重力式挡土墙.docx
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重力式挡土墙.docx
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重力式挡土墙
重力式挡土墙
重力式挡土墙设计
1.设计资料
(1)高速公路,双向四车道路基宽度为路基宽度26米,即:
3.50(中间带)+4×3.75(行车道)+2×3.00(硬路肩)+2×0.75(土路肩)。
边坡坡度为1:
1.5,高填方路堤段,中心填筑高度为10m,地面坡度平均为5%。
(2)基本可变荷载只考虑正常使用情况下的行车荷载。
(3)挡土墙墙身材料,石料为MU30,砂浆为M7.5,其容许压应力为
容许剪应力为
。
(4)地基为土质地基,以砂性土为主要,挡土墙基底的摩擦系数为0.36,地基的承载能力特征值为350kPa。
(5)墙后填料为砂类土,填土重度取19
,内摩擦角
为
,粘聚力近似为0kPa。
(6)墙背与填土间的摩擦角
为
。
(7)季节性冰冻地区,当地最大冻深为1.8m。
(8)挡土墙设计荷载组合取组合Ⅱ。
(9)其他需要的建筑供应充足,自行选择,相关资料参照规范选取。
2.墙型选择
常见的挡土墙形式有重力式、衡重式、悬臂式、扶壁式、加筋土式、锚杆式和锚定板式及桩板式等。
重力式挡土墙主要依靠墙身自重保持稳定,取材容易,形式简单,施工简便,适用范围广泛。
重力式挡土墙墙身截面大,圬工数量也大,在软弱地基上修建往往受到地基承载力的限制。
如果墙过高,材料耗费多,则不经济。
由于该路段填筑高度为10m,一般情况下挡土墙小于12m,挡土墙高度较小,而且当地有石料,所以在此设计中选择重力式挡土墙。
重力式挡土墙的墙背可做成仰斜、垂直、俯斜、凸形折线和衡重式五种。
仰斜墙背所受的土压力较小,用于路堑墙时,墙背与开挖面边坡较贴合,因而开挖量和回填量均较小,但墙后填土不易压实,不便施工。
当墙趾处地面横坡较陡时,采用仰斜墙背将使墙身增高,断面增大,所以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。
俯斜墙背所受土压力较大,其墙身断面较仰斜为大,通常在地面横坡陡峻时,借陡直的墙面以减小墙高。
垂直墙背的特点,介于仰斜和俯斜墙背之间。
凸形折线墙背系由仰斜墙背演变而来,上部俯斜、下部仰斜,以减小上部断面尺寸,多用于路堑墙,也可用于路肩墙。
衡重式墙背在上下墙间设有衡重台,利用衡重台上填土的重力使全墙重心后移,增加了墙身的稳定。
因采用陡直的墙面,且下墙采用仰斜墙背,故可以减小墙身高度,减少开挖工作量。
衡重式墙背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。
由于地面平均坡度为5%,坡度较缓,墙背选择仰斜式,土压力较小,从而提高挡土墙的抗滑和抗倾覆能力,对地基的承载能力要求也比较低,减小圬工量。
同时考虑到路堤较高会有较高的土压力,应当适当增加墙顶高度,增加自重来抵抗倾覆与滑移,要是仍然不满足,坡脚做为倾斜。
3.挡土墙布置
3.1基础埋置深度
挡土墙基础置于土质地基时,其基础深度应符合下面的要求:
基础埋置深度不应小于1m,当有冻结时,应在冻结线下不小于25cm。
当地的最大冻深为1.8m,则基础埋置深度可取2.05m。
3.2墙趾和墙高的选定
仰斜式挡土墙墙高适用范围为不大于10m,而该路段的填筑高度为10m,考虑埋深和地面横坡,路肩墙的高度是大于10m的,所以此设计不宜采用路肩墙,只能选择路堤墙。
墙的高度受很多因素的影响,一般来说,墙的高度增加时,墙所受的土压力就会增大,进而增加墙的圬工量,施工难度也会提高,但是墙后填土量就会减小,挡土墙收缩坡脚的效果也就越明显,从而节约土地资源,减少征地的费用。
由平均坡度和最大冻深,大致判断该路段处于平原区,平原区往往土地肥沃,人口密集,土地资源非常宝贵,而且高速公路的施工条件比较好,所以尽量提高墙高。
因此确定地面线以上墙高为8m。
4.挡土墙的构造和尺寸初拟
重力式挡土墙断面的构造要求如下:
(1)重力式挡土墙的墙顶宽度,当墙身为混凝土浇筑时,不应小于0.4;当为浆砌圬工时,不应小于0.5m;当为干砌圬工时,不应小于0.6m。
(2)仰斜式挡土墙墙背仰斜坡度不宜缓于1:
0.25,墙面坡度不宜陡于墙背坡度,地面横披平缓时,墙面坡度可较缓,但不宜缓于1:
0.30。
建筑材料选择浆砌圬工,根据挡土墙验算程序,顶墙顶宽度为为3.25m,墙背仰斜坡度为1:
0.2,墙面仰斜坡度为1:
0.25,基底水平,宽度为3.425m。
设计挡土墙如图一所示
图一:
挡土墙布置图
5.挡土墙的主动土压力
采用库伦土压力理论来计算墙后填土对挡土墙的主动土压力。
5.1车辆荷载作用下的土压力
将作用于墙背后填土表面的车辆荷载近似的按均布荷载来考虑,并将其换算为重度与墙后填土相同均布土层。
挡土墙高度为10m,则附加荷载强度
取10kPa。
换算均布土层厚度
为
式中,
——填土的重度,
。
5.2复杂边界条件下的主动土压力
5.2.1破裂角计算
由于挡土墙后的填土表面不是平面,而且在路基表面有行车荷载的作用,所以边界条件比较复杂。
按破裂面交会与路基面的位置不同,可分为下列几种图式。
大部分情况下,破裂面会处在荷载作用的位置,下面进行破裂面角度
的计算。
(公式来自公路路基设计手册第二版570页)。
。
图2破裂角
--一个角度参数,便于计算
A—形状系数
5.2.2验算破裂面是否与假设一致
堤顶破裂面距墙踵距离:
荷载内边缘距墙踵距离:
荷载外边缘距墙踵距离:
因为:
8.68<11.83<21.68,故破裂面交于荷载内,所以假设计算图式符合实际。
5.2.3主动土压力系数K
5.2.4主动土压力E
式中,a——路堤倾斜段至路堤顶面距离,
;
——墙背倾角,
,当墙背俯斜时
值为正,仰斜为负;
——墙背摩擦角,
;
5.3土压力作用位置
图3挡土墙受力
6.挡土墙的验算
6.1抗滑移验算
墙身截面积:
34.97(m2) 重量:
抗滑稳点先按基底水平计算:
,不满足
将基底改为倾斜基地,坡度0.2
安全
6.2抗倾覆验算
相对于墙趾点,墙身重力的力臂 Zw = 2.97 (m)
相对于墙趾点,Ey的力臂 Zx = 3.57 (m)
相对于墙趾点,Ex的力臂 Zy = 4.13 (m)
验算挡土墙绕墙趾的倾覆稳定性
倾覆力矩=1065.5(kN-m)抗倾覆力矩=2508(kN-m)
倾覆验算满足:
K0=2.35>1.500,安全
6.3地基应力及偏心距验算
基础为天然地基,验算墙底偏心距及压应力
取倾斜基底的倾斜宽度验算地基承载力和偏心距
作用于斜基础底的法向力=793.94(kN)
作用于墙趾下点的总弯矩=1236(kN-m)
基础底面宽度
偏心距
基底压应力:
趾部=281.5Kpa踵部=183.3Kpa,均小于350Kpa,合格
最大应力与最小应力之比=281.5/183.3=1.53
6.4基础强度验算
基础为天然地基,不作强度验算
6.5墙底截面强度验算
6.5.1过墙趾的水平截面法向应力和偏心距验算
验算截面以上,墙身截面积=34.97(m2)重量=804.31kN
相对于墙趾点,墙身重力的力臂 Zw = 2.97 (m)
相对于墙趾点,Ey的力臂 Zx = 3.57 (m)
相对于墙趾点,Ex的力臂 Zy = 4.13 (m)
6.5.2过墙趾的水平截面剪应力验算
,满足。
6.6极限状态验算法
6.6.1极限状态法的设计准则
挡土墙承载能力极限状态的基本条件为
式中,
——结构重要系数;
——荷载效应的组合设计值;
——抗力材料的强度标准值;
——抗力材料的强度设计值;
——结构材料、岩土性能的分项系数;
——结构或构件几何参数的设计值。
当采用荷载效应组合时,荷载效应的组合设计值
按下式计算:
式中,
——荷载标准值的效应;
——在荷载组合起控制作用的一个可变荷载标准值的效应;
——第i个可变荷载标准值的效应;
——第i个可变荷载组合值系数,当计算地基应力时,可取1.0。
6.6.2抗滑稳定性验算
沿墙踵处地基土水平面滑动的稳定性验算
抗滑稳定性满足要求。
6.6.3抗倾覆稳定性验算
加了倾斜基底之后土压力的增量产生的弯矩对结构有利,而且产生的弯矩较小,所以倾覆力矩仍按没加倾斜基底时来算。
抗倾覆稳定性满足要求。
6.6.4基底应力及合力偏心距验算
荷载效应标准组合,重力增大对挡土墙有利作用,分项系数取0.9,墙后主动土压力增大对挡土墙起不利作用,分项系数取1.3,作用于基底形心的弯矩和垂直力为
基底合力偏心距为
基底两边缘的压应力为
基底最大压应力有
满足要求。
6.6.5墙身截面验算
在某一类荷载效应组合下,荷载效应的组合设计值按下式计算:
式中,S——荷载效应的组合设计值;
、
——荷载的分项系数;
——第i个垂直永久荷载的标准值效应;
——土侧压力、水浮力、静水压力、其他可变荷载的标准值效应;
——荷载的综合效应组合系数。
Ⅰ-Ⅰ截面为最危险截面,只须验算此截面即可。
如图三所示
图41-1截面
6.6.5.1合力偏心距验算
在荷载组合Ⅱ下,荷载对计算截面形心的总力矩设计值为
挡土墙墙身或基础为圬工构件时,偏心受压构件计算截面上的轴向力偏心距
计算得
受压合格。
抗剪承载力验算:
抗剪承载力合格
7.改进措施
可以改进的地方,明显圬工尺寸过大,用其他类型挡土墙更为合适。
但是若单独考虑重力式挡土墙,本例中的安全系数都偏高,说明圬工体偏大,同时由于基底埋深有2.1m,被动土压力部分忽略引起需要很大的圬工自重才能保证抗滑,事实计算的被动土压力水平分力约为300kN,基本考虑后尺寸可以明显缩小,大概经过改进挡土墙顶部的宽度2m可以基本满足验算,更为经济。
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