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1、大连理工大学网络教育学院毕业论文（设计）模板 学院专 科 生 毕 业 大 作 业 题 目： 重力式挡土墙设计 学习中心： 层 次： 专 业： 年 级： 学 号： 学 生： 指导教师： 完成日期： II重力式挡土墙设计内容摘要重力式挡土墙由于体积较大、结构简单、施工方便、便于取材、适用性强、故在高速公路中得到了广泛的应用，特别在边坡冶理工作中往往优先采用，但长期以来，对重力式挡墙设计理论及方法没引起足够重视，重力式挡土墙设计一直沿用古老的土压力计算方法、传统的设计理论，使建成后的挡土墙在后期使用中出现质量事故，降低了运营使用阶段的安全系数。故文中对重力式挡土墙设计理论及方法问题进行探讨。关键词：
2、重力式：档土墙：设计目 录内容摘要I引 言11 挡土墙的概述21.1 挡土墙的概念及作用21.2 挡土墙的分类21.3 重力式挡土墙32 挡土墙的设计内容42.1 重力式挡土墙的概述42.2 设计资料42.3 挡土墙的位置及断面形状、尺寸42.4 挡土墙的排水及防水措施62.5 伸缩缝与沉降缝73 重力式挡土墙的检算83.1 重力式挡土墙基底磨擦系数f的取值分析83.2 重力式挡土墙抗倾覆稳定系数计算83.3 重力式挡土墙抗倾覆稳定系数修正公式93.4 重力式挡土墙的土压力理论计算10结 论12参考文献13附 表14引 言在路基防护中，挡土墙的应用十分广泛，在高坡和陡坡路堤的下方设置挡土墙，可
3、防止路堤边坡沿基地下滑，保证路基稳定，同时又可收缩坡脚，减少填方和少占农田，滨河或水库路堤在临水一侧设挡土墙，可防止水流对路基的冲刷和侵蚀，同时也可避免压缩河床或侵占库容。在路堑地段设置挡土墙可支撑开挖后不能自行稳定的边坡，同时减少刷方工程量，在不良地质地段，常以挡土墙加固边坡，此外，挡土墙还被用来整治溜坍、滑坡等路基病害。在山区铁路中，挡土墙的应用更为广泛。1 挡土墙的概述1.1 挡土墙的概念及作用能够保持结构物两侧的土体、物料具有一定高差的结构统称为支挡结构。支撑路堤或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的建筑五称为挡土墙，挡土墙是支挡结构中最常见的建筑物。路基在遇到下述情况
4、时可考虑修建挡土墙：陡坡地段、岩石风化的路堑边坡地段、为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段、可能产生塌方。滑坡的不良地质地段、高填方地段、水流冲刷严重或长期收浸泡的沿河路基地段、为节约用地，减少拆迁或少占农田的地段。1.2 挡土墙的分类挡土墙的分类方法较多，通常按结构形式、建筑材料、墙背形状、墙在断面处的位置等进行分类。1.2.1 按结构形式分根据挡土墙的结构形式可将挡土墙分为重力式挡土墙和轻型挡土墙，重力式挡土墙依靠强身自重来维持稳定，主要有四种形式，即俯斜直线墙背式挡土墙、仰斜墙背式挡土墙、折线墙背式挡土墙和衡重式挡土墙。墙身靠填土一侧称为墙底，墙背与墙底的交线成墙踵，墙面与墙底的交线成
5、墙趾，墙背与竖直面的夹角称为墙背倾角，墙踵到墙顶的垂直距离称为墙高。轻型挡土墙的形式有锚杆挡土墙、锚定挡土墙、桩板挡土墙、薄壁挡土墙、加筋挡土墙。1.2.2 按建筑材料分根据挡土墙所采用的主要建筑材料不同可将挡土墙分为石砌挡土墙、混凝土挡土墙和钢筋混凝土挡土墙等。1.2.3 按挡土墙墙背的倾斜方向分根据挡土墙墙背的倾斜方向可分为俯斜、仰斜和垂直挡土墙三种。墙背向外侧倾斜是称为俯斜，墙背向填土一侧倾斜是称为仰斜，墙背竖直时称为垂直，墙背只有单一坡度是称为直线性墙背，若多余一个坡度，则称为折线形墙背。1.2.4 按挡土墙在路基横断面伤的位置分根据挡土墙在路基横断面伤的位置可分为路肩墙、路堤墙、路堑
6、墙。当挡土墙同于稳定路堑边坡，则称为路堑式挡土墙，当挡土墙置于路肩时，称为路肩式挡土墙，若挡土墙支撑路堤边坡，墙顶以上尚有一定的填土高度，则称为路堤式挡土墙。1.3 重力式挡土墙重力式挡土墙一般有块石或混凝土材料砌筑，重力式挡土墙石靠墙身自重保证墙身稳定的。因此，墙身截面较大，适用于小型工程，通常墙身小于8米，但结构简单，施工简便，能够就地取材，因此广泛应用于实际工程中。本设计采用仰斜墙背式挡土墙，位置才用路堤挡土墙。因为该挡土墙可充分收缩坡脚，大量减少填土和占地，稳定性较好，还可更好的防治溜坍、滑坡等路基病害。2 挡土墙的设计内容2.1 重力式挡土墙的概述重力式挡土墙，是以墙身自重来维持挡土
7、墙，在土压力作用下的稳定，他是我国目前最常见的一种挡土墙的形式，重力式挡土墙多用浆砌片石砌筑，在缺乏石料的地区有时可用混凝土预制块作为气体，也卡直接用混凝土砌筑，一般不配钢筋或只在局部范围配置少量钢筋，这种挡土墙结构简单，施工方便，可就地取材，适应性强，因而应用广泛。由于重力式挡土墙依靠自身来维持平衡稳定，因此墙身断面大，圬工数量也大，在软弱地基上修建是往往受到承载力的限制，当地基较好，墙高不大，且当地有石料时，一般优先选用重力式挡土墙，但墙体过高是，则好才较多，不经济。重力式挡土墙，当墙背只有单一坡度时，称为直线型墙背，若多于一个坡度时，则称为折线形墙背，直线型墙背可做成俯斜、仰斜、垂直时。
8、折线形墙背有凸形折线形墙背和衡重式墙背两种。2.2 设计资料（1）建设地点：铁路局某线DK46+415.00DK46+520.00。（2）建设要求：线路经过的此处是丘陵地区，石材比较丰富，在设计过程中应就地选材，节省工程费用，挡土墙结合当地的地形条件。（3）气候条件：当地的降雨量为每年600mm，雨季集中在6.7.8月份。（4）地形条件：当地主要以山地丘陵为主，有小型山体。（5）地质条件：在地面以下为砂粘土，测得r=18KN/m3，内摩擦角=32。土与墙背摩擦角=30，砂粘土许承载力为380kn/m3，路肩设计标高为322.10。2.3 挡土墙的位置及断面形状、尺寸2.3.1 挡土墙位置的选择
9、及布置形式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，布置前应该现场核对路基断面图，不满足要求时应及时补测，并测绘墙趾出的纵段面图，收集墙趾出的地质和水文资料。（1）挡土墙位置的选定路肩挡土墙因可以充分收缩坡脚，大量减少填方和占地，当路肩与路堤的墙高或横截面圬工数量相近，基础情况相似时，应优先援用路肩墙。若路堤墙的高度或圬工数量比路肩显著降低时，而且可靠时，因选用路堤墙。（2）挡土墙的布置方式纵向布置在墙趾纵断面上进行，布置后总挡土墙正面图，布置内容有：a.确定挡土墙的起讫点和墙长，选择挡土墙语录集或其他结构物的衔接方式；b按第几、地形及墙身断面变化情况进行
10、分段，确定伸缩缝和沉降缝的位置；c布置各挡土墙的基础；d布置泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等。（3）挡土墙的基础埋深挡土墙一般采用名挖基础，当地基为松软涂层是，可采用价款基础换填或桩基础，水下基础挖基有困难时，可采用桩基础或沉井基础。基础埋置深度应按地基的性质，承载力的要求，冻胀土的影响，地形和水文地质条件确定。挡土墙基础埋植与土质地基上时，其基础埋深应符合以下要求：首先，基础埋植深度不小于1m，当有冻结深度小于或等于1m时，应在冻结线以下不小于0.25m，当冻结深度超过1m时，可在冻结线以下0.25m内换填弱冻胀土，但埋植深度不小于1.25m，不冻胀土层中的基础，埋植深度不受深的限制。其
11、次，受水流冲刷时，基础应该埋置在冲刷线以下不小于1m。另外，路堑挡土墙基础地面应在路肩以下不小于1m，不应低于侧沟砌体底面不小于0.2m . 挡土墙基础置于硬质岩石地基上时，应置于风化层以下，当风化层较厚时难以全部清除时，可根据地基的风化 程度及相应的承载力将基地埋于风化层中，置于软质岩石地基上时，埋置深度不小于1m，膨胀地段基础埋置深度不宜小于1.5m 。挡土墙基础置于斜坡地面时，七趾部埋入深度和距地面的水平距离应符合表2.1所示的要求：表2.1 挡土墙基础埋深数据表地层类别 埋入深度距地面的水平距离 硬质岩层 0.6 1.50 软质岩层 1.0 2.00 土 层 1.0 2.502.3.2
12、 挡土墙的断面形状及尺寸重力式挡土墙的构造及尺寸必须满足强度和稳定性的要求，同时应考虑就地取材，经济合理，施工养护的方便与安全等因素。（1）墙身坡度及构造尺寸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1：0.251：0.40。混凝土和片石混凝土强顶宽度不因小于0.4m ，路肩挡土墙顶部应放置帽石，帽石应采用混凝土制作，其厚度不得小于0.4m，宽度不小于0.6m，墙外的飞檐宽度为0.1m 。（2）强身材料铁路路基支当结构设计规范（TB10025-2006）规定，重力式挡土墙墙身材料应采用混凝土或片石混凝土，比之TB10025-2001规范取消另外片石
13、砌体挡土墙，所采用水泥标号不能低于C20。2.4 挡土墙的排水及防水措施2.4.1 挡土墙的排水措施挡土墙排水设施的作用在于疏通墙后土体的水，以免墙后积水使墙身承受额外的静水压力，减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力，消除填料浸水后的膨胀压力挡土墙的排水措施通常由地面和墙身排水两部分组成，地面排水主要时防止地表水渗入墙后土或地基，地面排水措施有：（1）设置地面排水沟，截引地表水。（2）夯实回填土顶面和地表水松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可铺砌层。（3）路堑挡土墙趾前的边沟应予以铺砌加固，以防止边沟水渗入基础。墙身排水主要时为了排除墙后积水，在墙身上应设置向墙外坡度不应小于4%的泄水孔，泄水孔应
14、采用管形材料，其进水测应设反滤层。对于墙后排水不定式填料有冻胀膨胀性时，应在墙后最低排泄水孔至墙顶下0.5m之间全部设置土工合成材料或厚度不小于0.5m的砂家卵石反滤层，既可减轻冻胀或膨胀力对强的影响，又可防止墙后产生静水压力，同时起反滤作用，在靠近路肩或地面的最低排水孔的进水口下部应设置隔水层。2.4.2 防水层的设置为防止水渗入墙身形成东海及水对墙身的腐蚀，在严寒地区或有浸水作用时，常在临水面涂以防水层。（1）石砌挡土墙，先抹一层M5水泥砂浆（2cm厚），再涂以热沥青（2-3mm）。（2）混凝土挡土墙，涂抹两层热沥青（2-3mm）。（3）钢筋混凝土挡土墙，常用石棉沥青及沥青浸制麻布各两层防
15、护，或者加厚混凝土保护层，一般情况下可不设防水层，但片石砌筑挡土墙需用水泥砂浆抹成平缝。2.5 伸缩缝与沉降缝2.5.1 根据墙身断面情况设置沉降缝为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，为避免因地基不均匀沉陷二引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况设置沉降缝，在平曲线地段，挡土墙可按折线形布置，并在转折处以沉降缝断开。设计中一般将沉降缝和伸缩缝合并设置，沿线路方向每隔10-20m设置一道，缝宽为2-3m。自墙顶做到基底，缝内沿墙的内、外、顶三边填塞沥青麻筋或沥青木板，塞入深度不小于0.2m。当墙背为岩石路堑或填石路堤时，可设置空缝，路肩、路堤挡土墙两
16、端应设置锥体护坡。2.5.2 墙后回填土的选择根据土压力理论分析可知，不同的土质对应的土压力时不同的。挡土墙设计中希望土压力越小越好，这样可以减少墙的断面，节省土石方量，从而降低造价。（1）理想的回填土。卵石、硕砾、粗砂、中砂的内摩擦角较大，主动土压力系数小，则作用在挡土墙上的土压力就小，从而节省工程量，保持稳定性，因此上述粗颗粒土为挡土墙后理想的回填土。本设计采用类型的回填土，且回填土年距离等于零，墙后回填土要分层夯实，以提高填土质量。（2）可用的回填土，细沙、粉沙、含水量接近最佳含水量的粉土，粉质粘土和低塑性粘土为可用的回填土，如当地无粗颗粒，外运不经济。（3）不宜采用的回填土，凡软粘土成
17、块的应黏土、膨胀土和耕植土，因性质不稳定，在冬季冰冻时或雨季吸水膨胀将产生额外的土压力，导致墙体外移，甚至失去稳定，故不能用作挡土墙的回填土。3 重力式挡土墙的检算3.1 重力式挡土墙基底磨擦系数f的取值分析重力式挡土墙失稳破坏是指挡土墙整体沿基底或基底土中某一滑动面向外滑移。设计重力式挡土墙时，常常以滑动破坏作为选定挡土墙截面尺寸的决定因素。滑动稳定性是检算土压力及其它外力作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑动的能力，与挡土墙自身重量及墙底与地基土之间的磨擦系数极大，其抗滑稳定系数Ks为搞滑力与滑动力之比，一般可用下式表示。Ks=(G Ey)/Exf；G=ExKs/f-Ey (1)由上式可知:在墙
18、高确定(此时土压力的水平分力及竖向分力Ex、Ey也已经确定)，取规定的Ks值时，如果选定了磨擦系数f，就确定了挡土墙墙身重量G，也就确定了挡土墙墙身截面尺寸。因此，在其它条件确定时，挡土墙墙身重量G与磨擦系数f在反比。磨擦系数f值越小，所需的墙身自重G 就越大。而现行规范规定的磨擦系数f取值表在全国范围内通用，然而各省及地区的土质千差万别，因此导致规范规定的磨擦系数f值在具有普遍适用性时，必然相当保守，使得计算所需的G值比实际所需的G值大，从而使所设计的挡土墙载面尺寸偏大，加大了工程量，提高了工程成本。建议在设计此类挡土墙时应针对不同地区对各种不同类型土质进行实测，建立区域性的f取值范围，以避
19、免设计过于保守。3.2 重力式挡土墙抗倾覆稳定系数计算首先，计算方法探讨重力式挡土墙抗倾覆稳定系数K的计算公式为K=GZG EyZy/ExZx(2)式中，G挡土墙单位长度的土压力水平及竖向分力；Ex，Ey分别为单位长度的土压力水平及竖向分力；ZG，Zy，Zx分别为G，Ey ，Ex对重力式挡土墙趾点的力臂。如，某公高速公路路肩式挡土墙，设计图套用挡土墙标准图，采用仰斜式挡土墙，墙高8m，地基承载力不小于250kN/m2。设计荷裁为汽-20。该挡土墙建成不到半年时间就发生了破坏，墙身整体向外倾斜，并伴有竖向裂缝。破坏形式见图1。事故发生后，首先从施工方面查找原因，挡土墙施工过程各工序原始资料齐全，
20、施工过程各工序质量检验符合规范要求，施工方面的原因可以排除。其次，挡墙破坏图。其按传统设计方法进行验算，与表1结果相同，设计是没有问题的。实际上，设计所依据的挡土墙工作条件已经发生了和很大变化，挡土墙墙前土未及时回填压实，降雨后，雨水由挡土墙墙前渗透至基底粘土，地基土体浸水量越大。墙趾部分地基土体浸水湿软后，地基承载力降低较多，不足以支承墙趾应力，而挡土墙墙踵附近基底土体含水量较少，地基承载力降低较少，因此，在外力作用下，地基土体产生不均匀沉降，墙趾部分陷入地基(现场开挖后测得墙趾陷入地基内34cm左右)，此时挡土墙自重产生的力矩有一部分转化为倾覆力矩，挡土墙自重产生倾覆失稳，倾覆破坏点不在墙
21、趾，而是绕挡土墙基底内某一点发生倾覆破坏。现行抗倾覆稳定系数计算方法的式(2)，应用于重力式挡土墙，其基本出发点是认为挡土墙只能绕墙趾点发生倾覆失稳，一般说来，当计算得到的K1.5时，认为该挡土墙不会产生倾覆破坏。如此之高的安全系数，在实际工程建设中当不致于发生挡土墙的倾覆失稳，然而重力式挡土墙经常发生的失稳破坏总是由最薄弱的点位开始，重力式挡土墙的倾覆失稳破坏，实际上，墙趾点不一定是最薄弱点，最危险的点应当是使倾覆稳定系数最小的点，它位于墙基底内某一点。公式(2)忽略了地基土与挡土墙之间的相互作用，当基底土质较软弱有可能产生不均匀沉降时，墙趾部分在土压力及自重作用下先行产生微小的下陷，此时墙
22、身倾覆点不是在墙趾，而是在墙基底内某一点，故导致所计算的K值比实际的K值大，公式(2)虚假地的提高了抗倾覆稳定系数，偏于不安全。3.3 重力式挡土墙抗倾覆稳定系数修正公式 首先，假设挡土墙绕基底内某一点o发生倾覆失稳破坏，如图2，则挡土墙重量可分为两部分，其中一部分墙体起倾覆作用，重量为G1，另一部分墙体起抗倾覆作用，重量为G2，由于地基土体不承受拉力，故地基土体对挡土墙基底的反力的合力为F，用公式(3)代替公式(2)进行K值的计算。其次，挡墙受力图K=(EyZ4 G2Z2 2/3Fx)/(G1Z1 ExZ3 )(3)式中，x倾覆点o至墙趾点的水平距离；Z1，Z2，Z3，Z4分别为G1，G2，
23、Ex，Ey对倾覆点o的力臂。据魏锡克偏心荷载作用下的地基极限承载力公式可求得F，见式(4)。 (4)式中qo为地基极限承载力，可用文献1公式求得。实际工作中，可以针对不同的挡土墙形式，编成电算程序，变换不同的倾覆点o，算出最小的抗倾覆稳定系数。3.4 重力式挡土墙的土压力理论计算挡土墙在墙背土压力作用下，背离填土方向移动，这时作用在墙背上的土压力将由静止土压力逐渐减小，当墙后土体达到极限平衡，并出现连续滑动面使土体下滑，这时土压力减小到最小值，产生主动土压力，主动土压力计算通常采用朗肯理论或库伦理论。前已叙述，工程建设中重力式挡土墙破坏大多是转动倾覆失稳。因此，在设计重力式挡土墙墙背形式时，为
24、了能减小主动土压力的作用，提高挡土墙的稳定性，通常采用各种形式的折线形墙背，采用库伦理论的基本原理，按照最大主动土压力确定破裂土体的大小，但采用这类方法来进行计算，得到的抗倾覆稳定系数是否是最小值，应值得进一步探讨。也就是说按照最大主动土压力确定的破裂土体的大小，二者不一定相同，不存在对应的关系。折线形墙背主动土压力计算通常采用的延长墙背法将挡土墙人为分成上、下两个墙体，忽略了挡土墙的整体工作特性，实际上使用这种方法计算，客观上造成了计算同一个墙背主动土压力却对应两个不同的墙后破裂土体，违背了挡土墙墙背土体破坏时的整体一致性原则，在现实工程中是不可能发生的。挡土墙向墙前土体方向移动，从而使墙前
25、土体达到极限平衡状态时，产生被动土压力。墙前被动土压力对墙体起稳定的有利作用；其计算方法有两种:朗肯被动土压力和库伦被动土压力。库伦理论假定滑动面是平面，但实际滑动面是曲面，这对主动土压力计算引起的误差一般不大，而对被动土压力引起的误差很大，这是不安全的，故实际计算一般不采用库伦理论的被动土压力，而采用朗肯理论计算被动土压力。挡土墙设计中，目前仅从安全考虑，而不区别具体情况，一律不计及墙前被动土压力对墙体的有利作用是不恰当的，它造成材料上的极大浪费，增加了工程造价。在墙前土体得到可靠保护的情况下，如墙前土体表面有各种形式的铺砌层或其它防护措施能确保土体不被破坏时，应当计及被动土压力的作用以达到
26、降低工作造价的目的。墙前被动土压力的完全发挥需要产生较大的墙体位移，而过大的墙体位移在工程结构中是不允许的，因此必须对被动土压力的理论值进行折减。根据经验，一般取被动土压力的1/3值进行设计是安全可行的。所以墙前被动土压力可按式(5)进行计算。 (5)式中，H挡土墙基底至墙前土体地面线之间的距离，即挡土墙墙趾埋深；墙前土体的容量Kp被动土压力系数。规范规定，公路挡土墙基础埋深在一般土质中要求至少1m。在设计时，据地形和土质情况，埋深有的可达24m以上。以下实例可以说明考虑Ep的必要性。例:某挡土墙墙背竖直，墙高6m，水平填土无超载作用，墙背填料=35，=18Kn/m3，=/2，埋深1.5m，地
27、基土体=17Kn/m3，=22，C=11kPa。按库伦理论算得Ea=79.70Kn/m，据式(5)算得Ep=22.17Kn/m，Ep与Ea比较可知，Ep占Ea的27.8%；由此可见，如果考虑Ep的作用，则可以达到减小挡土墙断面尺寸的目的，进而可以降低工程造价。对墙后直线填土且无超载的挡土墙，库伦理论认为土压力的作用点位于下三分点，这种情况只有在土压力沿墙高线性分布时才是正确的；而实际上，挡土墙墙背土压力沿墙高呈非线性分布，故土压力的合力作用点也是依墙背不同倾角，不同光滑程度以及不同填土性质而有所变化。文献4按下述两种情况推导出了水平直线填土且填土为均质、各向同性的理想松散体挡土墙土压力合力作用
28、点的位置。土压力合力作用点距墙底的距离ZP为Zp=Kh (6)K=(tg-tg)tg() tg ()/3tgtg()- tgtg () (7)式中，H挡土墙墙高；墙后填料破裂角；挡土墙墙背倾角；墙背填料磨擦角； not；填土与墙背的内磨阻角。式(7)分两种情况，当计算主动土压力时，“”取“ ”号；当计算被动土压力时，“”取“-”号。结 论综上所述，在重力式挡土墙设计时，工程设计人员应做到结合日常的工作经验，既遵循规范设计方法，又要针对具体挡土墙的实际情况，科学灵活运用基本理论，对挡土墙受力进行合理分析，设计出既经济合理、又安全可靠的结构类型挡土墙。施工单位在施工过程中要严格地保证施工质量，遵守
29、施工规范，防止因修建问题而影响工程质量。参考文献1 彭胤宗，刘兴奇，刘昌清.重力式挡土墙稳定性可靠度的探讨.路基工程，1993.01.2 潘盂永.灰土垫层法在铁路重力式挡土墙湿陷性黄土地基处理设计中的探讨.铁道勘察，2008.1，3 罗一农.重力式挡土墙可靠度设计方法研究.铁道工程学报.2007.8.4 成青，黄太华，谭萍.带钢筋混凝土底板的重力式挡土墙设计.岩土工程界，2004.04.5 包燕燕.某重力式挡土墙设计分析.中国水运(理论版).2006.06.附 表列车和轨道荷载换算土柱高度及分布宽度表项 目单位级铁路级铁路特重型重 型次重型次重型中型轻型土质道床厚度m0.50.50.50.50.450.450.40.35换算土柱换算土柱高Kg/m3.73.73.73.73.53.53.43.3荷载强度kpa60.260.259.759.760.160.199.158.5 重度18kn/m3换算土柱高m3.43.43.43.43.43.43.33.3m3.23.23.23.23.23.23.23.1m3.13.13.03.03.03.03.03.0m2.92.92.92.92.92.92.92.815