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坡地建筑嵌固端与挡土墙的结构设计_谭菲
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你可能喜欢挡土墙的设计步骤_牛宝宝文章网挡土墙的设计步骤专题：挡土墙的设计步骤一、确定墙高二、墙上荷载（主动土压力、墙上移动荷载、振动系数）三、墙体型式四、墙底基底承载力五、计算1）抗倾覆计算（主动土压力+移动荷载*振动系数）2）抗滑动计算（同上 ）3）墙身水平截面强度验算4）墙身垂直截面变位计算（截面应力校核）六、设计1、根据具体情况，通过技术和经济比较，确定墙址位置；2、测绘墙址处的纵向地面线，核对路基横断面图，收集墙址处的地质和水文等资料；3、选择墙后填料，确定填料的物理力学计算参数和地基计算参数；4、进行挡土墙断面型式、构造和材料设计，确定有关计算参数；5、进行挡土墙的纵向布置；6、用计算法或套用标准图确定挡土墙的断面尺寸；7、绘制挡土墙立面、横断面和平面图。挡土墙墙身抗弯强度计算：1 按弹性计算；2 砌体为脆性材料，抗拉能力很差；3 应考虑竖向压力产生的压应力与弯曲拉应力的叠加；4 受拉一侧外缘真实应力=N/A-M/W，小于砌体抗拉能力既是安全的。 第一节 概 述能够保持结构物两侧的土体、物料有一定高差的结构称为支挡结构。支承路堤填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳，而承受侧向土压力的建筑物称为挡土墙。支挡结构在各种土建工程中得到广泛的应用，如铁路、公路工程中可以用于支承路堤或路堑边坡、隧道洞口、支承桥台台后填土，以减少土石方量和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害；水利、港湾工程中支挡河岸及水闸的岸墙；民用与工业建筑中的地下连续墙等。随着大量土木工程在地形复杂地区的兴建，支挡结构愈加显得重要。支挡结构的设计将直接影响到工程的经济效益及安全。挡土墙各部位的名称如图10-1所示，墙身靠填土（或山体）一侧称为墙背，大部分外露的一侧称为墙面（或墙胸），墙的顶面部分称为墙顶，墙的底面部分称为墙底，墙背与墙底的交线称为墙踵，墙面与墙底的交线称为墙趾。墙背与竖直面的夹角称为墙背倾角，一般用表示，墙踵到墙顶的垂直距离称为墙高，用H表示。挡土墙的类型划分方法很多，根据墙体自身的刚度可将其分为柔性挡土墙和刚性挡土墙；根据挡土墙的结构形式可将其分为重力式（包括衡重式）挡土墙和轻型挡土墙；根据挡土墙在路基横断面上的位置可分为：路堑挡土墙、路肩挡土墙、路堤挡土墙、山坡挡土墙、抗滑挡土墙、站台挡土墙等；根据建筑材料可分为石、混凝土及钢筋混凝土挡土墙等；根据所处的环境条件可分为一般地区挡土墙、浸水地区挡土墙与地震地区挡土墙等。由于一些地区石料丰富，使得石砌重力式和衡重式挡土墙得到广泛应用。为适应不同地区的条件和发展新技术的需要，逐步发展了各种形式的挡土墙，如：悬臂式、扶臂式、板桩式、锚杆式、锚定板式、竖向预应力锚杆式、加筋土式和土钉式等新型挡土墙。随着生产和技术的不断发展，今后还将会有一些新的结构形式不断分名称 图10—１挡土墙各部路基在遇到下列情况时可考虑修建挡土墙：(1) 陡坡地段；(2) 岩石风化的路堑边坡地段；(3) 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段；(4) 可能产生坍方、滑坡的不良地质地段；(5) 高填方地段；(6) 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段；(7) 为节约用地、减少拆迁或少占农田的地段；(8) 为保护重要建筑物、生态环境或其他特殊需要的地段。在考虑挡土墙设计方案时，应与其他工程方案进行技术经济比较，例如，采用路堤或路肩挡土墙时，常与栈桥或填方等方案进行比较；采用路堑或山坡挡土墙时，常与隧道、明洞或刷缓边坡等方案作比较，以求工程技术经济合理。 第二节 重力式挡土墙一、概述重力式挡土墙是以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，它是我国目前最常用的一种挡土墙形式。重力式挡土墙多用浆砌片（块）石砌筑，缺乏石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢筋或只在局部范围配置少量钢筋。这种挡土墙形式简单、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重力来维持平衡稳定，因此墙身断面大，圬工数量也大，在软弱地基上修建时往往受到承载力的限制。如果墙过高，材料耗费多，因而亦不经济。当地基较好，墙高不大，且当地又有石料时，一般优先选用重力式挡土墙。重力式挡土墙，当墙背只有单一坡度时，称为直线形墙背；若多于一个坡度，则称为折线形墙背。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；折线形墙背有凸形折线墙背和衡重式墙背两种，如图10-2所示。a) 俯斜e) 衡重式 b) 仰斜 c) 垂直 d) 凸形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，如图10-3所示，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。图10-2 重力式挡土墙墙背形式俯斜墙背所受土压力较大，其墙身断面较仰斜墙背时要大，通常在地面横坡陡峻时，利用陡直的墙面，以减小墙高。俯斜墙背可做成台阶形，以增加墙背与填土之间的摩擦力。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之间设有衡重台，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。由于采用陡直的墙面，且下墙采用仰斜墙高的影响 图10—３地面横坡对墙背，因而可以减小墙身高度，减少开挖工作量。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。 二、重力式挡土墙的构造重力式挡土墙的构造必须满足强度与稳定性的要求，同时应考虑就地取材，经济合理、施工养护的方便与安全。1.墙身构造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，如图6-4所示。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。图10-4 挡土墙墙背和墙面坡度仰斜式挡土墙墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度；衡重式挡土墙墙面坡度采用1:0.05，所以在地面横坡较大的山区，采用衡重式挡土墙较经济。衡重式挡土墙上墙与下墙的高度之比，一般采用4:6较为经济合理。对一处挡土墙而言，其断面形式不宜变化过多，以免造成施工困难，并且应当注意不要影响挡土墙的外观。混凝土块和石砌体挡土墙的墙顶宽度一般不应小于0.5m，混凝土墙顶宽度不应小于0.4m。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，宽度不小于0.6m，突出墙外的飞檐宽应为0.1m。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。在有石料的地区，重力式挡土墙应尽可能采用浆砌片石砌筑，片石的极限抗压强度不得低于30MPa。在一般地区及寒冷地区，采用M7.5水泥砂浆；在浸水地区及严寒地区，采用M10水泥砂浆。在缺乏石料的地区，重力式挡土墙可用C15混凝土或片石混凝土建造；在严寒地区采用C20混凝土或片石混凝土。为保证列车正常运行、线路养护及行人的安全，路肩挡土墙在一定条件下，应设置防护栏杆。 为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝。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。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。设计中一般将沉降缝和伸缩缝合并设置，沿线路方向每隔10～25m设置一道，如图10-5所示。缝宽为2～3cm，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0.2 m，当墙背为岩石路堑或填石路堤时，可设置空缝。2.排水设施 图10-5 沉降缝与伸缩缝挡土墙排水设施的作用在于疏干墙后土体中的水和防止地表水下渗后积水，以免墙后积水致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；消除粘性土填料浸水后的膨胀压力。挡土墙的排水措施通常由地面排水和墙身排水两部分组成。地面排水主要是防止地表水渗入墙后土体或地基，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松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可设铺砌层；（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。墙身排水主要是为了排除墙后积水，通常在墙身的适当高度处布置一排或数排泄水孔，如图10-6所示。泄水孔的尺寸可视泄水量的大小分别采用0.05m30.1m、0.1m30.1m、0.15m30.2m的方孔或直径为0.05m～0.1m的圆孔。孔眼间距一般为2～3m，干旱地区可予增大，多雨地区则可减小。浸水挡土墙则为1.0～1.5m，孔眼应上下左右交错设置。最下一排泄水孔的出水口应高出地面0.3m；如为路堑挡土墙，应高出边沟水位0.3m；浸水挡土墙则应高出常水位0.3m。泄水孔的进水口部分应设置粗粒料反滤层，以防孔道淤塞。泄水孔应有向外倾斜的坡度。在特殊情况下，墙后填土采用全封闭防水，一般不设泄水孔。干砌挡土墙可不设泄水孔。图10—６ 挡土墙泻水孔及反滤层 若墙后填土的透水性不良或可能发生冻胀，应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m的高度范围内，填筑不小于0.3m厚的砂加卵石或土工合成材料反滤层。既可减轻冻胀力对墙的影响，又可防止墙后产生静水压力，同时起反滤作用。反滤层的顶部与下部应设置隔水层。3.防水层为防止水渗入墙身形成冻害及水对墙身的腐蚀，在严寒地区或有浸水作用时，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。4.基础埋置深度挡土墙一般采用明挖基础。当地基为松软土层时，可采用加宽基础、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、冻胀的影响、地形和水文地质等条件确定。挡土墙基础置于土质地基上时，其基础埋深应符合下列要求：（1）基础埋置深度不小于1m。当有冻结且冻结深度小于或等于１ｍ时，应在冻结线以下不小于0.25m（不冻胀土除外）；当冻结深度超过1m时，可在冻结线下0.25m内换填弱冻胀土或不冻胀土，但埋置深度不小于1.25m。不冻胀土层（例如碎石、卵石、中砂或粗砂等）中的基础，埋置深度可不受冻深的限制；（2）受水流冲刷时，基础应埋置在冲刷线以下不小于1m；（3）路堑挡土墙基础底面应在路肩以下不小于1m，并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，难以全部清除时，可根据地基的风化程度及其相应的承载力将基底埋于风化层中。置于软质岩石地基上时，埋置深度不小于1m。挡土墙基础置于斜坡地面时，其趾部埋入深度和距地面的水平距离应符合表10-1的要求。表10-1斜坡地面墙趾埋入的最小尺寸（m）三、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址纵断面图上进行。布置前应现场核对路基横断面图，不满足要求时应补测，并测绘墙址处的纵断面图，收集墙址处的地质和水文等资料。1.挡土墙位置的选定（1）路堑挡土墙的位置通常设置在路基的侧沟边。山坡挡土墙应考虑设在基础可靠处，墙的高度应保证设墙后墙顶以上边坡稳定。（2）路肩挡土墙因可充分收缩坡脚，大量减少填方和占地，当路肩与路堤墙的墙高或截面圬工数量相近、基础情况相似时，应优先选用路肩墙。若路堤墙的高度或圬工数量比路肩墙显著降低，而且基础可靠时，宜选用路堤墙。必要时应作技术经济比较以确定墙的位置。（3）当路基两侧同时设置路肩和路堑挡土墙时，一般应先施工路肩墙，以免在施工时破坏路堑墙的基础。同时要求过路肩墙墙踵与水平面成f角的平面不得伸入到路堑墙的基底面以下，否则应加深路堑墙的基础，或将两者设计成一个整体结构。（4）沿河路堤设置挡土墙时，应结合河流的水文、地质情况以及河道工程来布置，注意应保证墙后水流顺畅，不致挤压河道而引起局部冲刷。（5）滑坡地段的抗滑挡土墙，应结合地形、地质条件，滑面的部位、滑坡推力，以及其它工程，如：抗滑桩、减载、排水等综合考虑；（6）带拦截落石作用的挡土墙，应按落石范围、规模、弹跳轨迹等进行考虑；（7）受其它建筑物如：房屋、公路、桥涵、隧道等控制的挡土墙，在满足特定的要求下，尚需考虑技术经济条件；2.纵向布置纵向布置在墙址纵断面图上进行，布置后绘成挡土墙正面图，布置的内容有：（1）确定挡土墙的起讫点和墙长，选择挡土墙与路基或其它结构物的衔接方式。路肩挡土墙端部可嵌入石质路堑中，或采用锥坡与路堤衔接；当路肩挡土墙、路堤挡土墙兼设时，其衔结处可设斜墙或端墙；与桥台连接时，为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，需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，一般将墙高逐渐降低至2m以下，使边坡坡脚不致伸入边沟内，有时也可用横向端墙连接。（2）按地基、地形及墙身断面变化情况进行分段，确定伸缩缝和沉降缝的位置。当墙身位于弧形地段，例如桥头锥体坡脚，因受力后容易出现竖向裂缝，宜缩短伸缩缝间距，或考虑其它措施。（3）布置各挡土墙的基础。墙址地面有纵坡时，挡土墙的基底宜做成不大于5%的纵坡。但地基为岩石时，为减少开挖，可沿纵向做成台阶。台阶尺寸应随纵坡大小而定，但其高宽比不宜大于1:2。（4）布置泄水孔的位置，包括数量、间隔和尺寸等。此外，在布置图上应注明各特征断面的桩号，以及墙顶、基础、顶面、基底、冲刷线、冰冻线、常水位或设计洪水位的标高等。3.横向布置横向布置选择在墙高最大处、墙身断面或基础形式有变异处。根据墙型、墙高、地基及填土的物理力学指标等设计资料，进行挡土墙设计或套用标准图，确定墙身断面、基础形式和埋置深度，布置排水设施等，并绘制挡土墙横断面图。4.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挡土墙，除了纵、横向布置外，还应进行平面布置，绘制平面图，标明挡土墙与线路的平面位置及附近地貌和地物等情况，特别是与挡土墙有干扰的建筑物的情况。沿河挡土墙还应绘出河道及水流方向、其它防护与加固工程等。在以上设计图中，还应标写简要说明。必要时可另编设计说明书，说明选用挡土墙方案的理由，选用挡土墙结构类型和设计参数的依据，对材料和施工的要求及注意事项，主要工程数量等。如采用标准图，应注明其编号。 四、重力式挡土墙的设计计算挡土墙是用来承受土体侧压力的构造物，它应具有足够的强度和稳定性。挡土墙可能的破坏形式有：滑移、倾覆、不均匀沉陷和墙身断裂等。因此挡土墙的设计应保证在自重和外荷载作用下不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身截面有足够的强度、基底应力小于地基承载力和偏心距不超过容许值。这就要求在拟定墙身断面形式及尺寸之后，对上述几方面进行检算。挡土墙验算方法有两种：一是采用总安全系数的容许应力法；二是采用分项安全系数的极限状态法，以下主要介绍容许应力验算法，对于极限状态法可参阅相关资料。（一）作用在挡土墙上的力系作用在挡土墙上的力系，根据荷载性质及发生概率分为主要力系、附加力系和特殊力系。一般情况下挡土墙只考虑主要力系的影响。在浸水和地震等特殊情况下，尚应考虑附加力和特殊力的作用。主要力系是指经常作用在挡土墙上的力，如图10-7所示，它包括：（1）由填土自重和列车轨道荷载引起的主动土压力水平土压力和垂直土压力； ，可分解为 （2）墙身自重G；（3）墙前土体作用于墙面上的被动土压力（4）墙顶上的有效荷载； ；（5）墙背与第二破裂面之间的有效荷载Wr；（6）基底法向反力R及摩擦力T；（7）常水位时的静水压力与浮力 墙前被动土压力一般不予考虑，当基础埋置较深(如大于1.5m)，且地层稳定，不受水流冲刷或扰动破坏时才予考虑。由于挡土墙前后土体相互作用，而达到被动状态所需的位移量大于达到主动状态的位移量，故墙后土体处于主动状态时，墙前土体难以达到被动状态，因此墙前的被动抗力要比计算公式的被动土压力为小，目前尚无可靠的计算方法，根据经验，并为安全起见，一般取1/3的计算被动土压力值作为墙前的被动抗力。附加力系是指偶然发生的或发生概率很小的力，包括：（1）设计水位的静水压力和浮力；（2）水位退落时的动水压力；（3）波浪冲击力；（4）冻胀压力和冰压力；（5）温度变化的影响力。特殊力系是指暂时的或属于灾害性的，发生几率极小的力，包括：（1）地震荷载；（2）施工及临时荷载，如起吊机、人群、堆载等；（3）水流漂浮物的撞击力。挡土墙设计时，对于单线铁路应按有列车荷载与无列车荷载进行检算；双线铁路及站场内的挡土墙，除按轨道上均有列车荷载进行检算外，尚应按邻近挡土墙的一线、二线有列车荷载与无列车荷载等组合进行检算，并取不利的荷载组合进行设计。冰压力和冻胀力不与波浪压力同时计算,洪水和地震不同时考虑。 （二）挡土墙稳定性检算对于重力式挡土墙，墙的稳定性往往是设计中的控制因素。挡土墙的稳定性包括抗滑稳定性与抗倾覆稳定性两方面。1.抗滑稳定性检算挡土墙的抗滑稳定性是指在土压力和其他外荷载的作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力，用抗滑稳定系数表示，即作用于挡土墙最大可能的抗滑力与实际滑动力之比，如图10-8所示。一般情况下，有：（10-1）式中：∑N — 作用于基底的上的总垂直力，即挡土墙墙身自重G、墙背主动土压力的竖直分力裂面之间的有效荷载 、墙顶上的有效荷载及墙背与第二破之和，其值为：— 墙背主动土压力的总水平分力；f— 基底摩擦系数，其数值可通过现场试验确定，如无试验值，按表10-5采用。沿基底抗滑稳定系数1.3，考虑附加力系时，不应小于不小于1.2。但设计墙高大于12～15m时，应注意适当加大值，以保证挡土墙的抗滑稳定性。当挡土墙抗倾覆稳定性已满足而受抗滑稳定性控制时，可采用设置倾斜基底的方法以增加挡土墙的抗滑稳定性。基底倾斜度，一般地基不大于1:5；浸水地基，当 f＜0.5时，不宜设置倾斜基底；当0.5≤ f＜0.10时，倾斜基底不大于1:10；当 f≥0.10时，倾斜基底不大于1:5；岩质地基不大于1:3。设置倾斜基底的方法，是保持墙胸高度不变，而使墙踵下降一个高度Δh,如图10-9所示，从而使基底具有向内倾斜的逆坡。与水平基底相比，可减小滑动力，增大抗滑力，增强挡土墙的抗滑稳定性。需要注意的是，由于墙踵下降了Δh，计算土压力时墙高也应增加了Δh，即计算墙高为： ，由图10-9可知，（10-2）图10-8 滑动稳定性检算 图10-9 倾斜基底若将竖直方向的力和水平方向的力分别按倾斜基底的法线方向和切线方向分解,则倾斜基底法向力为：（10-3）切向力为：（10-4）式中：— 基底倾角，即基底与水平面的夹角。由公式（10-1）可知，设置倾斜基底后挡土墙的滑动稳定系数为：（10-5）由公式（10-5）可以看出，由于设置了倾斜基底，明显地增大了抗滑稳定系数，而且基底倾角 越大，越有利于抗滑稳定性。应当指出，除验算沿基底的抗滑稳定性外，尚应验算沿墙踵水平面上的抗滑稳定性，以免挡土墙连同地基土体一起滑动。因此，基底的倾斜度不宜过大。增加抗滑稳定性的另一种办法是采用凸榫基础，如图10-10所示，凸榫基础是在基础底面设置一个与基础连成整体的榫状凸块，利用榫前土体所产生的被动土压力以增加挡土墙抗滑稳定性。增加抗滑稳定性的措施还有：改善地基，例如在粘性土地基上夯嵌碎石，以增加基底摩擦系数；改变墙身断面形式等。但单纯的扩大断面尺寸收效不大，而且也不经济。2.抗倾覆稳定性检算挡土墙的抗倾覆稳定性是指它抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数表示，其值为对墙趾的稳定力矩之和与倾覆力矩之和的比值，如图10-11所示，表达式为：式中：榫基础（10-6） — 稳定力系对墙趾的总力矩 — 倾覆力系对墙趾的总力矩 （10-7） （10-8） 图10-10 凸一般情况下，抗倾覆稳定性系数不应小于1.5，考虑附加力时，不应小于1.3。当墙高大于12～15m时，应注意加大 值，以保证挡土墙的倾覆稳定性。当抗滑稳定性满足要求，挡土墙受抗倾覆稳定性控制时，可展宽墙趾，如图10-12所示，在墙趾处展宽基础可以增大稳定力矩的力臂，是增强抗倾覆稳定性的常用方法。但在地面横坡较陡处，会由此引起墙高的增加。展宽部分Δb一般用与墙身相同的材料砌筑，不宜过宽。重力式挡土墙Δb不宜大于墙高的10%；衡重式挡土墙Δb不宜大于墙高的5%。基础展宽可分级设置成台阶基础，每级的宽度和高度关系应符合刚性角（即基倾覆稳定性检算 图10-12 展宽墙趾图10-11础台阶的斜向连线与竖直线的夹角）的要求，对于石砌圬工不大于35°；对于混凝土圬工不大于45°，如超过时，则应采用钢筋混凝土基础板。 增加抗倾覆稳定性的措施还有：改变墙背或墙面的坡度以减少土压力或增加稳定力臂；改变墙身形式，如改用衡重式、墙后增设卸荷平台或卸荷板。 （三）挡土墙基底应力及合力偏心距检算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。如图10-13所示，若作用于基底合力的法向分力为∑N，它对墙趾的力臂为，则有：（10-9）合力偏心距e为：（10-10）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 。基底两边缘点，即趾部和踵部的法向压应力、分别为：（10-11）式中：∑M — 各力对中性轴的力矩之和，∑M=∑N 2 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% 。图10-13 基底应力及合力偏心距检算图式 图10-14 基底应力重分布 当︱e︱＞B/10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应力图一边长为3的三角形应力图的形心上，该 。如图10-14所示，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：（10-12）基底压应力或偏心距过大时，可采取加宽墙趾或扩大基础的办法予以调整，也可采用换填地基土以提高其承载力；调整墙背坡度或断面形式以减少合力偏心距等措施。 （四）挡土墙墙身截面强度检算通常，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，如图10-15所示。墙身截面强度检算包括法向应力和剪应力检算。（1）法向应力及偏心距检算如图10-16所示，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 和以及该截面以上的墙身自重，截面的宽度为检算截面的选择 ，则： 图10-15 墙身（10-13）（10-14）， 对于墙身截面偏心距的要求，在只考虑主要力系时，考虑主要力系加附加力系时，截面两端边缘的法向应力为： ，以保证墙型的合理性。（10-15）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%。（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，如图10-15中的Ⅲ—Ⅲ截面。①水平方向剪应力检算：如图10-16，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∑等于Ι-Ι截面以上墙身所受水平土压力 ,则：（10-16）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。②斜截面剪应力验算：如图10-17所示，设衡重式挡土墙上墙底面沿倾斜方向AB被剪裂，法墙身截面检算 图10—１6容许应力剪裂面与水平面成ε角，剪裂面上的作用力是竖直分力∑N和水平分力∑T，则：式中： （10-17） — 上墙土压力的水平分力（KN）；— 上墙土压力的竖直分力（KN）； — 上墙圬工重力（KN）； — △ABC的圬工重力（KN）。当ε角不同时，AB面上的剪应力τ也不同，故τ是ε的函数，即：（10-18） 式中： — 剪裂面AB上的切力（KN）； 图10—17 截面剪应力验算l — 剪裂面的长度（m）。(10-19)式中：— 圬土的容重（）（10-20）将式（10-19）、式（10-20）代入式（10-18），并令整理得：（10-21）对式（10-21）微分，令 ，整理得：斜（10-22） 式中：由式（10-22）解出ε角，代入式（10-21）即可求得AB斜截面的最大剪应力。如≤[τ]，说明斜截面抗剪强度满足要求。五、挡土墙常用设计参数1．墙背土的物理力学指标挡土墙背后填料的物理力学指标，最好根据试验确定。无试验指标时，可参照表10-2的数据选用。表10-2 墙背填料的物理力学指标路堑挡土墙，墙背后地层的物理力学指标，在无不良地质情况下，习惯上多参考天然坡角及路堑边坡设计数据综合确定，也可参照表10-3的数据选用。表10-3 路堑边坡物理力学指标2．土与墙背的摩擦角δ土与墙背的摩擦角δ应根据墙背的粗糙程度和排水条件确定，可按表10-4所列数值采用。3．基底与地层间的摩擦系数基底与地层间的摩擦系数，根据基底粗糙程度、排水条件和土质而定，无试验资料时，可采用表10-5所列数值。表10-4 土与墙背间的摩擦角δ4．建筑材料的强度等级及容许应力重力式挡土墙墙身材料一般采用石砌体、片石混凝土或混凝土。其强度等级及适用范围按表10-6采用。石砌体的容许应力按表10-7采用。混凝土的容许应力按表10-8采用。 表10-5 基底与地层间的摩擦系数表10-6 重力式挡土墙材料强度等级与适用范围表10-7 石砌体的容许应力（MPa）表10-8 混凝土的容许应力（MPa）第三节 加筋土挡土墙一、概 述加筋土挡土墙是利用加筋土技术修建的一种轻型支挡结构物，是由墙面板、拉筋、填料三部分组成的复合结构物，如图6-19所示。它依靠填料与拉筋之间的摩擦力作用，平衡填料作用于墙面上的水平土压力，使之形成整体，抵抗其后部填料产生的土压力。现代加筋土的概念和设计理论是20世纪60年代法国工程师Henri Vidal首创的。根据他的设计理论于1965年在法国普拉聂尔斯（Prageres）成功修建了一座公路加筋土挡土墙，该项工程立刻引起了世界工程界的浓厚兴趣，引起了世界各国的重视，得到很高评价。国外誉之为仅次于钢筋混凝土、预应力钢筋混凝土的又一次发明。以后，世界各国普遍开展了加筋土技术的研究和工程试验。图10—19加筋挡土墙组成示意图 日本对加筋土技术的研究和应用也比较早。1967年日本将该技术正式公布为“补强土工法”，并在许多公路、城市道路、边坡等工程中广泛应用。在西班牙，1971年建造了第一座加筋土挡墙，随后的发展和推广应用也相当快。美国1972年修 建加州39号公路时开始使用，联邦公路局专门有班子从事有关研究和应用工作，其推广应用和研究开发也相当快。其它许多国家也先后使用和推广了加筋土技术，加筋土工程已从加筋土挡墙发展应用到桥台、护岸、堤坝、建筑物基础、铁路路堤、码头、防波堤、水库、尾矿坝、储仓及核设施、军用设施等多个领域。 加筋土技术在我国发展和应用是在70年代末才开始的，从理论研究、模型试验和现场试验到机理分析，都取得了有益的成果。年云南煤矿设计院在田坝矿区建成了3座仅2～4m高的试验性加筋土挡墙，这也是我国的第一座加筋土挡墙。1980年又在该矿区建成了一座长57m、高8.3m加筋土挡墙，建成后使用效果良好。该工程的成功引起了我国土木建筑行业的工程技术人员很大的兴趣，随后在公路、铁路、水运、煤炭、林业、水利、城建等行业和部门迅速发展和推广应用。铁路系统于1980年在淮南的铁路枢纽内修建了第一座铁路加筋土挡土墙。目前我国规模最大的加筋土工程，也是目前世界上规模最大的加筋土工程为重庆长江滨江路工程，长约6km，加筋土挡墙墙面积约，墙最高处达33m。铁路系统在广通——大理铁路上成功修建了总墙高为33m的加筋土挡土墙。加筋土结构作为一种新颖的完整结构物，在土工合成材料的应用领域占有较为重要的地位，有关的国际国内学会在加筋土技术的研究和推广应用方面也异常活跃，全国各行业部门的许多工程技术人员也均看好加筋土技术，并在工程实践中不断地研究和探索。由于加筋土在技术上的优越性、显著的经济性和广泛的适用性，加筋土技术获得了国内外更多的青睐。为适应加筋土技术的推广应用，世界上许多国家先后制定并颁发了有关加筋土工程的设计、施工规范和标准，或设计施工指南等。二、加筋土挡土墙的类型1、加筋土挡土墙按其断面外轮廓形式，一般分为：(1) 单面式加筋土挡土墙（图10-20）：（a）路肩式加筋挡土墙 （b）路堤式加筋挡土墙(2) 双面式加筋土挡土墙，双面式中又分分离式、交错式加筋土挡土墙（图10-21）： 图10—20 单面式加筋挡土墙（a）分离式图10—21 双面式加筋挡土墙(3) 台阶式加筋土挡土墙（图10-22）：（a） b）交错式 （b）（2、加筋土挡土墙按其断面结构形式，一般分为矩形、正梯形、倒梯形和锯齿形，见图10-23。 3、加筋土挡土墙按拉筋的形式可分为条带式加筋土挡土墙（拉筋为条带式，每一层不满铺拉筋）和满铺式加筋挡土墙（每一层连续满铺土工格栅或土工织物拉筋）。图10—22台阶式加筋挡土墙（a）矩形 （b）正梯形 （c）倒梯形 （d）锯齿形图10—23 加筋结构断面形式三、加筋土挡土墙的应用范围加筋土挡土墙一般应用于地形较为平坦且宽敞的填方路段上，适用于一般地区的路肩墙，在挖方路段或地形陡峭的山坡，由于不利与布置拉筋，一般不宜使用。滑坡和崩坍等工程地质不良地段由于地质条件复杂，土压力变化较大，可能导致墙面板受力不均产生相互错位，而且这种地段修筑加筋土挡土墙挖方量也比较大，故应慎重采用。加筋土挡土墙高度Ⅰ级干线不宜大于10ｍ。四、加筋土挡墙的优缺点1．优点（1）组成加筋土挡土墙的墙面板和拉筋可以预先制作，在现场用机械（或人工）分层填筑。这种装配式的方法，施工简便、快速，并且节省劳力和缩短工期。（2）加筋土挡土墙是柔性结构物，能够适应地基轻微的变形。在软弱的地基上修筑时，由于拉筋在填筑过程中逐层埋设，所以，因填土引起的地基变形对加筋土挡土墙的稳定性影响比对其它结构物小，地基的处理也较简便。（3）加筋土挡土墙具有一定的柔性，抗振动性强，因此，它也是一种很好的抗振结构物。（4）加筋土挡土墙节约占地，造型美观。由于墙面板可以垂直砌筑，可以大量减少占地。挡土墙的总体布设和墙面板的形式图案可根据周围环境特点和需要进行设计。（5）加筋土挡土墙造价比较低。与钢筋混凝土挡土墙相比，可减少造价一半左右；与石砌重力式挡土墙相比，也可节约20%以上。而且，加筋土挡土墙造价的节省随墙高的增加而愈加显著，因此它具有良好的经济效益。2．缺点(1)挡墙背后需要充足的空间，以获得足够的墙宽来保证内部和外部稳定性。(2) 对于钢材加筋的锈蚀、用作暴露面层的土工合成材料在紫外线照射下的变质，以及填土中聚酯类加筋材料的老化等问题，需要制定合适的设计标准。(3) 由于目前加筋土系统的设计和施工经验仍不成熟，故规范尚需进一步完善。五、加筋土挡土墙的作用机理在工程实践中，我们知道松散的砂土可堆成具有天然休止角的砂堆，粘性土体可开挖出一定高度的垂直坡面。如果在砂土中分层埋设水平向的加筋材料，则这种由砂土和加筋材料形成的筋土复合体就可保持一定的高度和直立状态而不塌成斜坡，它与粘性土体相类似。这表明砂土加筋后所形成的复合体的力学性能和稳定性比未加筋前有所改善和提高。为了弄清砂土加筋后复合体强度和稳定性提高的原因，维达尔等人分别进行了三轴试验和现场试验测试，提出了各种假说来解释和阐述筋土之间的相互作用机理。根据迄今为止的研究结果，筋一土间相互作用的基本原理大致可归纳为两大类：一是摩擦加筋原理，二是准粘聚力原理（或摩尔—库伦理论）。（一）摩擦加筋原理根据加筋土复合体中筋一土之间的基本构造,我们在加筋体中取出一微段来分析。如图10-24所示,微元体长为dl,拉筋左截面受力为,右截面受力为,压住拉筋的法向应力为σ,略去筋带重量和微元体土体重量,设拉筋与土粒之间的摩擦系数为f,b为筋带宽度。由于土的水平推力在该微元段拉筋中所引起的拉力为dT,dT=- 。设dF为土图10—24 磨擦加筋原理 粒与拉筋在该微元段上产生的总摩擦力，则有dF=2σfbdl (10-23)根据对该微元体的受力分析，可知如果dF&dT (10-24)则筋一土之间就不会产生相互错动，换句话说，土的水平推力被筋一土之间的摩擦力所克服，微元体保持稳定，反之则不能保持稳定。从式(10-23)和式(10-24)可知，拉筋材料要满足两点：一是表面要粗糙，能使筋一土之间产生足够的摩擦力；二是要有足够的强度和弹性模量，前者保证在筋一土之间产生错动前拉筋不被拉出，后者保证拉筋的变形与土体的变形大致相同。在加筋土挡墙中，墙体由于受土体的推力产生破坏时(暂将加筋土体看成无筋土体)，依据朗金理论，沿主动破裂面BC将墙体分为主动区和稳定区，见图10-25。下滑土棱体ABC自重产生的水平推力对每一层拉筋形成拉力，欲将拉筋从土中拔出，而稳定区土体与筋带的摩擦阻力阻止拉筋被拔出。如果每一层拉筋与土体的摩擦阻力均能抵抗相应的土推力，财整个墙体就不会出现BC滑动面，加筋土体的内部稳定 就有保证。设每层筋带所受的土体的水平推力为T，那么(10-25)式中：σ— 压住拉筋的法向应力；l — 筋带长度；f — 拉筋与土粒间的摩擦系数；b — 拉筋筋带宽度；— 拉筋在稳定区的长度。式(10-25)为判定加筋体稳定与否的必要条件。这一点为我们在工程中的实际计算提供了思路。按上述的摩擦加筋原理分析，拉筋的工作类似于通过筋带结构钳固在稳定土体中，所以，稳定区又称为锚固区，拉筋在稳定区的长度Lb：称为锚固段长度或有效长度。摩擦加筋原理由于概念明确、简单，在加筋土挡墙的足尺试验中得到较好的验证。因此，在加筋土的实际工程中，特别是加筋土挡墙工程中得到较广泛的应用。但是， 图10—25 加筋挡土墙的受力分析 摩擦加筋原理忽略了筋带在力作用下的变形，也未考虑土是非连续介质、具有各向异性的特点。所以，对高模量的加筋材料，如金属加筋材料比较适用，对加筋材料模量较小、相对变形较大的合成材料(如塑料带等)，其结果则是比较近似的。(二)准粘聚力原理加筋土结构可看作是各向异性的复合材料，一般情况下拉筋的弹性模量远远大于填土的弹性模量，拉筋与填土共同工作，外测强度包括了填土的抗剪力、填土与拉筋的摩阻力和拉筋的抗拉力的共同作用，使得加筋土的强度明显提高。这一点在加筋砂圆柱土样与未加筋砂圆柱土样三轴对比试验中得到验证。 砂土试样在单轴压力下受到压密，土样侧向在侧压力作用下发生侧向应变。如在土中布置了拉筋，由于拉筋对土体的摩擦阻力，当土体受到垂直应力作用时，在拉筋中将产生一个轴向力，起着限制土体侧向变形的作用，相当于在土中增加了一个对侧压力的反力，使土的强度提高了。根据维达尔等人的试验，加筋土的强度与土的抗剪强度、土和拉筋间的摩擦系数、拉筋的抗拉强度、拉筋数量等有关。加筋土在受力变形过程中可能出现拉筋抗拉极限状态、拉筋与填土间摩擦厂粘着极限状态以及填土抗剪极限状态。加筋土的强度分析主要针对前两种，第三种只有当拉筋与填土的弹性模量相近时才会出现。加筋砂样比无筋砂样强度提高，可根据库仑理论和摩尔破坏准则来加以解释。根据库仑理论，土的极限强度为(10-26)式中：—土的极限抗剪强度；ζ—土体上受到的正应力；c — 土的粘聚力；—土的内摩擦角。当c=0时为砂土，c≠0时为粘性土。设为土样破坏时的最大主应力，为土样侧面的最小主应力。根据土样破坏时土样的摩尔圆与土样的库仑强度线相切的条件，可得(10-27)在三轴对比试验中，如果未加筋砂土样在、 作用下达到极限平衡[见图10-26]，保持不变，则加筋砂在相同应力状态下未破坏，而是增至时才达到极限破坏状态，（如摩尔圆c)所示。砂样在加筋前后的 值不变，加筋后土的强度提高了，它应有一条新的强度线来反映这些关系。度曲线 图10—27 无筋砂及加筋砂强 比较未加筋砂和加筋砂试验的极限平衡条件，加筋砂多了一项由 引起的强度增加，或者说承载力增加。从三轴对比试验的结果来看(见图10-27)，加筋砂与未加筋砂的强度线几乎完全平行，说明加筋前后砂样的值基本不变，但加筋砂的强度曲线不通过 坐标原点，而与纵坐τ相截，其截距 ，相当于式(10-27)中的c。因此，加筋砂土力学性能的改善是由于新的复合土体具有某种“粘聚力”的缘故。砂土本身是没有这个“粘聚力”的，而是砂土加筋后的结果。在试验中对加筋砂样施加的侧向力为受到的侧压力是，而，而实际上砂样正是由于砂与拉筋间的摩阻而产生的，但在最后结果的表述中却被“c”所代替。事实上它不是粘聚力，而应是加筋土的强度增量。为表述方便，将这个“粘聚力”称为“准粘聚力”或“似粘聚力”，它反映了加筋土这个复合体本身的材料特性。将 看作加筋土的强度增量，用该原理不但可分析加筋砂的工作的推导如下：用代机理，同样可用来分析粘土类加筋土。 把加筋砂的三轴试验当作无筋砂试验，相应的替，当其达到极限平衡状态时，有(10-28)由式(10-27)和式(10-28)，可得（10-29）由上式得(10-30)为等效应力增量，它是由加筋砂土体中的拉筋产生的，无法直接测得，可表示为(10-31)取三轴试样破裂时的土体为脱离体(见图10-28)，作用在脱离体上的作用力有：轴向应力(破坏时为、 )、水平应力拉筋拉力T、破裂面上填土的反作用力R。破裂时R与破裂面的夹角为 ，破裂面与水平面的夹角为。设A为试件的截面积，为每层拉筋单位宽度加筋土中拉筋的抗拉力，有(10-32)衡图 图10—28 加筋脱离体力平为加筋土体中拉筋层的竖向间距，根据脱离体的静力平衡条件，其中 ，故（10-33）在破裂面上切向应力τ及法向应力σ之间的关系式可表示为（10-34)比较式(10-34)和式(10-26)，可得(10-35) 六、加筋土挡土墙材料与构造设计 加筋土挡土墙的组成材料应根据具体条件与设计要求合理选用各组成部分的材料，并进行构件设计。（一）填料填料是加筋体的主体材料，由它与拉筋产生摩擦力。其基本要求是：（1）易于填筑与压实；（2）能与拉筋产生足够的摩擦力；（3）满足化学和电化学标准；（4）水稳定性好。为了使拉筋与填料之间能发挥较大的摩擦力，以确保结构的稳定，通常填料优先选择具有一定级配、透水性好的砂类土、碎（砾）石类土。粗粒料中不得含有尖锐的棱角，以免在压实过程中压坏拉筋。当采用黄土、粘性土及工业废渣时应作好防水、排水设施和确保压实质量等。墙背填料为黏砂土、砂粉土时，路基顶面宜采用封闭层。填料粒径不应大于10cm，填料必须分层压实（严禁采用羊足碾碾压），除必须符合铁道部现行的《铁路路基设计规范》规定的压实要求外，在路堤基床以下部分细粒土的压实系数不应小于0.89，粗粒土的相对密度Dr不应小于0.7。 填料的化学和电化学标准，主要为保证加筋的长期使用品质和填料本身的稳定，加筋体内严禁使用泥炭、淤泥、腐质土、冻土、盐渍土、白垩土、硅藻土及生活垃圾等，填料中不应含有大量有机物。（二）拉筋拉筋（又称筋带）的作用是承受垂直荷载和水平拉力，并与填料产生摩擦力。因此，拉筋材料必须具有以下特性：（1）抗拉强度大，不易产生脆性破坏，拉伸变形和蠕变小。（2）与填料之间具有足够的摩擦力；（3）耐腐蚀和耐久性能好；（4）具有一定的柔性，加工容易，接长及与墙面板连接简单；（5）使用寿命长，施工简便。拉筋在土中随着时间推移，有锈蚀或老化的可能，这时板面抗拒外力的能力减弱。挡土墙的稳定主要靠土体本身的自立作用，因此，不宜在急流、波浪冲击及高陡山坡使用加筋土挡土墙。必须设置时，水位以下部分的墙体应采用其它措施，如重力式挡土墙或浆砌片石防护等。 拉筋材料宜采用钢筋混凝土板条或钢带，也可采用钢塑复合带及土工格栅。钢带一般用软钢扎制，分光面带和有肋带两种，有肋带上设置横肋以增加摩擦力。它的横断面为扁矩形。钢带防锈所涉及的因素较多，除表面采取镀锌防锈措施外，还应注意填料中的水及水中的化学物质，并考虑不同设计年限的锈蚀厚度。钢筋混凝土板条表面粗糙，与填料之间的摩擦力较大，加之筋带宽，所以拉筋长度较短，而且造价低。钢筋混凝土板条一般分节预制，每节长度不宜大于2m，做成串连状。平面为长条矩形或宽度变化的楔形，横断面为扁矩形。在满足强度要求的前提下，宜采用宽而薄的扁楔形断面带为好。混凝土标号不应低于C20，主筋为3号钢，直径不小于8mm。为防止或减少混凝土被压裂，往往在混凝土内布设钢丝网。筋带的接长多用焊接，也可用螺栓联结，外露钢筋表面采用沥青纤维布处理，以减缓锈蚀。钢塑复合带采用高强钢丝和添加抗老化剂的塑料复合而成，表面有粗糙花纹。抗拉强度由钢丝承担，塑料对钢丝起防腐作用，设计强度应考虑接头处或破损处的钢丝锈蚀的影响而折减。拉筋一般应水平放置，并垂直于墙面板，当两根以上的拉筋固定在同一锚接点上时，应在平面上成扇形错开，使拉筋的摩擦力能够充分发挥。当采用钢片和钢筋混凝土板条时，水平间距不能太宽，否则拉筋的增加效果将出现作用不到的区域。采用钢筋混凝土板条或钢带做拉筋时，其最大布置间距不宜大于1.0m，采用土工格栅做拉筋时，其层间距离不宜大于1.0m。采用的拉筋长度，在满足稳定的条件下按下列原则确定：（1）墙高小于3ｍ时，拉筋长度不应小于4.0ｍ，且应采用等长拉筋。（2）墙高大于3ｍ而不大于6m时，拉筋长度不应小于5.0ｍ。（3）墙高大于6ｍ时，拉筋长度应大于0.8倍墙高，且不小于5.0m，土工格栅拉筋可减小至0.6倍墙高，且不小于4.0m。（4）当采用不等长的拉筋时，同等长度拉筋的墙段高度，应大于3ｍ，且同长度拉筋的截面也应相同。相邻不等长拉筋的长度差不宜小于1ｍ。 （三）墙面板墙面板的作用是防止填土侧向挤出、传递土压力以便于拉筋固定布设，并保证填料、拉筋和墙面构成具有一定形状的整体。墙面板不仅要有一定的强度以保证拉筋端部土体的稳定；而且要求具有足够的刚度，以抵抗预期的冲击和震动作用；又应有足够的柔性，以适应加筋体在荷载作用下产生的容许沉降所带来的变形。因此，墙面板设计应满足坚固、美观以及运输与安装方便等要求。一般包括预制混凝土面板、干浇混凝土模块、金属板、石笼、焊接钢丝网、喷浆混凝土、木板以及反包土工合成材料等。(1)预制混凝土面板。最小厚度为140mm，形状有十字形、正方形、矩形、菱形或六边形等。垂直方向上相邻面板通常用安全插销等联结物相连。(2)模块式面板。一般是尺寸相对小的混凝土块。这些模块质量从15～50kg不等。不同的建筑物使用的模块高度在100～200mm之间，外表长度通常为200～450mm。可制成实心或空心的。施工过程中，空心模块内用粒料填充。模块通常为干砌，不抹砂浆。垂直方向上相邻模块用安全插销、支架、螺栓等相联。(3)金属面板。最初的加筋土边坡支挡结构系统面板为半圆柱形钢。尽管加筋土挡墙现 在通常使用预制混凝土面板，但是在难以到达或难处理的地方需要较轻的面层材料时，选用 金属面板也是合适的。(4)焊接钢筋网格。钢筋网格在加筋土挡墙前部向上弯曲形成墙面。(5)石笼面层。石笼(充石的钢丝笼)和加筋材料一起可作为面层，加筋材料包括焊接钢筋网、焊接钢带网、土工格栅、土工布等。(6)土工合成材料面层。可将各种类型土工合成材料反包在加筋土结构表面。这样在紫外线的照射下易于老化、易于破坏、失火时易于烧损。可结合绿化植被技术，植物通过筋材网眼生长，既可防紫外线，外观又宜人。（四）基础设计加筋土挡土墙墙面板下应设置厚度不小于0.4ｍ的75号水泥砂浆砌片石或C15混凝土条形基础。基础应埋入地面以下。软弱地基时，在浆砌片石基础下应换填不小于0.5ｍ厚的碎石垫层。在岩石出露的地基上，一般可在基岩上打一层贫混凝土找平，然后在其上砌筑加筋土挡土墙。若地面横向坡度较大，则可设置混凝土或浆砌片石台阶基础。加筋土挡土墙的墙面板应有一定的埋置深度，以防止因土粒流失而引起墙面附近加筋体的局部破坏。其埋深与地基的地质与地形条件、冻结深度和冲刷等有关。在土质地基上的埋置深度决定于土层的性质，一般根据土的承载力和压缩性质等具体情况而定。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，可采用土质地基的埋置深度。 季节性冰冻地区，为防止地基冻胀的危害，在冻深范围内采用非冻胀性的中砂、粗砂、砾石等换填，填土中的粉、粘粒含量应不大于15%。此时，埋深可不小于冻结线。浸水加筋土挡土墙应埋置在冲刷线以下1m，并要防止墙面板后填料的渗漏。非浸水加筋土挡土墙，当墙面板埋深小于1m时，宜在墙面地表处设置宽为1.0m的混凝土预制块或浆砌片石护坡，其表面作成向外倾斜3%～5%的横坡。当墙面基底沿路线方向有坡度时，一般采用纵向台阶，在错台处要保证最小埋置深度。（五）帽石帽石应采用C15混凝土现场灌筑，分段长度可取2-4块墙面板宽度，且不大于4.0m，断面尺寸宜采用0.4m(宽)×0.5m(高)，嵌入墙面板内侧的帽石高度不应小于10cm，当设栏杆时应在帽石内预埋U形螺栓。(六)沉降缝沿墙长每隔20～30ｍ或基底地层变化处应设置2cm宽的沉降缝，并在面板内侧沿整个墙高设置宽20cm的渗滤布。 七、加筋土挡土墙的设计计算加筋土挡土墙设计计算内容一般包括：(1)内部稳定计算，即加筋材料抗拉强度计算和抗拔稳定计算；(2)外部稳定计算，即加筋体倾覆稳定、滑移稳定、整体稳定、基底应力和地基承载能力验算等(包括加筋体中变截面处的倾覆稳定、滑移稳定和整体稳定验算)；(3)构件设计：确定各种构件（如墙面板、拉筋）在外力作用下，保证具有足够强度和稳定性的具体尺寸的大小。加筋土挡土墙内部稳定性的破坏，主要表现为：拉筋在拉力作用下发生断裂或联结件断裂的破坏，使墙面板失稳；筋条的有效抗拔能力不足，即有效长度不足而发生滑移，使墙面板失稳。对前一种破坏，应在构件设计中加以解决，而内部稳定性的计算，主要是以防止后一种破坏发生为目的的，以确保加筋土结构的安全与稳定。加筋土挡土墙的内部稳定性计算是加筋土挡土墙结构设计计算的主体。通过对填料自重和填料表面作用的外荷载在墙面板背面上产生的侧向土压力的计算，为墙面板的结构设计提供荷载依据，并为拉筋上作用的最大拉力计算提供参数；通过对内部破裂面形状和位置的确定，来划分拉筋的有效长度区和无效长度区；通过对不同埋置深度的拉筋所受垂直应力的计算，来确定各拉筋上单位有效长度所提供的有效抗拔力，为有效长度的计算提供参数；通过对不同埋置深度的拉筋的最大拉力的计算，为有效长度的计算提供另一个参数，并为拉筋设计提供依据；根据拉筋的有效长度值，来检算加筋土挡土墙的单板抗拔稳定性和全墙抗拔稳定性。（一）作用于墙背上的土压力1．由墙后填料产生的水平土压力由于拉筋的影响，墙面板的相对位移很微小，作用于墙背上的水平土压力，分布曲线如图10-29所示，按下式计算。（10-36） 图10-29 由填料产生的水平土压应力分布—填料产生的水平土压应力（kPa）；—填料重度（）；—墙顶填土距第i层墙面板中心的高度（m）；—加筋土挡土墙内压应力由荷载产生的水平土压应力，按布辛纳斯克假定，用条形均布荷载作用下的土中应力公式计算。即：（10-37） 式中：—荷载产生的水平土压力（kPa） 深度处的土压力系数。2．由荷载产生的水平土b—荷载内边缘至墙背的距离（m）；—荷载换算土柱高（m）； —荷载换算宽度（m）；3．作用于墙面板的水平土压应力，为墙后填料和荷载产生的土压力之和，按下式计算：（10-38） 式中： — 墙面板上的水平土压应力（kPa）。（二）作用于拉筋上的垂直压力对于路肩墙，作用于拉筋上的垂直压应力为填料自重压应力与荷载产生的竖向应力之和，按下式计算：（10-39） 式中：—第i层墙棉板所对应拉筋上的垂直压应力（m） ，—系数，，,x为计算点至荷载中线的 距离（m）（三）构件设计1.墙面板设计作用于单板上的土压力，按均匀分布，单板可沿垂直向和水平向分别计算内力。墙面板与拉筋连接部分的配筋应加强；墙面板采用钢筋混凝土预制构件，应根据现行《铁路桥涵钢筋混凝土和预应力混凝土结构设计规范》按双向悬臂梁进行单面配筋设计。2.拉筋的拉力计算拉筋所承受的拉力可由下式计算：（10-40） 式中：—第层棉板所对应拉筋的计算拉力（m）；Ｋ—拉筋拉力峰值附加系数，可采用1.5～2.0；距，—拉筋之间水平及垂直间距（m），土工格栅拉筋只有垂直间。3.拉筋拉应力检算拉筋所承受的拉应力应小于拉筋允许拉应力，用以下公式检算：（10-41）式中— 拉筋的拉应力（kPa）； — 各分墙段拉筋层的最大拉力（kN）； — 扣除预留锈蚀量后的各分墙段拉筋截面面积(m2)； — 拉筋容许拉应力（kPa）。土工格栅拉筋可取单位宽度进行应力检算，土工合成材料拉筋的容许抗拉强度应按现行《铁路路基土工合成材料应用技术规范》采用，其金属连接件应检算拉应力和剪应力。4.拉筋的抗拔稳定性检算抗拔稳定性检算时，拉筋锚固区与非锚固区分界线采用0.3H法，如图10-30所示，该分界区为倒梯形，即无效锚固区宽度上部0.5H高度内为0.3H，下部0.5H高度内为斜直线，由墙底处为零线性递增到0.3H。拉筋的摩擦力应根据上下两面所产生的摩擦力，按下式计算：（10-42） 式中：— 拉筋摩擦力（kN）；a — 拉筋宽度（m）；图10-30拉筋的锚固区和非锚固区分界线 — 拉筋的有效锚固长度（m）；F — 拉筋与填料之间的摩擦系数，应根据现场拉拔试验确定，如无试验数据时，可采用0.3～0.4。检算拉筋抗拔稳定性时应考虑有荷载和无荷载两种情况，并按下列规定分别检算全墙抗拔稳定及单板抗拔稳定。全墙抗拔稳定系数不应小于2.0，应按下式计算：式中（10-43） — 各层拉筋摩擦力的总和（kN）； — 各层拉筋承受水平土压力的总和（kN）。单板抗拔稳定系数不宜小于2.0，条件困难时，可适当减小，但不得小于1.5。采用土工格栅拉筋时，拉筋长度必须满足其构造要求，而无需进行抗拔稳定性检算。5.整体稳定性检算加筋土挡土墙全墙整体稳定检算时，应将加筋土挡土墙视为实体墙，按重力式挡土墙的检算方法进行检算，包括抗倾覆稳定、抗滑稳定和地基承载力。 第四节 土钉式挡土墙一、概 述土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和护面板组成。土钉是一种在原位土体中安置拉筋而使土体的力学性能得以改善，从而提高挖方边坡稳定性的新型支挡技术。土钉技术的应用于1972年始于法国，德国、美国等在70年代中期开始应用此项技术。我国于 80年代初期首先在山西柳弯煤矿边坡稳定中应用土钉，并开始土钉的试验研究和工程实践。 与其他挡土墙相比，土钉墙有如下优点：(1) 能合理利用土体的自身能力，将土体作为墙体的不可分割的一部分；(2) 施工设备轻便、操作方法简单；(3) 结构轻巧，柔性大、有非常好的抗震性能和延性；(4) 施工不需单独占用场地；(5) 材料用量和工程数量少，工程造价低；(6) 施工速度快，基本不占用施工工期；(7) 防腐性能好。虽然土钉技术具有许多优点，但也有缺点和局限性；(1) 变形稍微大于预应力锚杆的变形；(2) 在软土、松散砂土中施工难度较大；(3)土钉在软土中的抗拔力低，需设置得很长很密或事先对软土加固，变形量较大，造价较高。土钉墙可用于边坡的稳定，适用于地下水位以上或经人工降水后的人工填土、粘性土和弱胶结砂土，特别适合于有一定粘性的砂土和硬粘土，不宜用于含水丰富的粉细砂层、砂砾卵石层和淤泥质土，不得用于没有自稳能力的淤泥和饱和软弱土层。作为土体开挖的临时支护和永久性挡土结构，高度一般不大于15m，当土钉墙与有限放坡、预应力锚杆联合使用时，高度可增加；也可用于挡土结构的维修、改建与加固二、土钉墙与锚杆挡土墙、加筋土挡土墙的异同土钉是一种原位加筋技术，即在土中敷设拉筋而使土体的力学性能得以改善的土工加固方法，它与锚杆、加筋土在形式上有一定的类似，但也有着本质的差异。１． 土钉墙与锚杆挡土墙的异同土钉可视为小尺寸的被动式锚杆，两者的差异主要表现在以下几个方面：(1) 土钉墙由上而下边开挖边分段施工，而锚杆挡土墙是自下而上整体施工的；(2) 锚杆挡土墙应设法防止产生变位；而土钉一般要求土体产生小量位移，从而使土钉与土体之间的摩阻力得以充分发展。(3) 锚杆只在锚固段内受力，自由段只起传力作用；土钉则是全长范围内受力。(4) 锚杆的密度小，每个杆件都是重要的受力部件；而土钉密度大，靠土钉的相互作用形成复合整体，因而即使个别土钉失效，对整个结构物影响也不大。(5) 锚杆挡土墙将库仑破裂面前的主动区作为荷载，通过锚杆传至破裂面后的稳定区内；土钉墙是在土钉的作用下把潜在破裂面前的主动区的复合土体视为具有自撑能力的稳定土体。(6) 锚杆可承受的荷载较大，为防止墙面冲切破坏，其端部的构造较复杂；土钉一般不需要很大的承载力，单根土钉受荷较小，护面板结构较简单，利用喷射混凝土及小尺寸垫板即可满足要求。(7) 锚杆长度一般较长，需用大型机械进行施工；土钉长度一般较短，直径较小，相对而言施工规模较小，所需机具也比较灵便。由上述可以看出，如果仅加固挖方边坡，则土钉墙是合适的；如果墙后土体和深部土体稳定性有问题时，则用锚杆挡土墙比较合适。 ２． 土钉墙与加筋土挡土墙的异同土钉墙与加筋土墙均是通过土体的微小变形使拉筋受力而工作；通过土体与拉筋之间的粘结、摩擦作用提供抗拔力，从而使加筋区的土体稳定，并承受其后的侧向土压力，起重力式挡土墙的作用。两者的主要差异有：(1) 施工顺序不同，加筋土挡土墙自下而上依次安装墙面板、铺设拉筋、回填压实逐层施工，而土钉墙则是随着边坡的开挖自上而下分级施工。(2) 土钉用于原状土中的挖方工程，所以对土体的性质无法选择，也不能控制；而加筋土用于填方工程中，在一般情况下，对填土的类型是可以选择的，对填土的工程性质也是可以控制的。(3) 加筋筋材多用土工合成材料或钢筋混凝土，筋材直接同土接触而起作用；而土钉多用金属杆件，通过砂浆同土接触而起作用（有时采用直接打入钢筋或角钢到土中而起作用）。(4) 设置形式不同，土钉垂直于潜在破裂面时将会较充分地发挥其抗剪强度，因而应尽可能地垂直于潜在破裂面设置；而加筋条一般水平设置。总之，土钉墙是由设置于天然边坡或开挖形成的边坡中的加筋杆件及护面板形成的挡土体系，用以改良原位土体的性能，并与原位土体共同工作形成一重力挡土墙式的轻型支挡结构，从而提高整个边坡的稳定性。三、土钉墙的基本原理天然土体通过土钉的就地实施加固并与喷射混凝土护面板相结合，形成一个类似重力式的挡土墙，以此抵抗墙后传来的土压力和其他作用力，从而使得挖方坡面稳定。土钉依靠与土体接触界面上的粘结力、摩擦力和周围土体形成复合土体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，通过其受拉作用对土体进行加固。而土钉间土体的变形则由护面板予以约束。土钉与土共同作用，弥补土体自身强度不足，增强土体自身稳定性，为主动制约机制的支挡结构。复合土体，不仅有效地提高了土体整体刚度，又弥补了土体抗拉、抗剪强度低的弱点。通过相互作用，土体自身结构强度的潜力得到了充分发挥，改变了边坡变形和破坏形态，显著提高了整体稳定性。直立土钉墙比素土边坡的承载力高（试验表明可提高一倍以上），更为重要的是，土钉墙在荷载作用下不会发生素土边坡那样突发的整体性滑裂和塌落。它不仅延迟了塑性变形发展阶段，而且具有明显的渐进性变形和开裂破坏，在丧失承受更大荷载的能力时，仍可维持较长时间不会发生整体性塌滑。土钉在复合土体内的作用可概括为四个方面：（1）箍束骨架作用；（2）分担作用；（3）应力传递与扩散作用；（4）坡面变形的约束作用。四、土钉墙构造土钉墙一般用于高度在15m以下的边坡开挖工程，常用高度为6～12m，斜面坡度一般为70°～90°。土钉墙采取自上而下分层修建的方式，分层开挖的最大高度取决于土体可以直立而不破坏的能力，砂性土为0.5～2.0m，粘性土可以适当增大一些。分层开挖高度一般与土钉竖向间距相同，采用1.0～1.5m。分层开挖的纵向长度，取决于土体维持稳定的最长时间和施工流程的相互衔接，多为10m左右。(一) 土钉土钉类型有钻孔注浆钉、击入钉、注浆击入钉、高压喷射注浆击入钉、气动射击钉等。 钻孔注浆钉是最常用的一种类型，它是通过钻孔、置入钢筋、注浆、补浆来设置的； 击入钉是把作为土钉的角钢、圆钢（常为螺纹钢筋）或钢管用振动冲击钻或液压锤直接击入土中，不需注浆，土钉长度一般不超过6.0m； 注浆击入钉，用端部密封、周面带孔的钢管作为土钉，击入后从管内注浆并透过壁孔将浆体渗透到周围土体；高压喷射注浆击入钉，利用高频冲击锤将具有中孔的土钉击入土中，同时以一定的压力将水泥浆从土钉端部的喷嘴射出，起润滑作用并渗入周围土体，提高土钉与土体的粘结力； 气动射击钉，以高压气体为动力，作用于土钉的外部扩大端，直接将土钉射入土中。可以采用圆钢或钢管。 已建工程的土钉实际长度L均不超过土坡的垂直高度H。拉拔试验表明，对高度H 小于12m的土坡采用相同的施工工艺，在同类土质条件下，当土钉长度达到土坡垂直高度时，再增加其长度对承载力无显著提高。另外，土钉越长，施工难度越大，单位长度费用越高，所以选择土钉长度要综合考虑技术、经济和施工难易度。土钉孔直径是根据土钉直径和成孔方法选定的，一般取70～200mm，常用的孔径为120～150mm。选定行、列距的原则是以每个土钉注浆对其周围土的影响区与相邻孔的影响区相重叠为准。按防腐要求，土钉孔直径应大于土钉直径加60mm。为增强土钉与砂浆（或细石混凝土）的握裹力，土钉宜选用Ⅱ级以上的螺纹钢筋。由于土钉端头需进行锚固，用高强度变形钢筋做土钉需焊接高强螺栓端杆，但高强变形钢筋的可焊性较差。近年来，土钉墙中常用Ⅳ级SiMnV精轧螺纹钢筋，可在钢筋螺纹上直接配与钢筋配套的螺母，连接方便、可靠。另外，也可采用多根钢绞线组成的钢绞索作为土钉。由于多根钢绞索的组装、施工设置与定位以及端头锚固装置较复杂，目前国内应用尚不广泛。土钉直径d一般为16～32mm。(二) 护面板土钉墙的护面板虽不是结构的主要受力构件，但它是传力体系的一个重要部分，也起保证各土钉间土体的局部稳定性、防止土体被侵蚀风化的作用。护面板应在每一阶段开挖后立即设置以限制原位土体的减压，并阻止原位土体的力学性质发生改变，特别是抗剪强度的降低。 护面板通常用50～100mm厚的钢筋网喷射混凝土做成，钢筋直径为6～10mm，网格尺寸为200～300mm。喷射混凝土强度等级不应低于C20，与土钉连接处的混凝土层内应加设局部钢筋网以增加混凝土的局部承压能力。此外，为了分散土钉与喷射混凝土护面板处的应力，在螺帽下垫以承压钢板，尺寸一般为20cm×20cm，厚度约为8～15mm，也可用预制混凝土板作为护面板。对于永久工程，喷射混凝土护面板的厚度不少于150～250mm，分两次喷成。为了改善建筑外观，也可在第一次喷射混凝土的基础上现浇一层混凝土或铺上一层预制混凝土板。护面板的构造及土钉与护面板的连接形式如图10-31所示。土工织物也可作为护面，即先把土工织物覆盖 图面构造 10—31土钉板在边坡上，然后设置土钉。当拧紧土钉端部的螺母时 将土工织物拉向坡面形成拉膜，同时使坡面受到压力作用。①第一道喷射混凝土；② 第二道喷射混凝土；③钢筋网；④ 局部加强钢筋；⑤ 钢垫板；⑥螺母；⑦ 土钉；⑧ 填塞段；⑨ 注浆段五、稳定性分析土钉墙稳定性分析分为内部稳定分析和外部稳定分析。外部稳定分析的目的就是保证在墙后土压力的作用下，土钉墙整体的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性。土钉墙内部稳定性得到保证的条件下，它的作用类似于重力式挡土墙。其破坏形式有：滑移[如图10-32a]所示]、倾覆[如图10-32b]所示]。由于土钉墙复合体没有改变地基土性质，对受力状态影响也不大，故一般不会发生地基承载力不足和不均匀沉降引起的破坏。抗滑和抗倾覆稳定性验算方法与重力式挡土墙相同。土钉墙墙后主动土压力根据破裂面平面假设，按库仑土压力理论计算。内部稳定分析的目的是保证土钉不会被拉断或拔出。国外土钉墙内部稳定性分析的方法有：法国方法、德国方法、戴维斯（Davis）方法、修正 a)滑移； b)倾覆图10-32 土钉墙外部破坏形式 戴维斯方法、运动学方法以及美国陆军工兵部队方法等。国内常用的方法为0.3H折线破裂面法和圆弧破裂面条分法。(一) 折线破裂面法土钉锚固区与非锚固区分界面（潜在破裂面，图10-33）距墙面的距离按公式（10-44）、（10-45）计算。(10-44)(10-45)式中：l —潜在破裂面距墙面的距离（m）；图10-33 土钉锚固区与非锚固区分界面 图10-34 土钉墙护面板上的土压力分布1．土压力计算在土钉墙中，护面板起着阻止土体侧向位移、承受潜在破裂面主动区产生的土压力并将其传递至土钉的作用，是保证土钉墙内部稳定的重要组成部分。实测结果如图10-34曲线①所示，综合分析后，将作用于土钉墙护面板上的土压力简化为图10-34③所示的分布形式，即：（10-46）式中：—水平土压应力（kPa）； —边坡岩土体重度（—库仑主动土压力系数； ）； （10-47） Ｈ—土钉墙高度（m）；—第层土钉墙距离墙顶的高度（m）；a—墙背与竖直面的夹角（）；—墙背磨擦角（）。2．抗拉稳定性验算抗拉稳定性是指在护面板土压力作用下，土钉不致于产生过量的伸长或屈服，以致断裂，如图10-35a）所示，抗拉稳定系数≥1.5。 图10-35 土钉墙内部破坏形式 a)土钉断裂破坏；b)土钉复合体断裂破坏3．抗拔稳定性验算抗拔稳定性是指在护面板土压力作用下，土钉内部潜在破裂面后的有效锚固段应有足够的界面摩阻力而不被拔出，如图10-35b）所示。抗拔稳定系数Kf应不小于1.3～2.0，对临时性土钉墙取小值，永久性土钉墙取大值。(二) 圆弧破裂面条分法假定破裂面为圆弧形， （a） 土钉断裂破坏 （b）土钉复合体断裂破坏采用一般边坡稳定分析 图10—35常用的瑞典条分法，计入土 土钉内部破坏钉的拉力。 最不利破裂面通过坡角，并由计算确定。由于事先没有给定滑动面圆心的搜索范围，计算工作量很大，所以该方法宜采用计算机程序计算。为提高计算速度，可用优化方法搜索最不利破裂面。第五节 悬臂式和扶壁式挡土墙一、概述悬臂式挡土墙的一般形式如图10-36所示，它是由立壁（墙面板）和墙底板（包括墙趾板和墙踵板）组成，呈倒“T”字形，具有三个悬臂，即立壁、墙趾板和墙踵板。扶壁式挡土墙由墙面板（立壁）、墙趾板、墙踵板及扶肋（扶壁）组成，如图10-37所示。扶肋把立壁同墙踵板连接起来，起加劲的作用，以改善立壁和墙踵板的受力条件，提高结构的刚度和整体性，减小立壁的变形。它们适用于缺乏石料的地区。由于墙踵板的施工条件，一般用于填方路段做路肩墙或路堤墙使用。悬臂式挡土墙高度不宜大于6m，当墙高大于4m时，宜在墙面板前加肋。扶壁式挡土墙宜整体灌注，也可采用拼装，但拼装式扶壁挡土墙不宜在地质不良地段和地震烈度大于或等于八度的地区使用。 悬臂式和扶壁式挡土墙的结构稳定性是依靠墙身自重和墙踵板上方填土的重力来保证的，而且墙趾板的设置也显著地增大了挡土墙的抗倾覆稳定性并大大减小了基底接触应力。10-36 悬臂式挡土墙 图它们的主要特点是构造简单、施工方便，墙身断面较小，自身质量轻，可以较好地发挥材料的强度性能，能适应承载力较低的地基。但是需耗用一定数量的钢材和水泥，特别是墙高较大时，钢材用量急剧增加，影响其经济性能。二、土压力计算（一）库伦土压力法悬臂式和扶壁式挡土墙土压力一般可采用库伦土压力理论计算，特别是填土表面为折线或有局部荷载作用时。由于假想墙背AC的倾角较大，当墙身向外移动，土体达到主动极限平衡状态时，往往会产生第二破裂面DC，如图10-38所示。若不出现第二破裂面则按一般库伦理论计算作用于假想墙背AC上的土压力，此时墙背摩擦角d = j。若出。立壁计算时，应现第二破裂面则应按第二破裂面法来计算土压力以立壁的实际墙背为计算墙背进行土压力计算，并假定立壁与填土间的摩擦角d = 0。当验算地基承载力、稳定性、墙底板截面内力时，以假想墙背AC（或第二破裂面DC）为计算墙背来计算土压力，将计算墙背与实际墙背间的土体重力作为计算墙体的一部分。压力（二）朗金土压力法填土表面为一平面或其上有均匀荷载作用时，也可采用朗金土压力理论来计算土压力，如图10-39所示。按朗金理论计算的土压力作用于通过墙踵的竖直面AC上，在立壁和墙踵板设计时，应将分成两部分，作用于AB上的和BC上的。图10—37扶壁式挡土墙 图10—38库仑土第六节 锚杆挡土墙一、概 述锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。锚杆是一种新型的受拉构件，它的一端与工程结构物联结，另一端锚固在稳定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来维持结构物的稳定。在50年代以前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时措施。50年代中期以后，西方国家在隧道工程中开始采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝土代替衬砌结构。锚杆挡土墙在我国的应用于1966年始于成昆线，继而在许多铁路线上修建，使用效果良好。现已广泛应用于铁路、公路、煤矿和水利等支挡工程中。锚杆挡土墙按墙面的结构形式可分为柱板式挡土墙和壁板式挡土墙，如图10-35所示。柱板式锚杆挡土墙是由挡土板、肋柱和锚杆组成，如图10-35a)。肋柱是挡土板的支座，锚杆是肋柱的支座，墙后的侧向土压力作用于挡土板上，并通过挡土板传递给肋柱，再由肋柱传递给锚杆，由锚杆与周围地层之间的锚固力即锚杆抗拔力使之平衡，以维持墙身及墙后土体的稳定。壁板式锚杆挡土墙是由墙面板和锚杆组成，如图10-40b)所示。墙面板直接与锚杆连接，并以锚杆为支撑，土压力通过墙面板传给锚杆，依靠锚杆与周围地层之间的锚固力（即抗拔力）抵抗土压力，以维持挡土墙的平衡与稳定。目前多用柱板式锚杆挡土墙。a)柱板式图10-40 锚杆挡土墙类型 b)壁板式锚杆挡土墙可根据地形设计为单级或多级，每级墙的高度不宜大于8 m，具体高度应视地质和施工条件而定。在多级墙的上、下两级墙之间应设置平台，平台宽度一般不小于2.0m。平台应使用厚度不小于0.15 m的C15混凝土封闭，并设向墙外倾斜的横坡，坡度为2%。多级墙总高度不宜大于18m。锚杆挡土墙的特点是：（1）结构质量轻，使挡土墙的结构轻型化，与重力式挡土墙相比，可以节约大量的圬工和节省工程投资；（2）利于挡土墙的机械化、装配化施工，可以提高劳动生产率；（3）不需要开挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困难，并利于施工安全。但是锚杆挡土墙也有一些不足之处，使设计和施工受到一定的限制，如施工工艺要求较高，要有钻孔、灌浆等配套的专用机械设备，且要耗用一定的钢材。锚杆挡土墙适用于一般地区岩质路堑地段，但其他具有锚固条件的路堑墙也可使用，还可应用于陡坡路堤。在不良地质地段使用时，必须采取相应措施。另一类锚杆挡土墙为竖向预应力锚杆挡土墙，它也是利用了锚杆技术，即竖向锚杆锚固岩层地基中，并施加预应力，以竖向预应力锚杆代替重力式挡土墙的部分圬工断面，减小挡土墙的圬工数量且增加其稳定性。竖向预应力锚杆挡土墙的工作原理、设计方法与普通锚杆挡土墙有很大的差异。 二、土压力计算由于墙后岩（土）层中有锚杆的存在，造成比较复杂的受力状态，因此土压力的计算至今没有得到很好的解决。目前设计中大多仍按库伦主动土压力理论进行近似计算。但是，锚杆挡土墙后一般为岩体，岩体产生的土压力用库伦公式是不够恰当的。设计时可根据经验，结合岩体的节理、裂缝、岩层的风化程度合理选用，有条件时亦可用岩石力学分析方法进行计算。对于多级挡土墙，应利用延长墙背法分别计算每一级的墙背土压力。计算上级墙时，视下级墙为稳定结构，可不考虑下级墙对上级墙的影响，计算下级墙时，则应考虑上级墙的影响。三、锚杆抗拔力计算锚杆抗拔力的确定是锚杆挡土墙设计的基础，它与锚杆锚固的形式、地层的性质、锚孔的直径、有效锚固段的长度以及施工方法、填筑材料等因素有关。因此，从理论上确定锚杆抗拔力复杂而困难，至今尚未有理想的方法。目前普遍采用的方法是根据以往的施工经验、理论计算值与拉拔试验结果综合加以确定。（一）摩擦型灌浆锚杆的抗拔力摩擦型灌浆锚杆是用水泥砂浆将一组粗钢筋锚固在地层内部的钻孔中，钢筋所承受的拉力首先通过锚杆周边的砂浆握裹力传递到砂浆中，然后通过锚固段周边地层的摩擦力传递到锚固区的稳定地层中，如图10-41所示。1．岩层锚杆的抗拔力当锚杆锚固于较完整的岩层中时，由于岩层与孔壁砂浆的摩阻力一般大于砂浆对锚杆的握裹应力。因此，锚杆抗拔力一般取决于砂浆的握裹能力，锚杆的极限抗拔力为：式中：—锚杆的极限抗 （10-48）拔力（kN）；d —锚杆的直径（m）；—锚杆的有效锚固长度（m）；u —砂浆对于钢筋的平均握裹应力（kPa）。2.土层锚杆的抗拔力当锚杆锚固在风化岩层和土层中时，锚杆孔壁对砂浆的摩阻力一般低于砂浆状态图 图10-41 灌浆锚杆锚固段的受力对锚杆的握裹力。因此，锚杆的极限抗拔能力 取决于锚固地段地层对于锚固段砂浆所能产生的最大摩阻力，则锚杆的极限抗拔力为：（10-49）式中：D —锚杆钻孔的直径（m）；τ—锚固段周边砂浆与孔壁的平均抗剪强度（kPa）。 抗剪强度τ除取决于地层特性外，还与施工方法、灌浆质量等因素有关，最好进行现场拉拔试验以的拉力—变形曲线 图6-42 锚杆确定锚杆的极限抗拔力。在没有试验条件的情况下，可根据过去拉拔试验得出的统计数据参考使用（如表10-9所示），但施工时应进行拉拔验证。表10—9 孔壁对砂浆的极限抗剪强度3．灌浆锚杆拉拔试验在计算锚杆的锚固长度时，关键是确定锚杆抗拔力。许多资料和实际经验表明，的计算值与实测值之间或同样条件下的实测值之间有相当大的离散性。因此，计算值只能作为一种估计，具体数值应通过现场拉拔试验的验证后确定。国外有关锚杆中明确规定：为了避免过分依靠锚杆抗拔力的计算公式，原则上要根据原位的拉拔试验结果及材料强度来确定锚杆的容许抗拔力。锚杆的拉拔试验用于验证设计方案，应在初步设计之后和全面开工之前进行，并应在工程现场至少取得三根锚杆的极限抗拔力和拉力（P）—变形（S）曲线（如图10-42所示）。以曲线上明显的转折点A对应的拉力为极限抗拔力。由拉拔试验结果来获得极限抗拔力时，重要的是选定一个衡量极限抗拔力的标准，铁道部科学研究院针对锚定板抗拔力提出了三种判别标准，即极限稳定标准、局部破坏标准和极限变形标准，以转折点A确定极限抗拔力采用的就是第二种判别标准。根据拉拔试验的极限抗拔力确定锚杆容许承载力TR时应考虑一定的安全储备。已有资料表明，值不会随着锚固段的长度成比例地增大，式值也不会单纯地随（10-49）只适用于10m以内的锚固段。另外，锚杆直径的增大成比例地提高。（二）扩孔型灌浆锚杆的抗拔力1.压缩桩法对于锚杆端部采用扩孔形式的锚杆，其极限抗拔力视地层性质而不同。当锚固体处在岩层中时，锚杆的极限抗拔力往往取决于砂浆的抗压强度；当锚固体处在土层中时，锚固体的抗拔力为锚固体侧面的摩阻力与断面突出部分的抗压力之和（如图10-43所示），即：（10-50）式中：F — 锚固体的周面摩阻力；Q — 锚固体受压面上的抗压力。状剪切法 图10-43 压缩桩法图 图10-44 柱2.柱状剪切法对于土层扩孔锚杆，假定锚杆在拉拔力的作用下锚固体扩大部分以上的土体沿锚杆轴线方向作柱状剪切破坏，如图10-44所示，锚固体的极限抗拔力：（10-51） 式中： — 锚固体扩大部分以上滑动土体与外界土体表面间的抗剪强度(kPa)。值也是根据统计资料凭经验选定的或根据现场拉拔试验数值综合加以确定。 四、构件设计锚杆挡土墙构件包括墙面板、钢筋混凝土肋柱和锚杆。1. 墙面板设计墙面板一般采用钢筋混凝土槽形板、矩形板和空心板，有时也采用拱形板，大多为预制构件。混凝土强度不低于C20，墙面板厚度不得小于0.2m ，宽度视吊装设备的能力而定，但不得小于0.3m，一般采用0.5 m。预制墙面板的长度考虑到锚杆与肋柱的连接一般较肋柱间距短0.1～0.12 m，或将锚杆处的墙面板留有缺口。墙面板与肋柱的搭接长度不小于0.1 m。墙面板以肋柱为支点，当采用槽形板、矩形板和空心板预制构件时，墙面板可按简支板计算内力，其计算跨度为净跨加板的两端搭接长度；当采用拱形板预制构件时，墙面板可按双铰拱板计算内力。墙面板直接承受土压力，对每一块墙面板来说，承受的荷载为梯形均匀荷载，而且每一块板所承受的荷载是不同的。在设计中一般将墙面板自上而下地分为若干个区段，每一区段内的墙面板厚度是相同的，并按区段内的最大荷载进行计算，但墙面板的规格不宜过多。在现浇结构中，墙面板常作成与肋柱连在一起的连续板，应按连续梁计算内力。2.肋柱设计肋柱截面可采用矩形、Ｔ形、正方形，沿墙长方向肋柱宽度不宜小于0.3m。肋柱的间距由工点的地形、地质、墙高及施工条件等因素确定，考虑工地的起吊能力和锚杆的抗拔力等因素，一般可采用2.0～2.5 m。肋柱可采用整体预制，亦可分段拼装或就地灌注，肋柱采用的混凝土标号不低于C20。肋柱与地基的嵌固程度与基础的埋置深度有关，它取决于地基的条件及结构的受力特点。一般设计时考虑采用自由端或铰支端。当为自由端时，肋柱所受侧压力全部由锚杆承受，此时肋柱下端的基础仅做简单处理。通常当地基条件较差、挡土墙高度不大以及处治滑坡时按自由端考虑。铰支端时要求肋柱基础有一定的埋深，使少部分推力由地基承受，可减少锚杆所受的拉力。若肋柱基础埋置较深，且地基为坚硬的岩石时，可以按固定端考虑，这对减少锚杆受力较为有利，但应注意地基对肋柱基础的固着作用而产生的负弯矩。固定端的使用应慎重，因为施工中往往较难保证设计条件，同时由于固定端处的弯矩、剪力较大，也影响肋柱截面尺寸。肋柱的基础应采用C15混凝土或75号水泥砂浆砌片石。锚杆的内力计算时，严格地说，肋柱是支承在一系列弹性支座上的，但由于这些弹性支座的柔度系数不易确定，故在计算时一般仍视肋柱为支承于刚性支座的简支梁或连续梁。由于肋柱上的锚杆层数和肋柱基础嵌固程度的不同，其内力计算图式也不同，当锚杆层数为三层或三层以上时，可近似地看成连续梁；当锚杆为两层，且基础为固定端或铰支端时，按连续梁计算内力；基础为自由端时，应按双支点悬臂梁计算内力。 肋柱截面尺寸应按计算截面弯矩来确定，并满足构造要求。考虑到肋柱的受力及变形情况较复杂，截面配筋一般采用双向配筋，并在肋柱的内外侧配置通长的主要受力钢筋。配筋设计包括：（1）按最大正负弯矩决定纵向受拉钢筋截面面积；（2）计算截面的抗剪强度，确定箍筋数量、间距以及抗剪斜钢筋的截面面积与位置；（3）抗裂性计算。 五、锚杆设计1.锚杆的主要类型锚杆按孔径大小可分为锚索（大锚杆）和小锚杆。锚索所需锚孔孔径较大，一般为100～150mm,有时达250～350mm，采用钻机或锚杆钻机钻孔，钻孔深度可达50m或更长。锚索由数根钢筋或钢丝束或钢绞线组成。小锚杆锚孔直径为38～50mm，可用普通风钻钻孔，钻孔深度3～5m，小锚杆一般为一根钢筋。按地层中的锚固方法可分为楔缝式锚杆和灌浆锚杆。楔缝式锚杆一般用在锚固岩层较为坚硬的地区，小锚杆楔缝较为简单，锚杆插入钻孔后，施加压力，使楔子挤入锚杆端部楔缝，迫使杆端张开嵌固在岩层上。大锚杆的固定较为复杂，一般要加工特殊锚固装置，使锚杆头上的外夹片嵌固在岩层上。灌浆锚杆分为普通灌浆锚杆（如图10-45所示）、扩孔锚杆（如图10-46所示）、预压锚杆、预应力锚杆。预压锚杆是在灌浆时对水泥砂浆施加一定的压力，预应力锚杆是对锚杆施加张拉应力。此外，法国曾采用一种I·R·P型锚杆，杆心设有孔道，杆壁有阀门，可以通过锚杆于肋柱的接头处，重复灌入砂浆，以控制灌注的深度，从而使锚杆本身在锚固的同时对土层进行加固。在灌浆材料上，除常用的水泥砂浆外，美国、法国曾用过树脂材料，日本还用了化学液体灌浆，利用化学液体的膨胀 性来提高锚杆的抗拔能力。2.锚杆的布置 图10—45普通灌浆锚杆锚杆的布置直接涉及到锚杆挡土墙墙面构件和锚杆本身设计的可行性和经济性。布设时要求考虑墙面构件的预制、运输、吊装和构件受力的合理性，同时要考虑锚杆施工条件、受力条件等。每级肋柱上视肋柱高度可设为两层或多层锚杆，一般布置2～3层。若锚杆布置太疏，则肋柱截面尺寸大，锚杆粗而长，但若布置过密，锚杆之间受力的相互影响使锚杆抗拔力受到影响，此时锚杆抗拔力就变的比单根锚杆设计拉力低。根据已建工程的经验，锚杆的位置应尽可能使肋柱所受弯矩均匀分布。3.锚杆截面设计锚杆截面设计主要是确定锚杆所用材料的规格和截面积，并根据锚杆的布置和灌浆管的尺寸确定钻孔的直径。锚杆可采用Ⅰ级或Ⅱ级钢筋或钢丝索，还可采用高强钢绞线或高强粗钢筋。钢筋锚杆宜采用螺纹钢，直径一般应为18～32mm，锚孔直径应与锚杆直径相配合，一般为锚杆直径的3倍。锚杆应尽量采用单根钢筋，如果单根不能满足拉力需要，也可采用两根钢筋共同组成一根锚杆，但每孔钢筋数不宜多于3根。 作用于肋柱上的侧压力由锚杆承受。锚杆为轴心受拉构件,其每层锚杆所受轴向拉力为： (MN)(如图10-47所示)式中：—锚杆轴向拉力（kN） （10-52） R—由肋柱计算求得的支座反力（kN）；所需钢筋面积为：式中：—钢筋的截面积（ （10-53） ）；Ｋ—荷载安全系数，可取２.0；—钢筋的抗拉设计强度（kPa）.锚杆钢筋直径除满足强度需求外，尚需增加2mm防锈安全储备。为防止钢筋锈蚀，还需验算水泥砂浆（或混凝土）的裂缝，其值不应超过容许宽度(0.2mm)。图10-47 锚杆拉力计算图式 图10-48 锚杆长度计算图式4.锚杆的长度设计锚杆由非锚固段（即自由段）和有效锚固段组成。非锚固段不提供抗拔力，其长度应根据肋柱与主动破裂面或滑动面（有限填土）的实际距离确定（如图10-48所示）。如果地质条件较好，不太可能形成主动破裂面，则非锚固段长度可以短于到理论破裂面的距离。有效锚固段提供锚固力，其长度应根据锚杆的拉力按式（10-54）计算。并应按式（10-55）验算锚杆与砂浆之间的容许粘结力。（10-54） 式中—锚杆有效锚固长度（m）；N—锚杆轴向拉力（kN）；D—锚孔直径（m）；τ—锚孔壁对砂浆的极限剪应力（kPa）；K—安全系数，可取2.5。同时尚应按下式对锚杆与砂浆间的容许粘结力进行检算：式中：n—锚杆钢筋根数；d—锚杆钢筋直径(m)； （10-55）[c]—锚杆与砂浆之间的容许粘结力（kPa）；β—考虑成束钢筋系数，单根钢筋β=1.0，两根一束β=0.85， 三根一束β=0.7。锚杆有效锚固段长度除满足抗拔稳定性要求外，还应控制锚杆最小长度，即岩层中≥4m；土层中5.锚杆与肋柱的连接当肋柱为就地灌注时，必须将锚杆钢筋伸入肋柱内，其锚固长度应满足钢筋混凝土结构规范的要求。当采用预制的肋柱时，锚杆与肋柱的连接形式有三种：螺母锚固、弯钩锚固和焊短钢筋锚固。外露金属部分用砂浆包裹加以保护。螺丝端杆应采用延伸性能和可焊性能良好的钢材，按照与锚杆钢筋≥5m。截面等强度的条件进行设计，如果采用45SiMnV精轧螺纹钢筋作锚杆，钢筋本身的螺旋即可作为丝扣并可安装螺帽，所以不需要再另外焊接螺丝端杆。 6.锚杆防锈措施钢筋的锈蚀作用受许多因素影响。暴露在湿空气中并与酸性水和空气反复接触的钢筋锈蚀速度最快，埋在碱性土中而且其周围孔隙水和空气不易流动时钢筋不易锈蚀。一般埋在土中的钢筋必须进行防锈处理。 钢筋锚杆的防锈措施应选用柔性材料，而不宜采用包混凝土等刚性防护。锚杆未锚入地层部分，必须作好防锈处理。一般在钢筋表面涂两层防锈漆，并缠裹用热沥青浸透的玻璃纤维布两层，以完全隔绝钢筋与土中水及空气的接触。锚杆也可采用镀锌的方法进行防锈处理。锚杆螺栓与肋柱连接部位无法包裹，是防锈的薄弱环节，应压注水泥砂浆或用沥青水泥砂浆充填其周围并用沥青麻布塞缝。此处应慎重处理。7.锚杆的倾斜锚杆在地层中一般都沿水平向下倾斜一定的角度，通常在10°～45°之间。具体倾斜度应根据施工机具、岩层稳定的情况、肋柱受力条件以及挡土墙要求而定。锚杆的倾斜度是为保证灌浆的密实，有时也为了避开邻近的地下管道或浅层不良土质等。从受力的角度来看，水平方向为好，但这种水平锚杆由于上述原因而往往不能实现。当倾斜度为45°时，抗拔力仅为水平方向的1/2，而且锚杆倾斜度的增加会使结构位移加大，因此锚杆倾斜度不宜太大。多层锚杆挡土墙为了减少墙的位移量，应使中层和低层锚杆缓于上层锚杆的倾斜度，如图10-49所示。六、壁板式锚杆挡土墙壁板式锚杆挡土墙根据施工方法不同，可分为就地浇注和预制拼装两种类型。对于就地浇注的壁板式锚杆挡土墙，其锚杆端头直接插度 图10—49 锚杆的倾斜入混凝土板中，与壁面板一起浇注，不存在锚头单独施工问题。而预制拼装式在预制混凝土壁面板时，应留有锚头或预留孔道。此种挡土墙的锚杆多用楔缝式锚杆，适用于岩石边坡防护。1.锚杆锚杆的间距，按墙后填土的性质、壁面板受力合理及经济等综合确定。其水平间距一般为1～2m；竖向以布置2～3排锚杆为宜。采用预应力锚杆时，其间距可适当加大。2.壁面板壁面板宜为整块钢筋混凝土板，采用就地浇注或预制拼装。预制墙面板必须预留锚杆的锚定孔。为便于施工，一般采用等厚截面，其厚度不宜小于0.3m。混凝土强度等级不宜}