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挡土墙设计的这些“秘笈”,优秀的设计师都应该懂!

2018-08-03  仙人指路2

挡土墙是支撑天然斜坡或人工边坡保持土体稳定而修筑的墙式构造物。高矮错落的挡土墙, 可直可曲、可滑可糙、可以彩色也可以用泥土色系。设计得好,不但让人看着愉悦,更让人倍儿有安全感!

挡土墙设计的这些“秘笈”,优秀的设计师都应该懂!

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挡土墙有哪几种?

1、按作用位置分:路堑墙 、路堤墙、路肩墙。

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路堑墙

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路堤墙

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2、按建筑材料分:石砌挡土墙、混凝土挡土墙、钢筋混凝土挡土墙、钢板挡土墙。

3、按结构形式分:重力式 、锚定式、薄壁式、加筋土、桩板式、锚钉式。

&重力式挡土墙:

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适用于地层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段,墙高h<6m且地基承载力较高地段>

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仰斜墙背主动土压力最小,墙身截面经济,墙背可与开挖的临时边坡紧密贴合,但墙后填土的压实较为困难,因此多用于支挡挖方工程的边坡;俯斜墙背主动土压力最大,但墙后填土施工较为方便,易于保证回填土质量而多用于填方工程;直立墙背介于前两者之间,且多用于墙前原有地形较陡的情况,如山坡上建墙,因此时仰斜墙身较高而入土较浅,俯斜墙则土压力较大。

墙顶宽度,当墙身为混凝土浇筑时,不应小于40 cm。浆砌时不小于50cm;干砌时应不小于60cm。

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墙面:当墙前地面较陡时,墙面坡度可取1:0.05~1:0.2,或采用直立的墙面;当墙前地面较为平坦时,对于中、高挡土墙,墙面坡度适当放缓,不宜缓于1:0.4。

基础:当地基承载力不足且墙趾处地形平坦时,为减少基底应力和增加抗倾覆稳定性,常常采用扩大基础。将墙趾部分加宽成台阶(路堑墙),或墙趾墙踵同时加宽(路堤或路肩墙),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5号的砂浆砌筑时,刚性角(详见下页补充资料)应不大于35°;对混凝土砌体,应不大于40°。

当地基压应力超过地基承载力过高时,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基础,其厚度由剪力和主拉应力控制。

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当挡土墙修筑在陡坡上,而地基又为较为稳定的坚硬岩石时,为节省圬工和基坑开挖数量,可采用台阶形基础,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1.5~2.0m。

如地基有短段缺口(如深沟等)或挖基困难(如局部地段地基软弱等),可采用拱形基础,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。

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:

①无冲刷时,一般应在天然地面下不小于1.0m;

②有冲刷时,应在冲刷线下不小于1.0m;

③受冻胀影响时,应在冰冻线以下不小于0.25m。非冻胀土层中的基础,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来控制,以防地基剪切破坏。

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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等引排地面水,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。

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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。如图所示。泄水孔尺寸可视泄水量大小分别采用5cm×10cm、10cm×10cm、15cm ×20cm的方孔,或直径5~10cm的圆孔。泄水孔间距一般为2 ~ 3m,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,如图a所示。

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。

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伸缩缝与沉降缝:在设计时,将沉降缝与伸缩缝合并设置。宜每隔10~15m设置一道沉降伸缩缝;沉降伸缩缝的缝宽—般为2~3cm。

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锚杆、锚碇式挡土墙:锚定板挡土墙由预制的钢筋混凝土墙面板、立柱、钢拉杆和埋在填土中的锚定板所组成 。锚杆挡土墙通常由立柱、墙面板和锚杆三部分组成的轻型支挡结构。适用于地基承载力较低的重要工程,可做成多级高边坡,能够使边坡坡度做成80~90度之间,墙高可达27m。

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薄壁式挡土墙可分为悬臂式和扶壁式:

悬臂式挡土墙多用钢筋混凝土做成,它的稳定性主要靠墙踵悬臂以上的土 所受重力维持,它的悬臂部分的拉应力由钢筋来承受。适用于6~8m高的填方边坡,地基土质差且墙高h>5m的重要工程,或缺乏石料的地区及地震地区,常用作填方路段作路肩墙或路堤墙。

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设计过程:根据支挡环境的需要拟定墙高,以及相应的墙身结构尺寸;根据所拟定的墙体结构尺寸,确定结构荷载(墙身自重、土压力、填土重力),由此进行墙体的抗滑、抗倾覆稳定性验算,确认是否需要底板加凸设计; 底板地基承载力验算,确认底板尺寸是否满足要求; 墙身结构设计。

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(1)墙身截面尺寸:墙顶宽可选用200mm。墙背取竖直面,墙面取1:(0.02~0.05)的倾斜面,因而定出立臂的截面尺寸;

(2)底板在与立臂相接处厚度为(1/12~1/10)H,而墙趾板与墙踵板端部厚度不小于300mm;其宽度B可近似取(0.6~0.8)H,当遇到地下水位高或软弱地基时,B值应适当增大。

(3)伸缩缝的设置间距不应大于20m,沉降缝、泄水孔的设置与重力式挡土墙相同;

(4)墙身混凝土强度等级不宜低于C30;受力钢筋直径不应小于12mm;榫槽混凝土必须与底板混凝土同时灌注;

(5)挡土墙墙身混凝土应一次浇灌完成,不宜在竖向上留缝。

扶壁式挡墙:当挡土墙的墙高h>10m时,为了增加悬臂的抗弯刚度,沿墙长纵向每隔1/3~1/2墙高设置一道扶壁。适用8~12m高的填方边坡,地质条件差时,缺乏石料的地区及地震地区,墙高h>10m的重要工程。

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设计过程:

1)根据支挡环境的需要拟定墙高,以及相应的墙身结构尺寸;

2)根据所拟定的墙体结构尺寸,确定结构荷载(墙身自重、土压力、填土重力),由此进行墙体的抗滑、抗倾覆稳定性验算,确认是否需要底板加凸设计; 3)底板地基承载力验算,确认底板尺寸是否满足要求;

4)墙身结构设计。

墙身钢筋混凝土配筋(示意):

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扶壁间距为1/3~1/2墙高;墙顶宽可选用200mm,墙背取竖直面,地板厚度大于等于200mm;底板在与立臂相接处厚度为(1/12~1/10)H,而墙趾板墙踵板端部厚度不小于300mm;其宽度B可近似取(0.6~0.8)H,当遇到地下水位高或软弱地基时,B值应适当增大。

伸缩缝的设置间距不应大于20m,沉降缝、泄水孔的设置与重力式挡土墙相同;墙身混凝土强度等级不宜低于C30;受力钢筋直径不应小于12mm;榫槽混凝土必须与底板混凝土同时灌注;挡土墙墙身混凝土应一次浇灌完成,如设缝,则必须保证新旧混凝土面有效连接。

加筋挡土墙:加筋挡土墙由面板、拉筋组成。依靠填土、拉筋之间的摩擦力使填土与拉筋结合成一个整体。适用于加固河堤、路堤、围堰等。

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土工格栅加筋建成5~6.5m高的加筋挡土墙。

桩板式(抗滑桩)挡土墙:桩板式挡土墙由锚固桩和挡土板组成,它是以锚固桩(分为锚固段和悬臂段)为主体,挡土板相辅共同受力挡土的结构形式。适用于先保护后开挖的深基坑,以及需要直立削坡的土质挖方边坡,或需要对已建建筑进行保护,严格控制土体位移。

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设计过程:

(1)进行桩群的平面布置,确定桩位、桩间距等平面尺度;

(2)拟定桩型、桩埋深、桩长、桩断面尺寸;

(3)根据拟定的结构确定作用于抗滑桩上的力系;

(4)确定桩的计算宽度,选定地基反力系数,进行桩的受力和变形计算;

(5)进行桩截面的配筋计算和一般的构造设计;

(6)提出施工技术要求,拟定施工方案,计算工程量,编制概(预)算等。

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成孔方法:

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钢筋混凝土桩的构造要求:

(1)混凝土强度:一般采用C20,不低于l5,水下灌注时不低于C20;

(2)主筋保护层厚度:一般不小于35mm,水下灌注混凝土时不小于50mm;

(3)主筋不宜小于8φ10(/Ix桩径),常用12φ16以上(D600以上),纵向主筋沿桩身周边均匀布置(圆桩),钢筋净距不应小于60mm;

(4)配筋长度(滑面以下)宜采用4/a,通长配筋;

(5)配筋率一般不低于0.65%~0.20%(小桩径取高值,大桩径取低值);

(6)箍筋率一般不低于φ6@200mm,宜采用螺旋箍筋或焊接环式箍筋;钢筋骨架中,应每隔2m左右设一道焊接加强箍筋。

(7)钢筋的接长等符合钢筋混凝土构件的构造要求。

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挡土墙设计中的土压力计算

土压力分类:

E0:静止土压力

计算方法

Ea:主动土压力

Ep:被动土压力

由于墙身位移不同的影响,

土体的应力应变状态不同,

使土压力的大小和方向产生

变化。由右图可见

Ea<><>

计算方法:

(1)库仑理论

(2)朗肯理论

(3)有限元计算技术

(4)改进理论,优化

朗肯土压力假设:

(1)墙背是光滑的,不考虑墙与填土之间的摩擦力。

(2)填土表面水平。

(3)墙的刚性很大。

库仑土压力理论的基本假定

(1) 挡土墙是刚性的,墙后填土为无粘性砂性土;

(2) 当墙产生一定位移时,墙后的土体将形成一个滑动楔体,并沿墙背和土中的破裂面滑动,土中破裂面为一平面;

(3)将墙身和滑动楔体视作刚体。

(4)力的方向:Ea,δ;R,φ

大俯角墙背的主动土压力—第二破裂面法

有时土体并不沿墙背滑动,而是沿另一滑动面滑动,这一般是折线形重力墙背、悬臂墙墙背或带衡重台的墙背,其倾角大于第二破裂面的倾角αi、且墙背面上的抗滑力大于下滑力的情况。

出现第二破裂面的条件:

1、墙背或假想墙背的倾角α或α’必须大于第二破裂面的 倾角αi,即墙背或假想墙背不妨碍第二破裂面的出现;

2、在墙背或假想墙背面上产生的抗滑力必须大于其下滑力,即NR>NG,或Ex tan(α+ δ)>Ey+ G,使破裂棱体不会沿墙背或假想墙背下滑。

一般俯斜挡土墙为避免土压力过大,很少采用平缓背坡,不易出现α>αi的情况,不出现第二破裂面;衡重式挡墙的上墙或悬臂式墙,因采用的是假想的墙背,δ=φ,只要α>αi,即存在第二破裂面。

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设计原则:极限状态分项系数法

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按正常使用极限状态设计时,通常采用上表所列的各分项系数;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,除被动土压力采用0.3外,其他全部荷载系数采用1.0。

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3)基底应力、合力偏心距验算

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4) 墙身截面强度验算

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