙高最大处、墙身断面或基础形式变异处，以及其他必须桩号处的横断面图上进行。根据墙身形式、墙高和地基与填料的物理力学指标等设计资料，进行设计或套用标准图，确定墙身断面尺寸，基础形式和埋置深度，布置排水设施，指定墙背填料的类型等。(二) 纵向布置纵向布置主要在墙趾纵断面图上进行
17、，布置后绘制挡土墙正面图，如图 2-5-8 所示。7 / 201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连接方式。路肩墙与路堑连接应嵌入路堑中 23m；与路堤连接采用锥坡和路堤衔接；与桥台连接时为了防止墙后回填土从桥台尾端与挡土墙连接处的空隙中溜出，应在台尾与挡土墙之间设置隔墙及接头墙。路堑挡土墙在隧道洞口比结合隧道洞门、翼墙的设置情况平顺衔接；与路堑边坡衔接时，一般将墙顶逐渐降低到 2m 以下，使边坡坡脚不致于伸人边沟内，有时也可用横向端墙连接。2按地基及地形情况进行分段，布置沉降伸缩缝的位置。3布置各段挡土墙的基础。沿挡土墙长度方向有纵坡时，挡土墙的纵向基底宜做成不大于 5
18、的纵坡。当墙址地面纵坡不超过 5时基底可按此纵坡市置；若大于 5时，应在纵向挖成台阶，台阶的尺寸随地形而变化，但其高宽比不宜大于 1：2。地基为岩石时，纵坡虽不大于 5，为减少开挖，也可在纵向做成台阶。1 布置泄水孔和护栏(护桩或护墙 )的位置，包括数量、尺寸和间距。5标注各特征断面的桩号，及墙顶、基础、基底、冲刷线、冰冻线相设计洪水位的标高等。(二) 平面布置对于个别复杂的挡土墙，如高的、长的沿河挡土墙和曲线路段的挡上墙除了横、纵向布置外，还应作平面布置，并绘制平面布置图。在平面图上，应标示挡土墙与路线平面位置的关系，与挡土墙有关的地物、地貌等情况，沿河挡土墙还应标示河道及水流方向，以及其他
19、防护、加固工程等。在挡土墙设计图纸上，应附有简要说明，说明选用挡土墙设计参数的依据，主要工程数量，对材料和施工的要求及注意事项等以利指导施工。1根据具体情况，通过技术和经济比较，确定墙趾位置；2测绘墙趾处的纵向地面线，核对路基横断面图，收集墙趾处的地质和水文等资料；3选择墙后填料，确定填料的物理力学计算参数和地基计算参数；4进行挡土墙断面形式、构造和材料设计，确定有关计算参数；5进行挡土墙的纵向布置；6用计算法或套用标堆图确定挡土墙的断面尺寸；7绘制挡土墙立面、横断面和平面图。第 8-3 节 重力式挡土墙计算当挡土墙的位置、墙高和断面形式确定后，挡土墙的断面尺寸可通过试算的方法确定，其程序是：
20、根据经验或标准图，初步拟定断面尺寸；计算侧向土压力；进行稳定性验算和基底应力与偏心距验算；当验算结果满足要求时，初拟断面尺寸可作为设计尺寸；当验算结果不能满足要求时，采取适当的措施使其满足要求，或重新拟定断面尺寸，重新计算，直至满足要求为止。一、库仑主动土压力计算挡土墙是支挡土体的结构物，它的断面尺寸与稳定性主要取决于土压力；挡土墙的位移情况不同，可以形成不同性质的土压力。当挡土墙受土体侧压力作用向外位移或倾覆时，土压力随之减小，直到8 / 20墙后土体达到向下滑动的极限平衡状态时作用于墙背的土压力称为主动土压力；当挡土墙由于外力作用(如拱桥桥台受到拱圈的推力)向土体挤压移动时，土压力随之增大
21、，直到墙后土体达到向上滑动的极限平衡状态时，土体对墙的抗力称为被动土压力；当挡土墙在原来位置面不产生位移时，作用于墙背的土压力称为静止土压力。路基挡土墙都可能向外位移或倾覆，墙背受到的土压力为主动土压力。对于墙趾前土体的被动土压力(即墙前土的反推力 )，为偏于安全，往往略去不计。挡土墙承受的主动土压力，一般可按库仑理论计算。库仑土压力理论假定：墙后填土是松散的、匀质的砂性土；墙体产生位移使墙后填土达到极限平衡状态，将形成一个滑动土楔体 ADC，如图 2-5-9 所示；其滑裂面是通过墙脚的两个平面，一个是墙背 AD 面另个是通过墙脚的 AC 面；滑动土楔体是一个刚性整体。根据土楔体静力平衡条件，
22、可解出墙背上的土压力。本节结合路基挡土墙的设计，介绍库仑主动土压力计算方法的具体应用。9 / 20虑在内摩擦角这一参数内，按砂性土的公式计算其主动土压力。可以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换算内摩擦角 D值；通常把粘性土的内摩擦角值增大 510。作为换算内摩擦角，或取换算内摩擦角值为3035。此法虽然简单，但是，由于影响土压力数值的因素是多方面的，采用上述换算内摩擦角值，只与某一特定的墙高相适应，对于墙高小于 6m 的矮墙是偏于安全的，对于墙高大于 6m 的高墙则偏于危险。因此，对于矮墙尚可采用这个数值，而对于高墙则应按墙高酌情降低换算内摩擦角，最好核实际的 c、 值计算粘性土的主动土应力。1 力多边形法(数解法)10 / 20
