重力式挡土墙及衡重式挡土墙

重力式挡土墙重力式挡土墙，指的是依靠墙身自重抵抗土体侧压力的挡土墙。重力式挡土 墙可用块石、片石、混凝土预制块作为砌体，或采用片石混凝土、混凝土进行整 体浇筑。半重力式挡土墙可采用混凝土或少筋混凝土浇筑。重力式挡土墙可用石 砌或混凝土建成，一般都做成简单的梯形。它的优点是就地取材，施工方便，经 济效果好。所以，重力式挡土墙在我国铁路、公路、水利、港湾、矿山等工程中 得到广泛的应用。常见的重力式挡土墙高度一般在56 m以下，大多采用结构简单的梯形截 面形式，对于超高重力式挡土墙（一般指6m以上的挡墙）即有半重力式、衡重 力式等多种形式，如何科学地、合理地选择挡土墙的结构形式，是挡土墙技术中 的一项重要内容。由于重力式挡土墙靠自重维持平衡稳定，因此，体积、重量都大，在软弱地 基上修建往往受到承载力的限制。如果墙太高，它耗费材料多，也不经济。当地 基较好，挡土墙高度不大，本地又有可用石料时，应当首先选用重力式挡土墙。重力式挡土墙一般不配钢筋或只在局部范围内配以少量的钢筋，墙高在6m 以下，地层稳定、开挖土石方时不会危及相邻建筑物安全的地段，其经济效益明 显。重力式挡土墙的尺寸随墙型和墙高而变。重力式挡土墙墙面胸坡和墙背的背 坡一般选用1： 0.21： 0.3，仰斜墙背坡度愈缓，土压力愈小。但为避免施工 困难及本身的稳定，墙背坡不小于1： 0.25,墙面尽量与墙背平行。对于垂直墙，当地面坡度较陡时，墙面坡度可有1: 0.051： 0.2，对于中、 高挡土墙，地形平坦时，墙面坡度可较缓，但不宜缓于1： 0.4。采用混凝土块和石砌体的挡土墙，墙顶宽不宜小于0.4m；整体灌注的混凝 土挡土墙，墙顶宽不应小于0.2m ；钢筋混凝土挡土墙，墙顶不应小于0.2m。通 常顶宽约为H/12,而墙底宽约为（0.50.7） H，应根据计算最后决定墙底宽。当墙身高度超过一定限度时，基底压应力往往是控制截面尺寸的重要因素。 为了使地基压应力不超过地基承载力，可在墙底加设墙趾台阶。加设墙趾台阶时 挡土墙抗倾覆稳定也有利。墙趾的高度与宽度比，应按圬工（砌体）的刚性角确 定，要求墙趾台阶连线与竖直线之间的夹角0 （图63），对于石砌圬工不大 于35。，对于混凝土圬工不大于45。一般墙趾的宽度不大于墙高的二十分之一, 也不应小于0.1m。墙趾高应按刚性角定，但不宜小于0.4m。墙体材料：挡土墙墙身及基础，采用混凝土不低于C15，采用砌石、石料 的抗压强度一般不小于MU30,寒冷及地震区，石料的重度不小于20kN/m3, 经25次冻融循环，应无明显破损。挡土墙高小于6m砂浆采用M5；超过6m高 时宜采用M7.5，在寒冷及地震地区应选用M10。1常见重力式挡墙的墙背与墙正面结构形态重力式挡土墙可按墙背的坡度分为仰斜式、垂直式与俯斜式 3 种形式。挡土 墙土压力计算是一个复杂的课题，目前工程上应用较多的有库伦理论和朗肯理 论，但郎肯理论假定墙背和填土间没有摩擦力，即设墙摩擦角d=0,计算得出的 主动土压力偏大，设计偏于保守，可以认为朗肯理论是库伦理论中的一种特例。 库伦理论揭示了挡墙内各种受力因素的规律，即墙摩擦角、墙背仰斜角及填土表 面倾角越小，产生的主动压力越小，反之，主动土压力就越大。据此可知仰斜式 墙背所产生的主动压力最小，俯斜式最大，垂直式介于两者之间。当然，不能单 凭主动土压力的大小来选择挡墙形式，需要结合工程实际情况来综合考虑。如挡 土墙建造时需要挖方，因仰斜式墙背可与开挖临时边坡结合，施工方便，而俯斜 式须在墙背回填土，因此仰斜式比较合理；反之，如墙背需回填土则宜采用俯斜 式和垂直式，使填土易于夯实。在水利工程中，由于有一些特定条件（如水流等）的限制，实际运用中常采 用俯斜式挡墙，并且一般把挡土墙的下部做成底板形式，底板有利于其稳定性， 从而可相应减小挡土墙的结构尺寸，达到经济、适用的目的。1.2 挡土墙的正面结构形态挡土墙就正面形态而言可分为挡墙外墙垂直与仰斜两种。在同等条件下，采 用外墙面垂直的挡墙基底压力大，稳定性较差，而外墙面仰斜的则要好些。因此 在公路挡土墙中普遍采用的是外墙面仰斜的挡土墙。但是用于城市市政建设中的 挡土墙是以外墙面垂直居多，这是因为： 墙面垂直形式挡土墙占地面积小，节约宝贵的城市用地，相对来讲更经济; 外墙面垂直的挡墙在外观上与周围城市建筑物更显得和谐统一； 在水闸、船闸闸室岸墙以及其他一些水利工程中，由于设置闸门或水流等 条件的限制，挡土墙外墙面必须做成垂直形式。2 超高重力式挡土墙的结构形式及其适用性2.1 半重式挡土墙半重力式挡土墙墙身截面较小，常用混凝土建造，并在强度不够的地方配置 钢筋，可进一步提高挡土墙的高度，但其底板需要有足够的宽度来满足稳定性， 其耗钢量比较大、造价较高，而且其墙体均为立模现浇，装模难度大，施工不易， 因此工程实际中较少使用。2.2衡重式挡土墙衡重式挡土墙的最大优点是可利用衡重平台上的填土重、迫使墙身整体重心 后移，使基底应力趋于均衡，增加了墙身的稳定性、这样可适当提高挡土的高度， 但从另一方面来讲，衡重式挡墙的构造形式又限制了其基底不可能做得很大，因 此就扩散挡墙基底应力而言，衡重式挡土墙反而不如其他形式的挡土墙，其提高 挡土的高度也是比较有限的。2.3 带卸荷板的重力式挡土墙带卸荷板的重力式挡墙，既可以利用卸荷板上的填土重来迫使墙整体重心后 移使基底压力趋于均衡，又在很大程度上减小了土体对挡墙的主动土压力，如能 科学地、合理地使用，可大大地提升挡墙的高度，因此在港口工程中此种挡土墙 得到广泛的应用。可以说在墙背为填方的超高挡土墙中，这是一种非常经济和适 用的挡土墙。1996年，湛江市重点建设工程之一的市区20万t/d供水工程，其 泵站厂区建于一山坡处，最高填土超过8m，需建长达100 m、高8.5 m的挡土墙。经过多个方案比较后，采用了带卸荷板形式的重力式挡土墙，此挡土墙建成至今 已运行 7 年多，使用效果非常好。3重力式挡土墙的构造措施挡土墙的构造措施对其质量有举足轻重的影响，绝对不可掉以轻心，现实中 有些挡土墙的计算方法并无差错，砌筑方法又遵规守法，可是一旦雨季来后，就 出现挡土墙失稳，甚至崩塌事故，原因是忽视了挡土墙构造措施的规定。在挡土 墙前无水的情况为了降低挡土墙墙后的水压力，通常在墙身布置适当数量的泄水 孔，使墙后积水或地下水易于排出，墙后泄水孔进口位置要求做反滤体，以免淤 塞。另外，由于墙高、墙后土压力以及地基压缩性的差异必须设置沉降缝，同时 为避免因混凝土及砖石砌体的收缩与温度变化等作用引起的破裂，需要设置伸缩 缝。通常将这两种缝结合在一起，每隔15N25 m设一道，缝宽约20 mm,内填 沥青油毛毡或嵌入沥青砂板等材料用以防止墙后填料流失。对高度较高或特别重 要的挡土墙，施工时要慎重选定回填土容量、内摩擦角以及回填土的含水量。为 了防止墙后积水渗入基础，应在最低泄水孔下部设粘土层并夯实，同样为了防止 墙前积水渗入基础，应将墙前回填土分层夯实。在靠近挡土墙处不宜采用大型机 械碾压，可用人工分层夯实，以免机械碾压时对墙体产生不利影响。只有这样， 才能确保挡土墙的工程质量。挡土墙设计1 重力式挡土墙的一般形式及常用结构尺寸 重力式挡上墙主要依靠墙体自重，来保持墙体在土压力作用下的稳定。因 体积和自重较大，不宜修筑太高，一般不超过5m为宜。根据墙背的坡度分成仰 斜式、垂直式及俯斜式。这 3 种形式中，仰斜式及垂直式受力条件较好，但实际 应用要根据具体条件拟定。比如墙背要与开挖的临时边坡相结合宜采用仰斜式 挡土墙；若墙背需填土，用地紧张，宜采用俯斜式较好。a. 俯斜式挡土墙，墙底宽约为墙高的1/2左右墙预宽度按构造确定， 一般为 30cm50cm。b. 垂直式挡土墙，墙面坡度可采用20:15:1c. 仰斜式挡土墙，墙背坡度愈缓，土压力愈小，但墙背不宜缓于4:1.墙 面与墙背应保持平行d. 挡土墙基础，墙基伸入地面下80cm100cm.这样对平面滑移及防冲 有一定保障2 应用假定断面的基本设计理论从重力式挡土墙的受力分析看，挡土墙设计主要考虑下列 3 种情况需要满 足：閹2 基础满足基上压应力，合力作用点不超出底宽中心 1/3。重力式挡土墙一 般均属于偏心受压，故截面强度应按偏心受压构件进行验算：通常选择 一两个控制性断面进行墙身应力和偏心距验算，如墙身底部、二分之一 墙高和断面形状突变处。1. 法向应力验算如图 2-5-17 所示，断面 11 为验算截面。若截面以上墙背受的主动土压力为E,其水平与图2-5-16值心距过大时的基底应 力分布图2-5-17墙身断面强度计算垂直分力分别为肛占y，此截面以上的墙重为跖，这时作用于断面M的合力偏心矩务为；跖+ Eg-Z(N = f -跖氐 +自勺-虹红(2-5-28)断面两边缘的法向应力为：叽=环：(1 土学)W0(2-5-29)min场式中：一断面11处墙身宽度,m;8 4时分别为验算断面的最大与最小法向应力，k內；垢工砌体的容许压力应力,kPaQ按现行公路砖石及混凝土桥涵设计规范 的规定采用二2. 切应力验算11断面上的切应力为：G 二卷Wt(2-5-30)式中：曰垢工砌体的容许切应力，kP叭按有关规范采用。当墙身断面出现拉应力时应考虑裂缝对受剪面积的折减。一般情况下，由 于墙身截面的切应力远小于其容许值，可不进行这方面的验算。 满足倾倒安全性，如图2挡土墙的倾斜，以绕A点可能性为最大，土压力E对A点的力矩为主动旋转力矩M，所有垂直力(G G为挡墙自重.G3为E 1 2墙背竖直上方堆土重量)对A点的力矩总和工M为反抗旋转力矩，只要反抗旋G转力矩工M人于主动旋转力矩M，则墙不致倾倒。GE合力的偏心距宅按下式求得:(2-5-25)式中：工My稳定力系对墙趾的稳定力矩fkN*m;Y Mq顷覆力系对墙趾的倾覆力矩,kN*m;乙、比一分别为E、E,对墙趾的力臂,m；瓦墙重常对墙趾的力臂航容许的抗倾覆稳定性系数，对于荷载组合IKO = 1.5;荷载组合II- IV为 1.3;荷载组合为1-2。当KvK訂时，表明挡土墙的抗倾覆稳定性不足，此时，叮考虑采用下列措施，以增加抗 倾覆稳左性。1 加宽墙趾，即在墙趾处加宽基础，以增大力臂。但当墙趾的地面 横坡较陡时，会因加宽墙趾而使墙高增加。2. 减缓墙面坡度，以增加力臂3. 改陡墙背坡度，以减小土压力。4-墙背设置衡重台，增加抗倾覆力矩。（四）基底应力及偏心距验算由图2-5-15可知，作用于基底的垂直力为N= W+Ey.基底合力的 偏心距为旬，按力矩平衡原理口计算丹对墙趾。的力臂龙曾B = 7在偏心荷载作用下，基底的最大应力和最小应力为:(2-5-26)6 _理曲一空旦（1 土如*小巴一 A 士既-B U B式中；N基底合力垂直于基底面的分力,kN；Y胚一作用于挡土墙上的水平力和竖向力对基底重心的弯矩AN-m;A基础底面的面积,mi对1 m长挡土墙而言M = BB基底宽度,ni;基础底面的截面抗抵矩mb%：*庆; 满足滑移安全性，如图2.水平力E的作用，可使墙滑移，只要所有垂直 力G对基础底面产生的摩擦阻力R大于E,则墙不致滑移。（肝+氐廿一般地区的挡土墙,作用于墙上的力系有：1 挡土墙自重及位于墙上的恒载；2.作用于墙背上的丰动土压力（包括墙后填料破坏棱体上的荷载）;乳基底的法向反力及摩阻力图25i4扌当土墙的滑 动与倾覆稳 定各种力的取舍，应根据挡土墙所处的具体工作条件，按最不利的组介 作为设计的依据（二）抗滑动稳定性验算如图2-5-14所示,在主动土压力的水乎分力民作用下,使掛土墙向外 滑动，抵抗滑动的是基础底面与地基之间的摩阻力。抗滑力与滑动力的比 值称为抗滑稳定系数，用&表示，在一般情况下：Kc =（呼;乞 氐（2-522）式中：W挡土墙白重北N； 瓦、Ey主动土压力的水平与垂直分力，kN;尸一基础底面（垢工）与地基土之间的摩擦系数。可通过现场试验确定，当无实测资 料时，可参考表2-5*3选用；艮容许的抗滑动稳定系数，对于荷载组合1理为13荷载组合V为】.2。基底犀擦系数表2-5-3地基土名称f地基士名称F软塑状态0.25砂类土0.40粘性上硬塑状态0.30碎（卵）石类十0.50半干哽状态0.30-0.40软质岩石0.4-0.6轻亚粘h0.300.40砸质岩石0.6-0.73 假定断面的简易验算方法及举例3.1验算公式 基土压应力 = 6N （” 土 e）小于基础的安全载重。d 2 6其中：N垂直总力EG;d墙底宽度。合力作用点与底脚中心线的偏心距e 1.5 （通常取1.5可以，取2.0足够）。GE 滑移安全率 R / E 1.5 1.5。3.2应用举例（假定断面的数据如图 3）so300M 3已知：土壤容重丫 .=1750kg / m3浆砌块石容重丫 =2400kg/m3 土壤的天然坡ab角申=33。土壤的安全载重5 =2kg/cm2验算如下：土压力：E = -Y h2 tan（45。-9） = 64.5 KN2 a-2土压力作用点对A点的垂直距离.L= 1/3xh=1.667m则主动旋转力矩：M = L=64.5x1.667=107.5kN -mEG =3.0x0.9x2.40=64.8kN1G =0.5x4.1x2.40=49.2kN2G = 1/2x2.1x4.1x2.40=103.3kN3G = 1/2x2.1x4.1x1.75=75.3kN4G =0.2x4.1x1.75=14.35kN5工 G=306.95kN对 A 点的力矩：M = G X1.5=97.2 kN DmG 11M = G x0.45=22.1 kN DmG 22M = G x1.40=144.6 kN DmG 33M = G x2.1 = 158.2 kN DmG 44M = g x2.9=41.6 kN -mG 55工 M =463.7 kN -mG合力离 A 点的垂直距离：X = m / 工 g =（4637-1075）m306.95=116mX合力作用点的偏心距：e=1.50-1.16=0.34v d,/6=0.5m（作用点在核心 3 分点内）基上压应力：5 =业（d土 e）= 171.9m 32.7kN/m22GE滑移安全率：R/E= nN/E=0.5X 306.95/64.5=2.381.5其中摩擦系数n=0.5，以上假定断面经验算完全合格。4重力式挡土墙应用假定断面设计的一般步骤综上所述，重力式挡土墙断面设计的一般步骤为： 根据施工现场的实际情况比如墙背的坡度以及实际用地与施工难度等， 选定挡土墙形式 根据现场实地测量数据，参照选定形式所常用的结构尺寸，拟定断面尺寸. 验算杭倾覆抗滑稳定性及地基承载力。 根据验算结果，调整断面尺寸或采取措施.如稳定验算达不到完全系数，可采用以下措施：加宽墙的底板增加底板上的填土：将底将下面做成锯齿形，提高抗滑能力：增加墙后的排水措施，减少对墙身的倾向水压力：墙后填充松散 或容重较小的上料。另外，当天然地基承载力不足时应采用人工地基。 根据调整后的断面尺寸，重新验算直到断面合格。