基坑与边坡工程：第四章 重力式挡土墙

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1. 第四章挡土墙计算与设计1.1 概述 1.2 重力式挡墙的组成部分 1.3 重力式挡墙的构造 1.4 重力式挡土墙的布置 1.5 重力式挡土墙计算 1.6 重力式挡土墙施工第一节重力式挡土墙
2. 1.1 概述重力式挡土墙是以自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。重力式挡土墙可用石砌或混凝土建成，其特点是体积、重量都大。能够就地取材，施工方便，经济效果好。因此，是我国目前常用的一种挡土墙。在我国铁路、公路、水利、港湾、矿山等工程中得到广泛的应用。
3. 重力式挡土墙一般由以下几部分组成： 1、墙身靠填土（或山体）一侧称为墙背。 2、墙身大部分外露的一侧称为墙面（或墙胸）。 3、墙身的顶面部分称为墙顶。 4、墙的底面部分称为墙底。 5、墙背与墙底的交线称为墙踵。 6、墙面与墙底的交线称为墙趾。 7、墙背与竖直面的夹角称为墙背倾角，一般用α表示。 8、墙踵到墙顶的垂直距离称为墙高，用H表示。另外重力式挡墙还有护栏、排水、伸缩缝、沉降缝等部分。 1.2 重力式挡墙的组成部分
4. 1.1.1、墙身 1、墙背 1）重力式挡土墙当墙背只有单一坡度时，称为直线形墙背。直线形墙背可做成俯斜、仰斜、垂直三种，墙背向外侧倾斜时称为俯斜，墙背向填土一侧倾斜时称为仰斜，墙背垂直时称为垂直。对仰斜、垂直和俯斜三种不同形式的墙背所受的土压力进行分析，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，因此三种挡墙形式中仰斜式的墙身断面较经济。 1.3 重力式挡墙的构造俯斜仰斜垂直
5. 2）重力式挡土墙若墙背多于一个坡度，则称为折线形墙背。折线形墙背有凸形折线墙背和衡重式墙背两种。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，所以断面较为经济，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（1：0.05），衡重式挡土墙上墙与下墙的高度之比，一般采用2:3较为经济合理。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（开挖面较大）。凸形折线式衡重式
6. 3）重力式挡土墙的仰斜墙背坡度一般采用1:0.25，不宜缓于1:0.30；俯斜墙背坡度一般为1:0.25～1:0.40；衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1:0.25～1:0.30仰斜，上墙墙背坡度受墙身强度控制，根据上墙高度，采用1:0.25～1:0.45俯斜。 2、墙面重力式挡墙墙面一般为直线形，其坡度应与墙背坡度相协调。同时还应考虑墙趾处的地面横坡，在地面横向倾斜时，墙面坡度影响挡土墙的高度，横向坡度愈大影响愈大。因此，地面横坡较陡时，墙面坡度一般为1:0.05～1:0.20，矮墙时也可采用直立；地面横坡平缓时，墙面可适当放缓，但一般不缓于1:0.35。
7. 3、墙顶重力式挡土墙可采用浆砌或干砌圬工。墙顶最小宽度：浆砌时不小于50cm；干砌时应不小于60cm。干砌挡土墙的高度一般不宜大于6m。路肩挡土墙墙顶应以粗料石或C15混凝土做帽石，其厚度不得小于0.4m。如不做帽石或为路堤墙和路堑墙，应选用大块片石置于墙顶并用砂浆抹平。 4、墙底重力式挡墙的墙底一般取 0.1：1的坡度，也可以直接做成水平墙底。为什么？
8. 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，应满足路肩最小宽度的要求。设计中必须重视
9. 1.1.2 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 1）挡土墙大多数都是直接砌筑在天然地基上的浅基础。 2）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，一般不小于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5号的砂浆砌筑时，刚性角应不大于35°；对混凝土砌体，应不大于40°。为什么？
10. 3）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。补充：刚性基础的宽度大小应能使所产生的基础截面弯曲拉应力和剪应力不超过基础圬工材料的强度限值。满足了这个要求，就得到墩台身边缘处的垂线与基底边缘的连线间的最大夹角αmax ，即称为刚性角。力学分析基础底面积越大其底面压强越小，对地基的负荷越有利，但放大的尺寸超过一定范围，超过基础材料本身的抗拉，抗剪能力，就会引起破坏，破裂的方向不是沿柱或墙的外侧垂直向下的，而是与垂线形成一个角度，这个角度就是材料刚性角见右附图。
11. 4）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。 5）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，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。
12. 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。襟边宽度见下表。挡土墙安全襟边宽度
13. 1.1.3、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为地面排水和墙身排水两部分组成。 1）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。
14. 2）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。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。干砌挡土墙墙身透水可不设泄水孔。
15. 1.1.4、沉降缝和伸缩缝为了防止因地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，必须设置伸缩缝。工程中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而定，对于非岩石地基，宜每隔10~15m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2~3cm。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整石料砌筑，使具形成垂直通缝。
16. 1.1.5、墙身材料挡土墙所用的砖石及混凝土材料，应质地均匀、强度符合要求，并具有耐风化和抗侵蚀性能，在冰冻地区还应具有耐冻性。 1）块石应大致方正，厚度不小于0.15m，宽度和长度相应为厚度的1.5～2倍和1.5～3倍较合适。片石应具有两个大致平行的面，厚度不应小于0.15m，其中一条长边不小于0.3m，体积不小于0.01m3。 2）用大卵石砌筑时，石料应经过选择，并剖开凿毛，使之具有两个较大的平行面。砌筑时，不应形成通缝和过大的三角缝，砂浆需饱满。 3）砌筑挡土墙所用的砂浆编号按表选用。高寒地区、地震烈度8度且墙高大于12米和地震烈度9度以上的地震地区，砂浆强度按表列强度等级提高一级。 4）各项材料的最低强度等级为：石料抗压强度不小于30Mpa（MU30）；混凝土C15，砖MU10。但砖砌体不应用于盐渍土地区的挡土墙。 5）干砌挡土墙，墙高时最好采用块石砌筑，在墙身超高6m或石料质量较低时，可沿墙高每隔3～4m设置厚度不小于0.5m的砂浆水平层，以增加墙身的稳定性。挡土墙类别、部位及用途砂浆强度等级一般挡土墙M5.0浸水挡土墙水位一下部分M7.5勾缝用比相应砌筑强度等级提高一级，并不得低于M5砌筑挡土墙砂浆强度等级
17. 1.4 重力式挡土墙的布置　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，不满足要求时应补测，并测绘墙趾处的纵断面图，收集墙趾处的地质和水文等资料。 (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。路肩墙应保证路基宽度布设。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。 2、确定断面形式不论是路堤墙，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。（工程实际中一般路肩墙用衡重式，路堤墙用俯斜式、路堑墙用仰斜式） 3、绘制挡土墙横断面图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（需提供计算书）或套用标准图（非国家标准图集要提供计算书），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。
18. (二) 纵向布置纵向布置主要在墙趾纵断面图上进行，布置后绘制挡土墙正面图。 1、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2~3m；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应结合隧道洞门、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％的纵坡。当墙址地面纵坡不超过5％时．基底可按此纵坡布置；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。 4、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、冰冻线或设计洪水位的标高等。
19. (三) 平面布置对于个别复杂的挡土墙，如高、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。
20. 1.5 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： ①根据经验或标准图，初步拟定断面尺寸； ③计算侧向土压力； ③进行稳定性验算和基底应力与偏心距验算； ④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。
21. 4、基底内倾在增大墙身抗滑稳定性的方法中，将基底做成逆坡是一种有效地方法，土质地基的基底倾坡不宜大于0.1：1，岩石地基一般不宜大于0.2：1。 5、墙趾加宽当墙身高度超过一定限度时，基地压应力往往是控制截面尺寸的重要因素。为使基地压应力不超过地基承载力，可加墙趾台阶，并且这对于挡墙的抗滑和抗倾覆稳定性也是有力的。
22. 二、挡土墙计算1.稳定性验算：抗倾覆稳定和抗滑稳定2.地基承载力验算挡土墙计算内容3.墙身强度验算抗倾覆稳定验算zfEaEazEaxGaa0d抗倾覆稳定条件挡土墙在土压力作用下可能绕墙趾O点向外倾覆Ox0xfbz
23. 抗滑稳定验算抗滑稳定条件EaEanEatdGGnGtaa0O挡土墙在土压力作用下可能沿基础底面发生滑动三、重力式挡土墙的体型与构造m为基底摩擦系数，根据土的类别查表得到1.墙背倾斜形式重力式挡土墙按墙背倾斜方向分为仰斜、直立和俯斜三种形式，三种形式应根据使用要求、地形和施工情况综合确定
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25. 2.挡土墙截面尺寸砌石挡土墙顶宽不小于0.5m，混凝土墙可缩小为0.20m～0.40m，重力式挡土墙基础底宽约为墙高的1/2～1/3为了增加挡土墙的抗滑稳定性，将基底做成逆坡当墙高较大，基底压力超过地基承载力时，可加设墙趾台阶E1仰斜E2直立E3俯斜三种不同倾斜形式挡土墙土压力之间关系E1＜E2＜E3逆坡墙趾台阶
26. 3.墙后排水措施挡土墙后填土由于雨水入渗，抗剪强度降低，土压力增大，同时产生水压力，对挡土墙稳定不利，因此挡土墙应设置很好的排水措施，增加其稳定性墙后填土宜选择透水性较强的填料，例如砂土、砾石、碎石等，若采用粘土，应混入一定量的块石，增大透水性和抗剪强度，墙后填土应分层夯实4.填土质量要求泄水孔粘土夯实滤水层泄水孔粘土夯实粘土夯实截水沟
27. （二）挡土墙基底应力及合力偏心距检算　1)为了保证挡土墙的基底应力不超过地基的容许承载力，应进行基底应力检算。为了使挡土墙墙型结构合理和避免发生显著的不均匀沉陷，还应控制作用于挡土墙基底的合力偏心距。若作用于基底合力的法向分力为∑N，它对墙趾的力臂为ZN，则有：合力偏心距e为：基底合力的偏心距，土质地基不应大于B/10，岩石地基不应大于B/4 。 2)基底两边缘点，即趾部和踵部的法向压应力δ1、δ2分别为：基底应力及合力偏心距检算图式
28. 式中： ∑M — 各力对中性轴的力矩之和，∑M=∑N · e； W — 基底截面模量，对单位延米的挡土墙，A — 基底截面面积，对单位延米的挡土墙，A=B。基底压应力不得大于地基容许承载力[σ]，当考虑主要力系和附加力系组合时，地基承载力可提高20% 。当按主要力系计算时，墙踵的基底压应力可超过地基的容许承载力，一般地区最大不超过30% 。 3)当︱e︱＞B/6时，基底墙踵将出现拉应力，对于一般地基与基础间是不能承受拉力的，这时按无拉应力的平衡条件重新分配压应力，重新分配的压应力合力作用在距墙趾为ZN的三角形应力图的形心上，该应力图一边长为3 ZN 。基底应力图形将由虚线图形变为实线图形。根据力的平衡条件，有：故基底最大压应力为：基底应力重力分布
29. 4)当设置倾斜基底时，倾斜基底的宽度B‘为：倾斜基底应力计算基底压应力或偏心距过大时，可采取一下措施进行调整： ①加宽墙趾或设置扩大基础； ②换填地基土以提高其承载力； ③调整墙背坡度或断面形式；
30. 墙身强度的验算，一般选在墙截面突变处，例如墙底台阶的上截面。验算时，先计算此截面以上的墙体的重力和相应该高度的主动土压力，求得该截面的内力，然后按《砌体结构设计规范》进行受压和受剪承载力验算：（四）墙身强度验算
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36. （三）挡土墙墙身截面检算通常，选取一、两个墙身截面进行检算,检算截面可选在基础顶面（襟边以上截面）、1/2墙高处、上下墙（凸形及衡重式墙）交界处等。　墙身检算截面的选择墙身截面强度检算包括法向应力和剪应力检算两大方面。
37. 1、法向应力及偏心距检算　若检算截面Ι-Ι的强度，从土压力强度分布图中可得到截面Ι-Ι以上的土压力 Exi和Eyi以及该截面以上的墙身自重 Gi，截面的宽度Bi。则有：对于截面的偏心距，要求：考虑主要组合时ei≤0.3Bi；考虑附加组合时ei≤0.35Bi，以保证墙型的合理性。容许应力法墙身检算截面验算公式
38. 对于截面两端边缘的法向应力的要求：在只考虑主要力系时，最大压应力和最大拉应力不得超过圬工的容许应力；当考虑附加力系时，容许应力可提高30%；干砌挡土墙不能承受拉应力。 2、剪应力检算剪应力分水平剪应力和斜剪应力两种。重力式挡土墙只检算水平剪应力，而衡重式挡土墙还需进行斜截面剪应力的检算，Ⅲ—Ⅲ截面。（1）水平方向剪应力检算：对Ι-Ι截面的水平剪应力进行检算时，剪切面上的水平剪切力∑Ti等于Ι-Ι截面以上墙身所受水平土压力∑Exi,则有：式中：[τ] — 圬工的容许剪应力（kPa）。当墙身受拉力出现裂缝时，应折减裂缝区的面积。
39. （2）斜截面剪应力验算：　　设衡重式挡土墙上墙底面沿倾斜方向AB被剪裂，剪裂面与水平面成ε角，剪裂面上的作用力是竖直分力∑N和水平分力∑T，则：　斜截面剪应力验算式中：ABC
40. (本页无文本内容)
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42. 作业：设计一浆砌块石挡土墙。墙高6m，墙背竖直光滑，墙后填土水平，填土的物理力学指标：重度20kN/m3，内摩擦角40 度，黏聚力为0。基底摩擦系数为0.6，地基承载力设计值为180kN/m2。
43. 感谢聆听！

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