重力式挡土墙

摘要重力式挡土墙是指一种以墙体自重来抵抗岩土压力,防止边坡围岩坍塌,使边坡保持稳定的人工构筑物。在道路工程中,可用以支撑路堤或路堑边坡、隧道洞口,防止水流冲刷路基,同时也常用于处理路基边坡滑坡崩塌等路基病害。尤其在山区公路挡土墙的应用更为广泛,这是我国在公路工程中常用的一种边坡加固措...

重力式挡土墙是指一种以墙体自重来抵抗岩土压力,防止边坡围岩坍塌,使边坡保持稳定的人工构筑物。在道路工程中,可用以支撑路堤或路堑边坡、隧道洞口,防止水流冲刷路基,同时也常用于处理路基边坡滑坡崩塌等路基病害。尤其在山区公路挡土墙的应用更为广泛,这是我国在公路工程中常用的一种边坡加固措施。

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,圬工数量较多,在软弱地基上修建往往受到承载力的限制。重力式挡土墙多用浆砌块石砌筑,当地基条件较好、墙体高度不大、当地有石料时一般应优先选用重力式挡土墙。

重力式挡土墙

重力式挡土墙分类

重力式挡土墙可根据其墙背的坡度分为仰斜、俯斜、直立3种类型。按土压力理论,仰斜墙背的主动土压力最小,而俯斜墙背的主动土压力最大,垂直墙背位于两者之间。

重力式挡土墙构造

路基边坡加固常用的重力式挡土墙,一般由墙身、基础、填料、排水设施和沉降缝与伸缩缝等几部分组成。

1、墙身

墙身是重力式挡土墙的主体,由墙背、墙面、墙顶和护栏等部分组成。其构造应在满足强度和稳定性要求的前提下,按照结构合理、断面经济和施工方便等原则确定。

(1)墙背

重力式挡土墙按照墙背的倾角不同,可分为仰斜、垂直、俯斜、凸形折线及衡重式几种。

根据对仰斜、垂直、俯斜式3种墙背所受的土压力分析,在其他条件相同时仰斜式墙背所受的压力为最小,断面最经济,开挖回填量较小,主要适用于路堑挡土墙。墙背坡度不宜缓于1∶0.3,以避免施工困难。俯斜式墙背所受土压力最大,其坡度一般宜为(1∶0.25)~(1∶0.45)。在地面横坡陡峭时可采用陡直墙面,以便减小墙高;也可将墙背设计为台阶式,以增士墙背与填料的摩擦力。垂直式墙背的特点介于仰斜和俯斜式墙背之间。

凸形折线式墙背是将仰斜式墙背的上部改为俯斜式,以减小上部墙身的断面尺寸,多用于路堑墙或路肩墙。衡重式是在上下墙之间设置衡重台,并用陡直的墙面,适合于山区陡峻处路肩墙和路堤墙,也可用于路堑墙,一般上下墙高的比例为h1/h2=2/3。

(2)墙面

挡土墙的墙面一般为平面,其坡度应与墙背坡度相协调。墙面坡度直接影响挡土墙的高度。因此,在地面横坡较陡时,墙面的坡度一般宜为(1∶0.50)~(1∶0.20),矮墙可采用陡直的墙面;在地面平缓时,墙面的坡度一般宜为(1∶0.20)~(1∶0.35),这样比较经济。

(3)墙顶

墙顶最小宽度,采用浆砌块石时为0.50m,干砌时为0.60m。路肩挡土墙加混凝土或粗料石台帽时,帽的厚度一般不小于0.40m,顶部帽檐悬出的宽度为0.10m。如果不做台帽,或为路堤墙和路堑墙时,墙顶应以大块石砌筑,并用水泥砂浆勾缝,或用水泥砂浆抹平顶面,砂浆厚度为2cm。干砌挡土墙墙顶50cm高度内,应用M2.5砂浆砌筑,以增加墙身的稳定。干砌块石挡土墙的高度一般不宜大于6m。

(4)护栏

为了保护交通安全,在非封闭性的公路上,挡土墙高于6m且连续长度大于20m;或挡土墙外为悬崖;或地面横坡陡于1∶0.75,且连续长度大于20m;靠近居民点或行人较多的路段,且挡土墙高于3m时的路肩挡土墙,墙顶均应设置人行防护栏杆。为保持路肩最小宽度,护栏内侧边缘距路面边缘的距离,二、三级公路一般不应小于0.75m;四级公路一般不应小于0.50m,外侧距墙顶边缘不应小于0.10m。高速公路、一级公路防撞防护栏应设在土路肩宽度内。

2、基础

绝大多数的挡土墙都直接修筑在天然地基上。当地基较软、地形平坦,而墙身又超过一定高度时,为了减小基底的压应力,增加抗倾覆的稳定性,可在墙趾处伸出一台阶,以拓宽基底,如图4-9所示。墙趾台阶的宽度,视基底应力需要减小的程度而定,但不得小于20cm。台阶的高宽比,可采用3∶2或2∶1。如果基底应力超出地基容许承载力过多而需要加宽很多时,为避免台阶过高,可采用钢筋混凝土底板。

挡土墙地基为软弱土层(如淤泥质土、杂填土等)时,可用砂砾、碎石、矿渣或灰土等质量较好的材料换填,以扩散地基底的压应力。

墙趾处地面横坡较陡,而地基为较完整坚硬的岩层时,基础可设计成为台阶形,以减少基坑开挖和节省圬工。台阶的尺寸,按具体的地形、地质条件而定,使基础不受侧压力的作用。台阶的高宽比一般不应大于2∶1,台宽一般不宜小于50cm。

地基如果有短段缺口(如深沟等)或挖基困难(如需要水下施工等),可采用拱形基础,以拱圈跨过,再在拱圈上砌筑墙身,但应注意土压力不宜过大,以免横向推力导致拱圈开裂。所以在设计时应对拱圈进行验算,或采用垛式挡墙。当横坡陡直、岩层坚硬、基础悬空、施工困难、路基宽度不足时,可采用半边桥或悬出露台。

3、墙后填料

重力式挡土墙墙后的填料,可以采用透水性良好的砂砾或碎石材料,但膨胀性土不得作为挡土墙的填料。对于加筋土挡墙,为增加拉筋与填料间的摩擦力,宜选用饱水内摩擦角大于25°的砂砾等材料,但最大颗粒的尺寸不应超过25cm,其中粒径大于15cm的颗粒不得超过25%。

4、排水设施

挡土墙应采取适当的排水措施,防止地面水下渗和流入墙后土体,以免地基承载力严重下降、墙体后的推力增大和拉筋腐蚀加速。同时防止墙体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应力,消除黏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,采取的排水措施有: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路堑挡土墙墙趾前的边沟应予以铺砌加固,以防边沟水渗入基础。

墙身排水主要是为了排除墙后积水,通常在墙前地面以上设一排泄水孔。挡土墙较高时,可在墙上部适当高度处加设一排或数排泄水孔,如图4-12所示。泄水孔的尺寸可根据泄水量大小而确定,一般可采用直径为0.05~0.20m的圆孔,孔眼间距一般为2~3m。孔眼应上下交错设置,最下一排泄水孔的出水口应高出地面0.30m;如为路堑挡土墙,应高出边沟水位0.30m;浸水挡土墙应高出正常水位0.30m。下排泄水孔进水口的底部,应铺设0.30m厚的黏土层并夯实,以防止水分渗入基础。泄水孔的进水口部分应设置粗粒料反滤层,以防止孔道淤塞。干砌石挡土墙可以不设置泄水孔。

当挡土墙后的填料为黏土时,水分不宜渗入泄水孔排走,存在因透水性不良或可能发生冻胀,应在填料与墙背之间,在最低一排泄水孔至墙顶以下0.50m的高度范围内,填筑高度不小于0.30m厚的砂砾石或碎石加土工织物等渗水性材料作连续式排水层,以疏干挡土墙后填土中的水;当泄水量大时,还可在排水层底部加设纵向渗沟,配合排水层将水排至墙外。排水层的顶部和底部应用0.30~0.50m厚的胶泥(或其他不透水材料)封闭,以防止水流下渗。

挡土墙的墙背一般不设置防水层,只需用水泥砂浆把墙背表面的缝隙及凹处抹平。但在严寒地区,应进行防水处理,即在墙背先抹一层2cm厚的M5水泥砂浆,再抹一层2mm厚的热沥青。

5、伸缩缝

伸缩缝也称为接缝。为避免地基不均匀沉降而使墙身受力带来不利影响,在地基性质和墙高等发生突变处,应设置沉降缝。同时,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。在情况允许时一般将沉降缝和伸缩缝结合在一起设置。

挡土墙应根据地形和地质条件分段设计与施工。对于非岩石地基,应当每隔10~15m设置一道沉降伸缩缝;对于岩石地基,其伸缩缝的间距可以适当增大。沉降伸缩缝的宽度一般为2~3cm,并且自墙顶做到基底。浆砌挡土墙的接缝内可用胶泥填空,但在渗水量大而填料容易流失或冻害严重地区,则应用沥青麻筋或沥青木板等具有弹性的材料,沿墙的内外及顶边进行填塞,深度不应小于15cm;当墙背为填石且冻害不严重时可以不嵌填材料,设置为空缝。

对于干砌片(块)石挡土墙,缝的两侧应选用平整石料砌筑,使缝形成一条形状竖直通缝。钢筋混凝土挡墙的伸缩缝采用企口缝,缝之间的间距不超过30m;其间设置表面有V形缺口的收缩缝(钢筋不要切断),间距一般为10m。

重力式挡土墙特点

重力式挡土墙优点是就地取材,施工方便,经济效果好,在我国铁路、公路、水利、港湾、矿山等工程中得到广泛的应用。缺点是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。

重力式挡土墙计算

重力式挡土墙的计算通常包括以下内容:①稳定性验算,即抗倾覆和抗滑移验算;②地基承载力验算;③墙身强度验算。

(1)挡土墙抗倾覆验算。抗倾覆力矩与倾覆力矩之比为抗倾覆安全系数。

(2)挡土墙抗滑移验算。抗滑力和滑动力的比值称为抗滑移安全系数。

(3)挡土墙地基承载力验算。挡土墙地基承载力验算按一般偏心受压基础验算。

(4)挡土墙墙身强度验算。取墙身薄弱截面验算墙身强度。

(5)挡土墙的抗震验算。计算地震区挡土墙时需考虑两种情况,即有地震时的挡土墙和无地震时的挡土墙,由于在考虑地震附加组合时,安全度降低,有时算出的墙截面可能反而比无地震时的小,因此应选用两种情况中墙截面较大者。

重力式挡土墙布置

挡土墙的布置通常在路基横断面图和墙脚纵断面图上进行。在需要设置挡土墙的地段,应根据挡土墙处的地形、地质和水文等情况,考虑材料来源和施工条件,结合技术经济比较,进行挡土墙的布置和设计。路基挡土墙的布置,一般包括横向和纵向两个方面。

1、挡土墙的位置

(1)路堑挡土墙大多数设置在边沟旁。山坡挡土墙应考虑设置在基础可靠处,墙的高度立保证设置挡土墙后墙顶以上边坡稳定。

(2)路肩挡土墙由于其可充分收缩坡脚,大量减少填方和占地,当路肩墙与路堤墙的墙高或截面圬工数量比路肩墙显著降低,且基础可靠时,宜选用路堤墙。必要时对它们应进行技术经济比较,以便确定挡土墙的位置。

(3)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进行布置,注意设置挡土墙后仍应保持水流顺畅,不至于挤压河道而引起局部冲刷。

2、纵向布置

挡土墙的纵向布置是在墙址纵断面图上进行,布置后绘制挡土墙的正面图,主要包括以下内容。

(1)确定挡土墙在纵向的具体位置和长度,选择墙与路基或其他结构物的连接方式。墙端可直接嵌入山坡内,或者与路堤以锥坡相衔接等。

(2)按地基的地质和地形情况进行分段,确定挡土墙沉降缝和伸缩缝的位置。

(3)布置各段挡土墙的基础。当墙址处地面有纵坡时,挡土墙的基底应做成不大于5%的纵坡;当地基为岩石地质时,为减少开挖工程量,也可在纵向做成台阶状,其尺寸随地形而变动,但高宽比不大于1∶2。

(4)确定挡土墙上的泄水孔位置,这是确定挡土墙稳定性的重要环节,主要包括确定泄水孔的数量、间隔和尺寸等。

3、横向布置

挡土墙的横向布置主要是在路基横断面图上选定挡土墙的位置和形式,确定墙身的断面、基础形式和埋置深度,拟定挡土墙的排水设施,选择墙后填料等,并绘制有代表性的挡土墙横断面图。

对于地形、地质复杂的地段,或工程数量大的沿河曲线挡土墙,应在地形图上进行平面设计,标明挡土墙的平面位置。在进行挡土墙断面设计时,如果没有标准图可供套用,应进行稳定性验算和断面结构计算。

重力式挡土墙施工

重力式挡土墙施工主要工序:施工准备→基坑开挖→报检复核→砌筑基础→基坑回填→选修面石与拌砂浆→砌筑墙身→填筑反滤层与墙背回填→清理勾缝→竣工交验。

1、墙身材料的要求

砌石挡土墙所用的石料,应采用结构密实、质地均匀、不易风化、无裂缝的硬质岩石,其抗压强度不小于30MPa。在冰冻及浸水地区,应具有要求的耐冻和抗侵蚀性能。

挡土墙尽量选用较大的石料砌筑。块石形状应大致方正、上下表面平整,其厚度不应小于0.20m,宽度和长度约为厚度的1.0~1.5倍和1.5~3.0倍。片石应有两个大致平行的面,其厚度不应小街0.15m,宽度和长度不小于厚度的1~5倍,单块质量不小于30kg。用作镶面的片石,应选择表面较平整、尺寸较大者,并稍加修整。粗料石外形应比较方正,其厚度为0.20~0.30m,宽度为厚度的1.0~1.5倍,长度为厚度的2.5~4.0倍,表面凹陷深度不大于20mm。用作镶面的粗料石,应将其六面加以适当修凿,外露面应有细凿的边缘。

混凝土预制块的规格与粗料石基本相同,其抗压强度等级不小于C15,并根据砌体形式的需要和起吊能力决定预制块的形状大小。

砌筑挡土墙所用的砂浆标号,应根据挡土墙的类别、部位及用途选用。拌制的砌筑砂浆宜采用中砂或粗砂。用于砌筑片石时,最大粒径不宜超过5mm;砌筑块石、粗料石和混凝土预制块时,最大粒径不宜超过2.5mm。

干砌挡土墙的墙身较高时,最好选用块石砌筑。在墙高超过5m或石料强度较低时,可在挡土墙的中部设置厚度不小于0.50m的浆砌水平层,以增加墙身的稳定性。

混凝土挡土墙所用混凝土的强度等级不得低于C15,其基础部分可采用相同强度等级的片石混凝土浇筑,其中掺入片石量不超过总体积的25%。

2、墙后填料的选择

为保证挡土墙的正常使用和经济合理,墙身后填料的选择也是一项重要的工作。由土压力理论可知,填料的内摩擦角越大,主动土压力就越小;填料的表观密度越大,主动土压力就越大。因此,墙后填料应选择内摩擦角大、表观密度小的填料,应优先采用砂类土、碎(砾)石土填筑,这些填料透水性好、抗剪强度大、稳定性好、容易排水,就地取材,能显著减少主动土压力。

3、地基承载力检测

加固用挡土墙必须同时满足抗滑、抗倾覆和地基承载力,才能保证地基自身稳定和达到支挡加固的目的。为了避免挡土墙发生非均匀沉降,地基承载力应大于挡墙基底压力。在施工阶段,基坑开挖后需鉴定地基承载力,若发现不能达到设计所要求的值时,应进行地基处理,这是挡土墙施工质量控制的一项重要内容。

地基承载力的确定,目前常采用理论公式计算法、现场载荷试验实测法和查地基承载力表法三种。前两种方法计算、试验比较繁杂,一般用于比较重要工程;第三种方法简单易行,使用时根据该工程的地基的地层岩性,便查得相应的承载力,这是现场确定地基承载力最基本的方法。

4、不良地基的处理

当地基属于特殊岩土(如软土、沼泽土、膨胀土、风化岩土、岩溶等)或裂隙陡坡地基时,必须经过进行特殊处理后才能保证挡土墙的结构稳定。

当基坑开挖后,地基承载力虽满足要求,但发现岩基有裂缝,应以强度等级为M7.5水泥砂浆或小石子混凝土灌注饱满;如果基底岩层有外露软弱夹层,宜在墙趾前对软弱层做封面防护,以防止风化剥落后,基础折裂而致使墙身外倾。

对土质基坑应保持干燥,雨天施工坑内积水应随时排除,对受水浸泡的基底土应全部清除,并换以强度高、稳定性好的土至设计标高。当基坑开挖至设计标高后,如发现地基为软土或膨胀土,经测试承载力达不到设计要求时,需进行地基处理,常用的方法有换填、机械压实、灌注等。究竟采用何种处理方法,应根据基坑的环境地质条件和经济性比较而确定。

换填垫层法是最常用的方法,它是填筑于软弱地基土上或置换其上部的,具有一定厚度和承载力,适合于软弱地基的浅层处理。垫层材料可采用中砂、粗砂、砾砂、角砾、圆砾、碎石、矿渣,以及其他性能稳定、无侵蚀性的材料换填厚度应经计算确定,但最大厚度不宜超过3.0m。

换填垫层施工的关键要素是选择好换填材料和控制好换填工艺。对于砂垫层,应选用中砂或中砂以上粗砂,其含泥量不宜超过3.0%;对于砂石垫层,宜选用级配良好的砂石,不得含有植物残骸、垃圾等杂质。当使用粉细砂时,应掺入25%~30%的碎石或卵石,但最大粒径不宜大于50mm。对于膨胀性岩土、湿陷性黄土地基,不得选用砂石类渗水材料。当使用灰土材料时,体积配合比宜为2∶8或3∶7,土料宜选用塑性指数大于4.0的粉土,不得含有松软杂质,颗粒不得大于15mm,石灰应采用新鲜的消石灰。换填垫层应分层填筑和振实,每层厚度为20~30cm;对灰土类垫层,应用打夯机夯实,使其压实度不小于90%。

5、施工中注意事项

挡土墙施工应与设计要求相配合,应当符合施工技术规范中的具体要求,在施工过程中应注意以下事项。

(1)在挡土墙正式施工前,应首先做好地面排水工作,为确保施工质量符合设计要求,浸水挡土墙宜在枯水季节进行施工。

(2)在松软地层、坍塌方或坡积层地段,基坑应当分段进行开挖,以免在挡土墙砌筑过程中发生坍塌;基坑的开挖顺序应采用跳槽间隔分段开挖的方法,以保证施工安全。

(3)在挡土墙的基坑开挖后,如果发现地基实际情况与设计有所出入,应按照实际情况调整原设计方案;如果发现基岩有裂缝,应以水泥砂浆或小石子混凝土进行灌注;如果基底岩层有外露的软弱夹层,应在墙趾前对该层做封面防护,以防止风化剥落后,基础出现折裂而致使墙身外倾。

(4)墙趾部分的基坑,在基础施工完毕后,应及时进行回填夯实,并做成5%外倾斜坡,以免产生积水下渗,影响墙身的稳定。

(5)浆砌片(块)石挡土墙,应当错缝砌筑、坐浆饱满、填缝紧密,施工质量要求符合现行规范和设计的规定。

(6)墙体砌筑和浇筑完毕后,应及时做好养护工作。待墙体达到设计强度的75%以上,才可回填墙后的填料,千万不可过早回填,防止墙体强度不足而致使破坏。

(7)在进行回填之前,应确定填料的最佳含水量和最大干密度。根据选用的碾压机具和填料性质,分层填筑、分层压实,压实度必须满足设计要求。

(8)墙后回填必须按规定均匀摊铺、修筑平整,并设置不小于3%的横坡,以利于排水。在墙背1.0m范围内,不得有大型机械行驶或作业,防止碰撞墙体和产生过大侧压力,应采用小型压实机械进行碾压,分层厚度不得超过0.20m。

(9)当墙后地面横坡坡度陡于1∶5时,应先对横坡填方基底进行处理,如铲除草皮、开挖台阶等,然后再进行填土,以免填方顺着原地面产生滑动。

(10)处于地震地区的挡土墙,为减少地震力的作用,施工前必须疏干墙后的填料。浆砌挡土墙高度大于8m时,应沿墙高每隔4m设置一层混凝土垫层,并与上、下层片石充分交错咬紧。

重力式挡土墙五种形式

重力挡土墙分为悬挂墙、扶墙、锚固、板和加固土。

重力挡土墙结构简单,工期短,对基础承载力要求高。悬浮挡土墙靠墙和悬臂土重力维护,施工更方便,但基础承载力相对较低。扶壁挡土墙数量少,对基础承载力没有特殊要求。锚板挡土墙主要由立柱和墙板组成。结构轻巧,灵活性大。加固挡土墙结构适用于加固河岸和围堰,相对较轻,刚度高。

重力式挡土墙基础埋置深度

重力式挡土墙的基础,应根据地形、地质条件埋置足够的深度,以保证挡土墙的稳定性。基础埋置深度应根据地基性质、承载力要求、冻胀影响、地形和水文地质等条件确定。土质地基的基础埋置深度应符合下列要求:

①在一般情况下,土质地基基底埋置深度一般应在天然地面以下不小于1.0m;当土层确实密实稳定时,可适当减小;

②当受水流冲刷时基础应埋置在冲刷线以下不小于1.0m,当施工困难时应采取其他措施,如增设混凝土基础,并在临河一侧采用可靠的护脚或设桩基础;

③当有冻害影响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内换填不冻胀的材料,但埋置深度不小于1.25m,且基底应夯实大于0.25m厚度的砂砾或碎石垫层;

④碎石、卵石、中砂或粗砂等不冻胀土层中的地基基础,基础深度密实时不宜小于0.50m,疏松时不宜小于1.0m;

⑤挡土墙基础置于硬质岩石地基上时,应设置于风化层以下,基础嵌入基岩的深度不小于0.15~0.60m(按岩石的坚硬度和抗风化能力选定)。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0.80m。路堑挡土墙基础顶面应低于边沟底面不小于0.50m。

挡土墙基础置于斜坡地面上时,墙趾前应留有足够的襟边宽度,以防止地基产生剪切破坏。襟边宽度可按嵌深度的1~2倍考虑。

重力式挡土墙基础埋深不小于

重力式挡墙的基础埋置深度,应根据地基承载力,水流冲刷,岩石裂隙发育及风化程度等因素进行确定。在特强冻胀,强冻胀地区应考虑冻胀的影响。在土质地基中,基础埋置深度不宜小于0.5m。在软质岩地基中,基础埋置深度不宜小于0.3m。参见《建筑地基基础设计规范》第6.7.4条第4款。

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