重力式挡土墙设计及检算文档格式.docx
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适用于条件
1
重力式挡土墙
（1）墙高不宜大于6m，在较弱的土层中墙高不宜大于5m
（2）适用于地形变化复杂的场地
（3）墙身材料可选用毛石砌体、毛石混凝土和素混凝土
2
钢筋混凝土挡土墙
（1）钢筋混凝土悬臂式挡土墙墙高不应超过8m时，宜采用扶壁式钢筋混凝土挡土墙
（2）悬臂式挡土墙适合于地基承载力较低的地段，扶壁式挡土墙适用于地基承载力较高的地段
（3）常用于石料缺乏
挡土墙支护结构型式
适用条件
3
悬臂式排桩支护结构
（1）基坑侧壁安全等级宜为二、三级
（2）在软土场地中基坑深度不宜小于5米
（3）基坑底面以下的地质较好的；
具有嵌固桩体的能力
（4）对桩顶变位要求较高的场地不宜采用
（5）当地下水位高于基坑低面时，宜采用降水或截水帷幕
4
拉锚式围护结构
（1）适用于基坑侧壁安全等级一、二、三级
（2）适用于无流砂、含水量不高，不是淤泥等流塑土层的基坑支护，开挖深度不宜大于18米
（3）当地下水位高于基坑面时，应采取降水或截水措施
5
内撑式围护结构
（1）适用于基坑侧臂安全等级一、二、三级
（2）在软土中场地，优选用
（3）内支撑的构件，常用钢筋混凝土构件或组合型钢，对于平面较大、形状比较复杂的基坑，宜采用现浇钢筋混凝土结构
（4）当地下水位高于基坑底面时，应采取降水或截水措施
6
水泥重力式挡土墙
（1）基坑侧壁安全等级宜为二三级
（2）水泥土桩施工范围内的地基土承载力不宜大于150kPa
（3）基坑深度不宜大于6米
（5）
7
土钉墙
（1）基坑侧壁安全等级一、二、三级
（2）适用于非软土场地，基坑深度不宜大于12米
（3）当地下水位高于基坑底面时，应采取防降水或截水措施
8
地下连续墙
（1）适用于基坑侧壁安全等级一、二、三
（2）可用于各种场地土，特别适用于软土地基密集的建筑群中高层建筑的深基坑开挖
（3）适用于临时挡土支护、止水及防渗，同时可作为永久性的承重结构
（4）是多层深地下室逆作方法必选的地下围护结构
（5）当地下水位高于基底面时，应采取降水措施
基坑挡土墙结构的选型，尚应考虑结构的空间效应和受力特点，采用有利支护结构材料受力性状的型式。
重力式挡土墙属刚性结构，广泛用于支挡路堤或路堑边坡、隧道洞口、桥梁两端及河流岸壁等[1]。
它靠墙的自重保持稳定，一般在低挡土墙（墙高H<
5米）时采用具有结构简单、施工方便、能就地取材等优点[2]。
近年来，随着经济的发展，我国特殊场地工程施工增多，许多超规范的设计大量的也现，在支挡结构中更为突出。
传统的重力式挡土墙很少用于坡高或坑深大于8米的支挡工程中。
而实际工程中，往往基坑比较深，又不受场地的限制，为了本着既经济又安全的原则，采用一种分级式挡土墙，是完全可以的。
超重力式挡土墙就是采用分级组合的重力式挡土墙。
经过充分计算、验算，只要挡土墙的抗滑、抗倾覆安全系数以及偏心距、基底应力均满足计算要求，这种新的设计方法应该是可行的。
本文通过结合某工程场地，并采用本设计新方法予以计算说明之。
1工程概况
拟建场地地貌单元属于山前冲洪积扇后缘，土层为卵石
漂石
，地下水埋深2.5~2.8米，对钢筋砼结构中钢筋无腐蚀性。
场地高程介于429.5~445.89米拟回填砂坑深8~10米，挡土墙设于深10米地带。
场地总平面及挡土墙位置见图1。
2设计原理
2.1土压力计算
考虑到挡土墙的超高因素,墙后土压力（P）取静止土压力（P0）与主动土压力（Pa）平均值,计算公式如式
（1）
（1）
式中:
K0——静止土压力系数：
Ka——无粘性主动土压力系数。
rz——r指土的重度，rz指Z深度土的重度。
2.2滑动稳定验算
挡土墙滑动稳定性验算采用文献[4]中推荐的公式
（2）,受力情况图2（a）.
（2）也可采用公式（3）计算，此时挡土墙倾斜
角，受情况2（b）。
或：
（3）
2.3倾覆稳定验算
挡土墙倾覆稳定性验算采用文献[4]中推荐的公式见式（4）受力分析见图2（c）。
（4）
式中：
Zx——Ex对墙趾O点的力臂：
Zy——Ey对墙趾O点的力臂：
Zw——Ew对墙趾O点的力臂：
2.4基底应力及偏心验算
（1）偏心距：
偏心距验算采用文献[4]中推荐的公式见式（5）
Zn——Zw—e之值。
（5）
（2）基底应力：
基底应力分两种情况来讨论，具体情况如下：
①
时，墙趾或墙踵处的应力公式按式（6）计算：
（6）
——修正后的地基容许承载力，
K1——地基容许承载力随基础宽度的修正系数：
r1——地基土的天然容重。
②
时，墙趾或墙踵处的应力公式按式（7）计算：
（7）
图2挡土墙受力情况简图
3计算步骤
3.1参数选择
①墙背填土参数依据参考文献[3]选择,见表1。
表1填土参数表：
天然容重γ1
内摩擦角ф
粘聚力c
20.5
35o
稳定性验算系数等依据文献[4]选择，见表2。
表2稳定性验算系数表：
滑动稳定
系数Kc
倾覆稳定系数K0
偏心距
e
基底应力
地基容许承载力
（kpa）
1.3
1.5
B/6
300~500
3.2计算结果
①土压力计算结果:
一级挡墙:
P=343.17KPa，
二级挡墙：
P=343.17KPa。
②滑动稳定系数验算结果：
Kc=1.6，
Kc=1.3。
③倾覆稳定系数验算结果：
K0=1.75，
K0=2.7。
④偏心距及基底应力验算结果:
e=1.58，δ=274.50KPa
e=0.39，δ=125.36KPa
4挡土墙结构设计
根据一系列的验算得出结论为:
一级挡土墙高6米,墙顶宽2.5米；
二级挡土墙高4米，墙底宽2.5米，墙顶宽1米，基础宽8米，高3米；
满足规范要求。
挡土墙设计结构如图3所示。
图3挡土墙结构示意图
由于施工场地距离河流较近，充分考虑地下水及地表水的渗流作用，一级挡土墙墙身全部及二级墙身下部纵横间距2m×
2m设排水孔，一级挡土墙顶面设截流槽，墙面设溢流槽，墙脚设排水槽。
二级挡墙顶部设50cm墙帽，防止松散填料滚落墙下。
5结论
采用分级组合式的重力式挡土墙设计方法是目前较理想的设计新方法之一，其工程建设投资相比扶壁式挡土墙等较低，稳定性也可以达到有关规要求。
只是在施工过程中一定要严格按相关规定操作，避免出现因施工引起的质量事故。
本新设计方法值得广泛推广。
第二部分对实际设计过程中遇到的问题加以讨论检算
为了对重力式挡土墙理解更透彻，下面着重探讨一下挡土墙其他方面的问题：
挡土墙可不必拘泥于规范对挡土墙高度的限定，可根据实际情况因地制宜地选择挡土墙类型及确定挡土墙高度，只要在偏心距与基底应力检算中，墙趾、墙踵应力满足要求即可，下面我们具体的分析一下这个问题：
6对挡土墙设计中几个问题进行探讨
支挡结构是路基设计中的一个重要组成部分，其中挡土墙应用最为广泛，在挡土墙设计计算中，一般首先确定挡土墙的高度，根据实际情况选用合适的挡土墙类型，然后拟定挡土墙挡土墙断面尺寸，根据库仑或朗金理论计算墙背岩土，主动土压力，进行挡土墙检算。
检算主要有如下5项：
①抗滑动稳定系数KC≮1.3；
②抗倾覆稳定系数K0≮1.5；
③基底合力偏心距e的检算；
土质地基≯B/6，岩土地基≯B/4；
④基底压应力≯基底容许承载力
，同时还规定当合力偏心距为负值时，墙踵压应力可超过地基容许承载力，一般地区≯30%，浸水地区≯50%，但基底平均压应力≯地基容许承载力；
⑤墙身截面强度检算。
检算满足要求后，墙身设计中的挡土墙高度、合力偏心距、基底压应力进行探讨。
6.1挡土墙高度
6.1.1有关规定
挡土墙高度直接影响挡土墙断面尺寸的拟定、墙身的圬工数量以及基础是否需要加固等问题。
在《铁路路基支挡结构设计规范》中对各种挡土墙的高度都有具体规定；
重力式挡土墙<
12米，短卸荷板式挡土墙6~12米，悬臂式挡土墙<
6米，锚杆挡土墙<
18米，锚定板挡土墙<
10米，加筋挡土墙<
10米，土钉墙<
20米，桩板式挡土墙<
15米（自由臂）。
不同的形式挡土墙因结构不同，当超过一定高度后，挡土墙受到的土压力增长较快，而其承受能力却有限，故对挡土墙高度做了一定的限制。
理论上，重力式挡土墙的主要荷载——墙背岩土主动土压力可以通过库仑或朗金理论计算求得，挡土墙的结构受力分析也是完善的，那么无论挡土墙多高，土压力多大，通过计算都可以拟定合适的挡土墙尺寸，满足工程需要。
当然挡土墙较高时，地基一般都需要加固处理。
但是在实际工程中，挡土墙在满足工程需要的同时必须经济、安全、合理，因而对各种挡土墙的高度都有明确的规定。
如日本国铁规范规定；
墙高<
3米采用重力式挡土墙，3~6米采用悬臂式挡土墙，>
6米采用扶臂式挡土墙。
规范对挡土墙高度做的限定，可以使我们在设计时少走弯路，尽快找到合适的支挡结构。
但是,工程设计者不能固步自封,在挡土墙选型时局限于以上规定。
6.1.2例举一个已施工的重力式挡土墙设计加以说明
某电厂专用线位于某铁路线K481+300~K482+900南侧,与该铁路正线等高并行,专用线南侧的电厂卸煤区比路肩低8米左右，卸煤采用人工方式。
原设计采用重力式路肩挡土墙，参照定型设计（见图四）挡土墙长740米，墙顶1.9米，墙顶外线距线中心2.9米。
出现以下问题：
①由于墙顶较宽，使得轨枕头有0.25米压在重力式路肩挡土墙上,造成轨枕支撑“一头软、一头硬”危及安全；
②挡土墙外缘距线路中心较宽，人工卸车时原煤极易堆积在路肩上，给行车带来隐患。
针对以上弊病，经过分析，决定采用悬臂式挡土墙（见上图）。
墙顶宽0.3米，墙顶外缘距线路中心线1.95米，胸坡为1：
0.05。
这样就彻底解决了采用重力式挡土墙带来的问题。
经检算各项指标均满足规范要求。
该悬臂式挡土墙于1998年12月竣工，2001年12月验收，2002年1月开通运营。
运营6年多来，挡土墙情况良好，未发生任何问题。
以上实例说明，挡土墙设计不能过分拘泥于高度的限制，应该结合具体条件认真分析，采用合理的挡土墙形式解决工程实际问题。
当然，当挡土墙过高时，对挡土墙检算的几个指标——抗滑动稳定系数KC、抗倾覆稳定系数K0等应该适当增大。
6.2基底合力偏心距
基底俣力偏心距e为挡土墙基底受到的合力作用点距基底中心的距离，其计算公式为：
（8）
e——基底合力偏心距（（mm），当为倾斜基底时为倾斜基底合力的偏心距；
B——基底宽度（m），对倾斜基底为其斜宽；
C——基底垂直分力对墙趾的力臂（m）
——作用于基底的总垂真力（KN）
——稳定力系对墙趾的总力矩（KNm）
——倾覆力系对墙趾的总力矩（KNm）
规范规定基底合力偏心距e对土质路基≯B/6对岩石地基≯B/4，当合力作用点在墙趾与基底中心之间时为正，在基底中心与墙踵之间时为负。
以上规定是鉴于当偏心距大于B/6时，基底应力
或
会出现负值即拉应力，对于一般地地基与基底羊是不能承受的，这时应按无拉应力的平衡条件重新分配压应力（见图五）。
规范规定土质路基e≯B/6、岩石地基e≯B/4，只是表明当超过以上限度后，基底应力分配不均衡。
基底墙趾、墙踵压应力
、
为：
当e>
B/6时，
；
当e<
-B/6时，
当应力重新分布后，只要墙趾、墙踵应力不超过基底容许承载力，挡土墙就不会被破坏。
规范之所以对偏心距做出这样的规定，目的也是控制墙趾、墙踵应力不超过容许承载力。
表3为《铁路工程设计技术手册—路基》中抗震挡土墙对基底偏心距的要求。
表3
岩石地基
硬质岩
e≤B/3
其它岩石
e≤B/4
土质地基
基本承载力>
200Kpa
e≤B/5
基本承载力<
e≤B/6
表3中地基承力与偏心距的规定对一般挡土墙也适用。
偏心距的大小直接影响地基应力分布，偏心距大时应力分布不均衡。
如地基容许承载力较大，就允许较大的偏心距。
以上分析也适用于重力式挡土墙墙身截面检算。
因墙体材料能承受一定的拉力而偏心值较基底大，为避免出现较大的拉应力，规定墙身截面偏心距e’≯B/3。
分析表明，不管基底合力偏心距多大，只要应力重新分布后，基底压应力检算满足要求即可。
6.3基底压应力
基底压应力按下面公式计算：
当|e|≤B/6时，
（9）
B/6时,
（10）
-B/6时,
（11）
规范规定基底压应力≯基底容许承载力
，同时无论挡土墙按有荷、无荷计算，其基底合力偏心距为负值时，墙踵基底压应力可超过容许地基承载力，一般地区≯30%。
浸水地区≯50%，但平均压应力≯地基容许承载力。
当偏心距e=0时，基底应力呈矩开公布，
0时基底应力呈梯形或三角形分布，
>
0时，基底应力呈应力呈梯形或三角形分布，
<
。
对前面两种情况，只要墙趾应力>
地基容许承载力，墙踵应力及平均压应力均能满足要求。
如重力式挡土墙按有荷计算，当e<
0时，基底合力偏心距作用于基底中心与墙踵之间，即墙有向后倾趋势，此时出现“墙压土”，产生被动土压力作用于墙背，从而调整了基底的应力状态。
此时一般地区墙踵的基底压应力可使之超过地基容许承载力30%，浸水区由于考虑了水的浮力等附加力的作用，可使踵部超过更多，一般用50%控制。
此时虽然出现“墙压土”现象，但只是一种趋势，由于被动土压力的产生，需要墙体向后有较大的位移，使墙后土体被“挤出”而产生破裂而，此时土压力力达到最大值Ep。
所以有荷计算当偏心距为负值时，挡土墙墙后土压力仍按主动土压力计算，对墙踵压应力检算可适当提高。
上述情况在无荷作用时，偏心距就出现较大的负值。
根据上述分析，墙背侧压力及基底应力亦将发生相应的变化和调整，此时已不属于主动土压力状态，故可不必再检算墙踵的基底压应力。
在“墙后土”后，被“挤出”的土体对墙踵形成反压，故可适当提高墙踵处地基的容许承载力。
经实践检验，上述规定不会影响墙身及基底的稳定。
以上规定与《桥规》中对墩台基础埋置较深时地基容许载力的修正是相吻合的。
当偏心距为正值时，因为
>
，所以只要墙趾压应力
，平均压应力就不超过地基容许承载力。
当偏心距为负值时，因为
<
，根据规范
满足检算要求，而这时平均压应力就可能超过地基容许承载力。
显然当偏心距为负值时，上述规定是相互予盾的。
在挡土墙定型图中，当墙趾应力、墙踵应力满足要求时，基底平均压应力大于地基承载力的例子较多。
而实际工程采用定型图后，挡土墙也没有发生破坏。
表4为定型图中的几个例子，计算数据为：
重力式路堤挡土墙，单线铁路，换算土柱高3.4米，宽3.6米，线路中心距路肩边3.45米，挡土墙墙顶到路肩高h=8.0m,
=35度，r=17KN/m3,f=0.3,
=200kpa
重力式路堤挡土墙定型图检算表4
墙高/m
断面尺寸
计算结果
b
B
B’
h2
e/m
应力/kpa
9
2.12
2.77
2.69
0.53
0.2
0.5
1.31
2.21
-0.040
189
225
10
2.32
3.12
3.03
0.59
0.3
0.75
2.25
-0.072
193
257
由以上分析可看出，在重力式挡土墙基底压应力检算中，只需要算墙趾压应力、墙路压力即可。
7总结
分级组合式的重力式挡土墙设计方法是目前较理想的设计新方法之一，其工程建设投资相比扶壁式挡土墙等较低，稳定性也可以达到有关规要求。
为了对重力式挡土墙理解分析更透彻，着重探讨了挡土墙存在一些问题：
挡土墙可不必拘泥于规范对挡土墙高度的限定，可根据实际情况因地制宜地选择挡土墙类型及确定挡土墙高度，只要在偏心距与基底应力检算中，墙趾、墙踵应力满足要求即可。
以上说明设计重力式挡土墙从设计至检算可不拘泥于设计规范，根据实地情况，进行有利计算分析，从而设计出经济，合理，稳定的挡土墙。
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