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《路基路面工程》之挡土墙设计 - 专业技术人员继续教育培训 - 子非鱼职称培训论坛 子非鱼...

2010-08-31  刘济贤
路基在遇到下列情况时可考虑修建挡土墙:
(1)        路基位于陡坡地段或岩石风化的路堑边缘地段;
(2)        为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段;
(3)        可能产生塌方、滑坡的不良地质路段;
(4)        水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段;
(5)        为节约用地、减少拆迁或少占农田的地段;
(6)        为保护重要建筑物、生态环境或其它特殊需要的地段。
一、挡土墙的布置
挡土墙的布置,通常在路基横断面图和墙趾纵断面图上进行。布置前,应现场核对路基横断面图,不足时应补测;测绘墙趾处的纵断面图,收集墙趾处的地质和水文等资料。
1.挡土墙位置的选定
路堑挡土墙大多数设在边沟旁。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。
当路肩墙与路堤墙的墙高或截面圬工数量相近、基础情况相似时,应优先选用路肩墙,按路基宽布置挡土墙位置,因为路肩挡土墙可充分收缩坡脚,大量减少填方和占地。若路堤墙的高度或圬工数量比路肩墙显著降低,而且基础可靠时,宜选用路堤墙,并作经济比较后确定墙的位置。
沿河路堤设置挡土墙时,应结合河流情况来布置,注意设墙后仍保持水流顺畅,不致挤压河道而引起局部冲刷。
2.挡土墙的纵向布置
挡土墙纵向布置在墙趾纵断面图上进行,布置后绘成挡土墙正面图。
布置的内容有:
(1)确定挡土墙的起迄点和墙长,选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。
路肩挡土墙端部可嵌入石质路堑中,或采用锥坡与路堤衔接,与桥台连接时,为了防止墙后回填土从桥台尾端与挡墙连接处的空隙中溜出,需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应结合隧道洞门、翼墙的设置做到平顺衔接;与路堑边坡衔接时,一般将墙高逐渐降低至2m以下,使边坡坡脚不致伸入边沟内,有时也可与横向端墙连接。
(2)按地基及地形情况进行分段,确定伸缩缝与沉降缝的位置。
(3)布置各段挡土墙的基础。墙趾地面有纵坡时,挡土墙的基底宜做成不大于5%的纵坡。但地基为岩石时,为减少开挖,可沿纵向做成台阶。台阶尺寸视纵坡大小而定,但其高宽比不宜大于1:2。
(4)布置泄水孔的位置,包括数量、间隔和尺寸等。
在布置图上注明各特征点的桩号,以及墙顶、基础顶面、基底、冲刷线、冰冻线、常水位线或设计洪水位的标高等。
3.挡土墙的横向布置
横向布置,选择在墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处,以及其它必须桩号处的横断面图上进行。根据墙型、墙高及地基与填料的物理力学指标等设计资料,进行挡土墙设计或套用标准图,确定墙身断面、基础形式和埋置深度,布置排水设施等,并绘制挡土墙横断面图。
4.平面布置
对于个别复杂的挡土墙,如高、长的沿河曲线挡土墙,应作平面布置,绘制平面图,标明挡土墙与路线的平面位置及附近地貌与地物等情况,特别是与挡土墙有干扰的建筑物的情况。沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向,防护与加固工程等。
在以上设计图纸上,可标写简要说明。必要时可另编设计说明书,说明选用挡土墙方案的理由、选用挡土墙结构类型和设计参数的依据、对材料和施工的要求、注意事项以及主要工程数量等,如采用标准图,应注明其编号。
二、挡土墙的构造
挡土墙的构造必须满足强度和稳定性的要求,同时考虑就地取材、结构合理、断面经济、施工养护方便与安全。
常用的重力式挡土墙一般是由墙身、基础、排水设施和伸缩缝等部分组成。
1.墙身构造
(一)墙背
重力式挡土墙的墙背,可做成仰斜、垂直、俯斜、凸形折线和衡重式等型式(图6-25)。

图6-25重力式挡土墙的断面形式
a)仰斜;b)垂直;c)俯斜;d)凸形折线;e)衡重式
仰斜墙背所受的土压力小,故墙身断面较经济。用于路堑墙时,墙身与开挖面边坡较贴合,故开挖量与回填量均较小。但当墙趾处地面横坡较陡时,会使墙身增高,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。仰斜墙背的坡度不宜缓于1:0.3,以免施工困难。
俯斜墙背所受的土压力较大。在地面横坡陡峻时,俯斜式挡土墙可采用陡直的墙面,借以减小墙高。俯斜墙背也可做成台阶形,以增加墙背与填料间的摩擦力。
垂直墙背的特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俯斜,以减小上部断面尺寸,多用于路堑墙,也可用于路肩墙。
衡重式墙在上下墙之间设衡重台,并采用陡直的墙面。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。上墙俯斜墙背的坡度1:0.25~1:0.45,下墙仰斜墙背在1:0.25左右,上下墙的墙高比一般采用2:3。
(二)墙面
墙面一般均为平面,其坡度应与墙背坡度相协调。墙面坡度直接影响挡土墙的高度。因此,在地面横坡较陡时,墙面坡度一般为1:0.05~1:0.20,矮墙可采用陡直墙面;地面平缓时,一般采用1:0.20~1:0.35较为经济。
(三)墙顶
墙顶最小宽度,浆砌挡土墙不小于50cm,干砌不小于60cm。浆砌路肩墙墙顶一般宜采用粗石料或混凝土做成顶帽,厚40cm。如不做顶帽,对路堤墙和路堑墙,墙顶应以大块石砌筑,并用砂浆勾缝,或用5号砂浆抹平顶面,砂浆厚2cm。干砌挡土墙墙顶50cm高度内,应用25号砂浆砌筑,以增加墙身稳定。干砌挡土墙的高度一般不宜大于6m。
(四)护栏
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。为保持土路肩最小宽度,护栏内侧边缘距路面边缘的距离,二、三级路不小于0.75m,四级路不小于0.5m。
2.基础

图6-26 重力式挡土墙的基础类型
a)墙趾或墙踵部分加宽;b)钢筋混凝土底板;
c)换填地基;d)台阶基础;e)拱形基础
地基不良和基础处理不当,往往会引起挡土墙的破坏,因此必须重视挡土墙的基础设计,事先应对地基的地质条件作详细调查,必要时须先作挖探或钻探,然后再来确定基础类型与埋置深度。
(一)基础类型
绝大多数挡土墙,都直接修筑在天然地基上。
当地基承载力不足,地形平坦而墙身较高时,为了减小基底压应力和增加抗倾覆稳定性,常常采用扩大基础(图6-12a),将墙趾或墙踵部分加宽成台阶,或两侧同时加宽,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,一般不小于20cm。台阶高度按加宽部分的抗剪、抗弯拉和基础材料的刚性角的要求确定(刚性角:浆砌片石35°,混凝土45°)。
当地基压应力超过地基承载力过多时,需要的加宽值较大,为避免加宽部分的台阶过高,可采用钢筋混凝土底板(图6-12b),其厚度由剪力和主拉应力控制。
地基为软弱土层(如淤泥、软粘土等)时,可采用砂砾、碎石、矿渣或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,如图6-12c)。一般换填深度h2与基础埋置深度h1之总和不宜超过5m,对淤泥和泥炭等应更浅些。
当挡土墙修筑在陡坡上,而地基又为完整、稳固、对基础不产生侧压力的坚硬岸石时,可如图6-12d)所示,设置台阶基础,以减少基坑开挖和节省圬工。分台高一般约1m左右,台宽视地形和地质情况而定,不宜小于0.2m,高宽比可以采用3:2或2:1。最下一个台阶的底宽应满足偏心距的有关规定,不宜小于1.5~2.0m。
如地基有短段缺口(如深沟等)或挖基困难(如需水下施工等),可采用拱形基础,以石砌拱圈跨过,再在其上砌筑墙身(图6-12e),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,对拱圈应予验算。
(二)基础埋置深度
对于土质地基,基础埋置深度应符合下列要求:
(1)无冲刷时,应在天然地面以下至少1m;
(2)有冲刷时,应在冲刷线以下至少1m;
(3)受冻胀影响时,应在冻结线以下不少于0.25m。当冻深超过1m时,采用1.25m,但基底应夯填一定厚度的砂砾或碎石垫层,垫层底面亦应位于冻结线以下不少于0.25m。
碎石、砾石和砂类地基,不考虑冻胀影响,但基础埋深不宜小于1m。
对于岩石地基,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容许承载力将基底埋入风化层中。基础嵌入岩层的深度,可参照表6-2确定。墙趾前地面横坡较大时,应留出足够的襟边宽度(趾前至地面横坡的水平距离),以防止地基剪切破坏(见表6-2)。
表6-2        基础嵌入岩层的深度
岩层种类        基础埋深h(m)        襟边宽度L(m)        嵌入示意图
较完整的坚硬岩石        0.25        0.25~0.5         
一般岩石(如砂页岩互层等)        0.6        0.6~1.5       
松散岩石(如千枚岩等)        1.0        1.0~2.0       
砂夹砾石        ≥1.0        1.5~2.5       
当挡土墙位于地质不良地段,地基土内可能出现滑动面时,应进行地基抗滑稳定性验算,将基础底面埋置在滑动面以下,或采用其它措施,以防止挡土墙滑动。
3.排水设施
挡土墙应设置排水措施,以疏干墙后土体和防止地面水下渗,防止墙后积水形成静水压力,减少寒冷地区回填土的冻胀压力,消除粘性土填料浸水后的膨胀压力。
排水措施主要包括:设置地面排水沟,引排地面水;夯实回填土顶面和地面松土,防止雨水及地面水下渗,必要时可加设铺砌;对路堑挡墙墙趾前的边沟应予以铺砌加固,以防边沟水渗入基础;设置墙身泄水孔,排除墙后水。
浆砌块(片)石墙身应在墙前地面以上设一排泄水孔(图6-27)。墙高时,可在墙上部加设一排汇水孔。汇水孔的尺寸一般为5×10cm、10×10cm、15×20cm的方孔或直径为5~10cm的圆孔。孔眼间距一般为2~3m,对于浸水挡土墙孔眼间距一般1.0~1.5m,干旱地区可适当加大,孔眼上下错开布置。下排排水孔的出口应高出墙前地面0.3m;若为路堑墙,应高出边沟水位0.3m;若为浸水挡土墙,应高出常水位0.3m。为防止水分渗入地基,下排泄水孔进水口的底部应铺设30cm厚的粘土隔水层。泄水孔的进水口部分应设置粗粒料反滤层,以免孔道阻塞。当墙背填土透水性不良或可能发生冻胀时,应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m的范围内铺设厚度不小于0.3m的砂卵石排水层(图6-27c)。
干砌挡土墙因墙身透水,可不设泄水孔。

图6-27 泄水孔及排水层
4.沉降缝与伸缩缝
为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂,需根据地质条件的变异和墙高、墙身断面的变化情况设置沉降缝。为了防止圬工砌体因收缩硬化和温度变化而产生裂缝,应设置伸缩缝。设计时,一般将沉降缝与伸缩缝合并设置,沿路线方向每隔10~15m设置一道,兼起两者的作用,缝宽2~3cm,缝内一般可用胶泥填塞,但在渗水量大,填料容易流失或冻害严重地区,则宜用沥青麻筋或涂以沥青的木板等具有弹性的材料,沿内、外、顶三方填塞,填深不宜小于0.15m,当墙后为岩石路堑或填石路堤时,可设置空缝。
干砌挡土墙,缝的两侧应选用平整石料砌筑,使成垂直通缝。
三、挡土墙的荷载的计算方法
1.挡土墙的荷载
施加于挡土墙的荷载按性质划分见表6-3。
表6-3  施加于挡土墙的作用或荷载
荷载分类        荷载名称
恒载        挡土墙结构自重
        填土(包括基础襟边以上土)自重
        填土侧压力
        墙顶上的有效荷载
        墙背与第二破裂面之间的有效荷载预加应力
可变荷载        汽车引起的土侧压力
        常水位时的浮力及静水压力
        设计水位的静水压力及浮力
        水位退落时的动水压力
        波浪压力
        冻胀压力和冰压力
温度或施工荷载        温度变化的影响
        施工及临时荷载
设计时应按上述荷载的可能不利组合进行计算。不同组合(表6-4)将相应采用不同的荷载系数和抗力安全系数。
表6-4      常用荷载组合
组合        计算力
I
挡土墙结构自重、土重、土侧压力相组合
II
挡土墙结构自重、土重、土侧压力、汽车荷载引起的土侧压力相组合
III
I与设计水位的静水压力及浮力相组合

IV
II与设计水位的静水压力及浮力相组合

V
I与地震力相组合

地震区修建挡土墙时,抗震验算应按表6-5进行。
表6-5    挡土墙抗震验算
公路等级        高速公路、一级公路、二级公路        三、四级公路
基本烈度        7        8        9        9



别        岩石、非液化土及软土        非浸水        不验算        H>5m验算        验算        验算
                浸水        不验算        验算        验算        验算
        液化土或软土地基        验算        验算        验算        验算
注:H为挡土墙高度
2.挡土墙的设计原则
挡土墙设计按“分项安全系数极限状态”法进行。
挡土墙设计分承载力极限状态和正常使用极限状态。承载力极限状态是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。正常使用极限状态是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。
挡土墙构件承载能力极限状态采用下列表达式:
        (6-43)
式中: --结构重要系数,对高速公路和一级公路:墙高?5m时, =1.0,墙高>5m时, =1.1。
       --垂直恒载引起的效应分项系数;
       --恒载及汽车活载的土压力效应分项系数;
       --抗力安全系数;
       --恒载效应(包括挡土墙自重及后踵板上或基础襟边以上的土重)
       --恒载及汽车活载的土压力效应;
       --其它荷载效应(i?2);
       --构件抗力标准值;
       --荷载效应组合系数;
       --其它荷载效应分项系数(i?2)。
3.计算状态及荷载系数
    (1)承载能力极限状态分项荷载系数
表6-6 承载能力极限状态分项荷载系数表
情况        增大起有利作用时        增大起不利作用时
组合        I、II
III、IV
V
I、II
III、IV
V

垂直恒载
0.9        1.2
车辆垂直荷载        1.0        1.4
主动土压力
1.3        1.2        1.1        1.4        1.3        1.15
被动土压力
0.5        0.3        0.50
水浮力
0.95        1.10
静水压力
0.95        1.05
动水压力
0.95        1.10
地震作用
0.90        1.10
(2)正常使用极限状态
除被动土压力用0.5外,其它全部荷载系数规定采用1.0。
(3)当对挡土墙进行基础合力偏心距和圬工结构合力偏心距计算时,除被动土压力用0.5外,其它全部荷载系数规定采用1.0。
四、挡土墙稳定性验算
(一)抗滑稳定性验算

图6-28 挡土墙的抗滑动稳定
为保证挡土墙抗滑稳定性,应验算在土压力及其它外力作用下,基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力。
如图6-28所示,在一般情况下
(6-44)
式中:G——挡土墙自重;
      Ex,Ey——墙背主动土压力的水平与垂直分力;
       ——基底倾斜角,?;
      ——基底摩擦系数,可通过现场试验确定。无试验资料时,可参考表6-7的经验数据;
       ——主动土压力分项系数,当组合为I、II时, =1.4,
当组合为IIII、IV时, =1.3。
(二)抗倾覆稳定性验算

图6-29 挡土墙的抗倾覆稳定
为保证挡土墙抗倾覆稳定性,须验算它抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力,如图6-29所示。
     (6-45)
式中: ——墙身、基础及其上的土重合力重心到墙趾的水平距离,m;
       ——土压力垂直分力作用点到墙趾的水平距离,m;
       ——土压力水平分力作用点到墙趾的水平距离,m;
在验算挡土墙的稳定性时,一般均未计趾前土层对墙面所产生的被动土压力。验算结果如不满足以上要求,则表明抗滑稳定性或抗倾覆稳定性不够,应改变墙身断面尺寸重新核算。
表6-7   基底摩擦系数?参考值
地基土分类        ?
软塑粘土        0.25
硬塑粘土        0.3
亚砂土、亚粘土、半干硬粘土        0.3~0.4
砂类土        0.4
碎石类土        0.5
软质岩石        0.4~0.6
硬质岩石        0.6~0.7
五、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
                                           (6-46)
式中: ——基底平均压应力,kPa;
       ——基础底面每延米的面积,即基础宽度,B?1.0(m2)
       ——每延米作用于基底的总竖向力设计值,kN;
        
其中:Ey——墙背主动土压力(含附加荷载引起的)的垂直分力,kN;
      Ex——墙背主动土压力(含附加荷载引起的)的水平分力,kN;
      W——低水位浮力,kN(指常年淹没水位)
②偏心荷载作用时
作用于基底的合力偏心距e为
                              (6-47)
式中:
a.当 时
                        (6-48)
式中: ——基底边缘最大、最小压应力设计值,kN;
      M——作用于基底形心的弯矩设计值,按表6-8采用;
      B——基础宽度,m。
其中: ;
当基底有倾斜时:
      
表6-8   基底弯矩值计算表
荷载组合        作用于基底形心的弯矩设计值
I


II


III


IV


V


表中: ——由填土恒载土压力所引起的弯矩;
       ——由墙身及基础自重和基础上的土重引起的弯矩;
       ——由填土及汽车活荷载引起的弯矩;
       ——由静水压力引起的弯矩;
       ——由地震土压力引起的弯矩;
       ——由地震惯性力引起的弯矩;
       ——由浮力引起的弯矩。
上述弯矩均为绕基底形心轴旋转,正负号自己确定。
b.对岩石地基,当 时
    此情况可以不考虑地基拉应力,而压应力重新分布如下:
                 (6-49)
式中:
(2)基底合力偏心距
基底合力偏心距应满足(表6-9)。
表6-9                              基底合力偏心距
荷载情况        地基条件        合力偏心矩
荷载组合 I
非岩石地基         

荷载组合
II、III、IV
非岩石地基         

        较差的岩石地基         

        坚密的岩石地基         

荷载组合V
地震情况        软土、松砂、一般粘土         

        紧密细纱、粘土         

        中密碎、砾石,中砂         

        紧密岩石及碎、砾石         

(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。
①当轴向荷载作用时
                                    (6-50)
式中:p——见式6-46
      f——地基承载力抗力值,kPa。
②当偏心荷载作用时
                                    (6-51)
③地基承载力抗力值的规定
当挡土墙的基础宽度大于3m活埋置深度大于0.5m时,除岩石地基外,地基承载应力抗力值按下式计算:
                        (6-52)
式中: ——地基承载应力抗力值;
       ——地基承载应力标准值;
       ——承载力修正系数,见表6-10;
       ——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;
       ——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;
       ——基础底面宽度小于3m时取3 m,大于6m时取6 m;
       ——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。
      表6-10      承载力修正系数
土的类别         


淤泥和淤泥质土         
0        1.0
         
0        1.0
人工填土
或 的粘性土
或稍湿的粉土
0        1.1
红粘土        含水比>0.8        0        1.2
        含水比?0.8        0.15        1.4
或 均小于0.85的粘质土
0.3        1.6
及 的粉质土
0.5        2.2
粉砂、细纱(不包括很湿、稍密)        2.0        3.0
中砂、粗砂、砾砂和碎石土        3.0        4.4
注:1. 为土的饱和度, 稍湿, 很湿, 饱和;
2.强风化岩石,可参照相应土的承载力取值;
3.IL为含水比;
4.e为空隙比。
表6-11  提高系数K
荷载组合        提高系数K
主要组合        1.0
附加组合        1.3
组合        1.5
注:表中ρ为基底截面核心截面
④当不满足式6-52的计算条件或计算出的结果 时,可按 直接确定地基承载应力抗力值。
⑤ 值可以根据不同荷载组合予以提高,提高系数K按表6-11的值。
⑥当偏心距 小于或等于0.333倍基础基础地面宽度时,可根据土的抗剪强度指标确定地基承载应力抗力值。

图6-30 基底应力重分布
六、墙身截面强度验算
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(图6-31)。
根据《公路砖石及混凝土桥涵设计规范》(JTJ022-85)的规定,当构件采用分项安全系数的极限状态设计时,荷载效应不利组合的设计值,应小于或等于结构抗力效应的设计值。
(1)强度计算
          (6-53)
按每延米墙长计算:
                 (6-54)

图6-31 验算断面的选择
式中: ——设计轴向力,kN;
       ——重要性系数;
       ——荷载组合系数;      
荷载组合         

I、II
1.0
III、IV
0.8
V
0.7

图6-32 墙身截面法向应力验算
      ——恒载(自重及襟边以上土重)引起的轴向力,kN;
      ——主动土压力引起的轴向力,kN;
      (i=2~6)——被动土压力、水浮力、静水压力、动水压力、地震力引起的轴向力,kN;
      ——抗力安全系数,按表6-12选用;
      ——材料极限抗压强度,kPa;
      ——挡土墙构件的计算截面积,m2;
      ——轴向力偏心影响系数, ;
     表6-12        抗力安全系数         
圬工种类        受力情况
        受压        受弯、剪、拉
石料        1.85        2.31
片石砌体
片石混凝土砌体        2.31        2.31
块石砌体
粗料石砌体
混凝土预制块砌体        1.92        2.31
混凝土        1.54        2.31
表6-13圬工结构容许偏心距
荷载组合        容许偏心距
I、II
0.25B
       
III、IV
0.30B
V
0.33B
       

挡土墙墙身或基础为纯圬工截面时,其偏心距应小于表6-13的要求。
(2)稳定计算
                  (6-55)
式中:Nj、aK、A、RK、rK意义同式(6-54);
K—弯曲平面内的纵向翘曲系数,按下式计算:
                       (6-56)
H为墙有效高度(视下端固定,上端自由,m);B为墙的宽度(m);
s—系数,查表6-14。
s系数表                                   表6-14
砌体沙浆标号        ?M5        M2.5        M1        混凝土
s值        0.002        0.0025        0.004        0.002
一般情况下挡土墙尺寸不受稳定控制,但应判断是细高墙或是矮墙。
当H/B小于10时为矮墙,其余则为细高墙。但当墙顶为自由时H/B应小于30。
对于矮墙可取?K =1,即不考虑纵向稳定。
(3)当 超过表6-13的规定时,还可以利用弯曲抗拉极限强度 进行验算或确定截面尺寸。
                         (6-57)
式中:W——截面系数,m3;
      当挡土墙长度取1延米为计算单元时:A=1*B,则式6-57为:
                         (6-58)
(4)正截面直接受剪时验算
                          (6-59)
式中: ——正截面剪力,kN;
       ——受剪极为面面积,m2;
       ——砌体截面的抗剪极限强度,kPa;
       ——摩擦系数,
七、增加挡土墙稳定性的措施

图6-33  倾斜基底增加挡土墙抗滑稳定性
(一)增加抗滑稳定性的方法
1设置倾斜基底(图6-33)
设置向内倾斜的基底,可以增加抗滑力和减少滑动力,从而增加了抗滑稳定性。
基底倾角α0越大,越有利于抗滑稳定性,但应考虑挡土墙连同地基土体一起滑走的可能性,因此对地基倾斜度应加以控制。通常,对土质地基,不陡于1:5(α0≤11?10′);对岩石地基,不陡于1:3(α0≤16?42′)。
此外,在验算沿基底的抗滑稳定性的同时,还应验算通过墙踵的地基水平面(图6-33中1-1水平面)的滑动稳定性。
2.采用凸榫基础(图6-34)
在挡土墙基础底面设置混凝土凸榫,与基础连成整体,利用榫前土体产生的被动土压力以增加挡土墙的抗滑稳定性。
为了增加榫前被动阻力,应使榫前被动土楔不超过墙趾。同时,为了防止因设凸榫而增加墙背的主动土压力,应使凸榫后缘与墙踵的连线同水平线的夹角不超过?角。因此应将整个凸榫置于通过墙趾并与水平线成45?-?/2角线和通过墙踵并与水平线成?角线所形成的三角形范围内。

图6-34 凸榫基础
当β=0(填土表面水平),α=0(墙背垂直),δ=0(墙光滑)时,榫前的单位被动土压力σp,按朗金(Rankine)理论计算

考虑到产生全部被动土压力所需要的墙身位移量大于墙身设计所允许的位移量,为工程安全所不允许,因此铁路规范规定,凸榫前的被动土压力按朗金被动土压力的1/3采用,即
                      (6-60)
在榫前BT前宽度内,因已考虑了部分被动土压力,故未计其基底摩擦阻力。
按照抗滑稳定性的要求,令Kc=[Kc],代入(6-60),即可得出凸榫高度hT的计算式
                              (6-61)
凸榫宽度BT根据以下两方面的要求进行计算,取其大者。
(二)增加抗倾覆稳定性的方法
为增加抗倾覆稳定性,应采取加大稳定力矩和减小倾覆力矩的办法。
1.展宽墙趾
在墙趾处展宽基础以增加稳定力臂,是增加抗倾覆稳定性的常用方法。但在地面横坡较陡处,会由此引起墙高增加。
2.改变墙面及墙背坡度
改缓墙面坡度可增加稳定力臂(图6-35a),改陡俯斜墙背或改缓仰斜墙背可减少土压力(图6-35b,c)。在地面纵坡较陡处,均须注意对墙高的影响。

图6-35 改变胸坡及背坡
a)改变胸坡b)改陡俯斜墙背c)改为仰斜墙背
3.改变墙身断面类型
当地面横坡较陡时,应使墙胸尽量陡立。这时可改变墙身断面类型,如改用衡重式墙或者墙后加设卸荷平台、卸荷板(图6-36),以减少土压力并增加稳定力矩。

图6-36 改变墙身类型措施
八、衡重式挡土墙设计
衡重式挡土墙设计与一般重力式挡土墙相同。但是,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。
衡重式挡土墙的构造,通常墙胸多采用1:0.05的陡坡,上墙墙背坡率采用1:0.25~1:0.45之间,下墙墙背坡率采用1:0.25,上下墙高比采用2:3。其它构造要求与一般重力式挡土墙相同。
作用于衡重式挡土墙的主动土压力,按上下墙分别计算,取其矢量和作为全墙的主动土压力。
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。
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(如图6-31所示)。最危险的截面是上下墙分界面2-2,以及与土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。
下面介绍上墙实际墙背上的土压力及斜截面上的剪应力的计算方法。
(一)上墙实际墙背的土压力
上墙实际墙背的土压力E1’由第二破裂面上的土压力E1传递而来。一般假定衡重台及墙背上均无摩擦力产生,采用力多边形法来推求,如图6-37所示。

图6-37 上墙实际墙背的土压力计算
从力多边形可知
   (6-62)
假定此土压力沿墙背呈直线分布,作用于上墙的下三分点处。
(二)斜截面剪应力验算
如图6-38所示,设衡重式挡土墙沿与水平方向成i角的倾斜面被剪切。剪切面上的作用力是主动土压力的水平分力E1x’和竖直力ΣN(=E1’+G1+G2)在该面上的切向分力PE和PG。PG和PE随i角的变化而变化,因此该剪切面上的剪应力τ是i角的函数。欲求最大剪应力τ值,
可按 =0导出。
在ΔO1LM中,由正弦定律得

图6-38 斜截面剪应力验算

剪切面宽度

   


式中: ,γk为墙身砌体容重。
对式(6-63)微分,令 =0,经整理简化得
                          (6-64)

由式(6-64)解出i角,代入式(6-63),即可求得最大计算剪应力τmax。其验算方法同前。

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