水利工程中挡土墙的应用 - 工程设计

挡土墙在水利工程中可以有效防止上游坡发生滑塌、崩塌、倒毁等,并且可以在一定程度上稳定人工建造的高、陡边坡,避免滑坡现象的发生,由此可见,挡土墙在水利工程建设中有着必不可少的重要性,另外,挡土墙设计对于水利工程的美学价值也有较大的影响。美观实用的挡土墙不仅可以挡土、挡水,是水利工程安全运行,维护国家及人民生命财产安全的重要保障,也是水利工程与生态环境和谐发展的亮丽景观,应用极其广泛。挡土墙具有多种应用形式,如衡重式、悬臂式、重力式、半重力式等,本文就其中的重力挡土墙的设计应用进行了论述,并详细介绍了施工过程中的重点技术要求。

一、挡土墙介绍

挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。那么重力式路肩挡土墙是怎么样的?下面是本网给大家带来关于重力式路肩挡土墙设计及基础处理的相关内容,以供参考。

一、重力式挡土墙的分类

1定义

1、工程场地概况

重力式挡土墙一般在地层稳定且高度在5米以下的地段使用,由于构造比较简单,施工非常便捷,是经常被采用的挡土墙形式。重力式挡土墙的稳定来源是其自身的浆砌块石或混凝土墙体重量,但由于其看似简单的构造,常常被工程设计施工人员认定为简单技术,而不加以重视,导致了许多水利工程设计施工问题,所以重力式挡土墙的设计施工应用必须引起工程建设者的高度注意。重力式挡土墙的应用一般按照其承受压力进行选择,根据挡土墙的形状结构,我们将其分为墙背土压力最小的仰斜式,墙背土压力最大的俯斜式,适用于较陡地形的垂直式,以及衡重式和凸型折线式等五种类型,其中,由于仰斜式的主动土压力小,应用更为经济,通常被优先考虑采用。

挡土墙是指支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构造物。

本段道路为一条互通式立交匝道,路基宽度为8.5m.该路基左侧边坡紧邻一条现状排水河道,路肩至河道底面高差约5.8m.为避免路基边坡侵入河道,压缩河床断面,设计考虑在该侧设置路肩挡土墙。该墙同时作河道护岸之用。

二、重力式挡土墙形式的选用

1各部分名称

根据钻探揭露地层,该挡墙基础将置于素填土、淤泥质土等地层中,而素填土及淤泥质土具有天然含水量高、孔隙比大、压缩性高、透水性差、力学性质差等特征,不可直接作为基础持力层,应进行软弱下卧层验算后进行有针对性的地基处理。

重力式挡土墙在我国的应用非常广泛,在铁路、水利以及矿山等各个领域都有所涉及,我们在选择挡土墙的应用形式时,要严格按照各种挡土墙的特点及相关抗倾覆、抗滑等参数进行选择。我们在选用重力式挡土墙时,依照其墙背的倾斜程度分析,大多都选用俯斜式、仰斜式和垂直式三种形式,并且以主动土压力参数为依据,优先采用仰斜式挡土墙,尽量少用俯斜式挡土墙。由于仰斜式的墙后填方较为困难,挖方比较容易,所以多用于护坡之用,而相对俯斜式和垂直式的挡土墙填方则比较方便省力;相反,俯斜式则在填方时有自己的优势,所以,根据挡土墙前面的地形来看,平坦地形多用仰斜式,而较陡的地形可以采用垂直式,此外,当挡土墙高度较大时,还可以采用梯级式的方法来缓解挡土墙压力。

在挡土墙横断面中,与被支承土体直接接触的部位称为墙背;

2、挡土墙结构设计

三、施工技术要求

与墙背相对的、临空的部位称为墙面;

2.1挡土墙类型

重力式挡土墙是以自身的墙体重力来维持土体侧压力条件下墙体稳定性的,看似只是简单的浇筑工作,但实际上水利工程中对挡土墙施工的基础埋置深度、挡土墙的砌体和浇筑材料、挡土墙的构造建设以及不同的施工环境对挡土墙施工方式选择、稳定性、安全性的影响及注意事项等方面的要求都比较高,需要我们在设计施工时格外注意,以实际的施工环境为基础条件,严格设计把关,建设最为安全实用的水利工程挡土墙,在最大限度发挥其实际应用价值的条件下,合理使用建筑材料,减少经济造价,并尽可能建造美型挡土墙,使挡土墙为水利工程建设添彩。

与地基直接接触的部位称为基底;

墙身的断面形式应根据墙的用途,墙高和墙趾处地形、地质、水文等条件,在满足稳定性和强度要求的前提下,按结构合理、断面经济和施工便利的原则比较确定。

基础埋置深度。埋置深度对于重力式挡土墙的建造是不可忽视的重要环节,直接影响着挡土墙运行的安全稳定性,是必须严格依照环境参数设计施工的关键环节。一是如果挡土墙的基底层是土层,必须在适当的位置添加砂石垫层,并且深度不能少于1米;二是较软的土壤层说明基底层含有较多的水分,采取适当的桩基加固措施是十分必要的,可以有效避免墙基不实安全隐患;三是岩石基底层必须将岩石清除干净,并做好相应的排水工作,防止曝晒和腐蚀情况的发生,同时,选用硬度较大的块体进行挡土墙的墙体砌块,确保砂浆搅拌均匀,灰缝填充密实无缝隙残留。由此可见,在进行挡土墙的埋置工作时,仅仅确保深度是不够的,必须根据施工环境,严格调查分析,设计符合基底承载能力的挡土墙埋置深度和挡土墙材质质量,并保证基底的干净整洁,防止曝晒、腐蚀及严寒天气对挡土墙强度影响。

与基底相对的、墙的顶面称为墙顶;

根据场地现状,路肩墙埋置深度按不小于1m考虑,总墙高约7m.根据工程经验,可采用重力式挡土墙,设计采用浆砌片石作为本挡墙的砌体材料。

构造措施。

基底的前端称为墙趾;

2.2挡土墙设计

1.墙身构造。重力式挡土墙的墙身一般都由片石构成,墙底宽通常在墙高的1/2~1/3之间,墙顶的宽度也要在半米以上,墙顶帽则分为路堤式和路肩式两种,路堤式可以采用与墙身相同的浇筑材料进行砌筑,也可以采用水泥砂浆拦石的方法,砌筑2cm的厚度;而路肩式墙顶帽则需要采用粗料石修筑或者是用100#砼灌注,此外,帽檐是路肩式墙顶帽的明显特征,其厚度一般都大于0.4m,突出宽度采用10cm的居多。

基底的后端称为墙踵。

墙身尺寸方案

2.排水措施。适当数量的排泄孔是排出积水的有效措施,通常最下层排泄孔要高于地面30cm,并在地面铺设夯实的粘化层,以防止积水渗入。

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根据沿线地形,设计选取最大墙高处断面进行验算,该处墙顶至墙趾高为7m.设计初拟了仰斜、垂直和俯斜三种断面形式进行验算。墙身尺寸如下:

3.沉降缝和伸缩缝。沉降缝和伸缩缝的设置可以有效防止砌体收缩和温度变化等因素引起的墙体破裂以及墙高、墙后土、地基压力差异。

3适用范围

a)仰斜式b)垂直c)俯斜式

材料要求。重力式挡土墙的材料主要包括石料与砂料。石料必须经过严格的挑选,避免有外壳破碎风化严重和有较大裂缝的石料参杂其中,并且石料的容重应该在2t/m3以上才符合要求;我们通常采用的砂浆都是水泥砂浆,极少采用混合砂浆,只有在特殊的环境条件下时,混合砂浆才被采用,此外,我们以6cm为界限,在挡土墙的6cm高度之下,使用25#砂浆,6cm以上使用50#砂浆。只有严格按照设计条件选用建筑材料,才能最大限度确保挡土墙的安全稳定性,并使经济效益最大化,防止裂缝等安全隐患的发生。

路基在遇到下列情况时可考虑修建挡土墙

计算物理参数取值如下:圬工砌体容重:23.0kN/m3,圬工之间摩擦系数:0.4,地基土摩擦系数:0.5,砂浆标号:M7.5,石料强度:30MPa,墙后填土内摩擦角:35o,墙后填土粘聚力:不计,墙后填土容重:19.0kN/m3,墙背与墙后填土摩擦角:17.5o,地基土容重:18.0kN/m3,修正后地基土容许承载力:[б]=150kPa,地基土容许承载力提高系数:墙趾值提高系数:1.2,墙踵值提高系数:1.3,平均值提高系数:1.0,墙底摩擦系数:0.5(墙底换填碎石),地基土内摩擦角:30.0o,土压力计算方法:库仑,挡墙节段长度:10m.

施工注意事项。岩石基底层存在时,必须清除岩层风化部分;石砌墙体必须进行严密的填缝工作,严格保证符合要求的水灰比;材料选择避免易风化和裂缝石料;砌料应与基坑侧壁紧密结合;填料的内摩擦角容重必须严格按照设计要求施工,若摩擦角较小,则以台阶形的设计增大摩擦力避免填料滑动;松散地段的挡土墙最好采用跳槽间隔的分段式开挖方式,以避免土体下滑;施工之前的排水工作也是非常重要的,尤其墙背高坡时更应该进行挖沟排水。

  1. 陡坡地段;

  2. 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段;

  3. 可能产生塌方、滑坡的不良地质地段;

  4. 高填方地段;

  5. 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段;

  6. 为节约用地、减少拆迁或者少占用农田的地段;

  7. 为保护重要建筑物、生态环境或其他特殊需要的地段。

计算活载按2004路基规范挡土墙车辆荷载,在车行道7m宽范围内满布考虑。结构重要性系数1.1,对挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、墙顶与第二破裂面间有效荷载、填土侧压力、车辆荷载引起的土侧压力等进行荷载组合。

四、结语

二、挡土墙分类

经计算等代均布土层厚度为0.724m.因基础埋置较浅,不计墙前被动土压力。

总而言之,挡土墙在水利工程中的设计应用,不仅对于不平整的较大高差地面具有挡土、挡水的实际安全防护作用,保障国家人民的生命财产安全,还具有非常大的美观价值,极大限度地减少了水利工程的施工成本,从设计选型到施工运行的整个工作都体现着安全经济的高效原则,对于水利工程建设意义重大。

1按挡土墙的位置来分划分:

滑动稳定性验算

路堑挡土墙:

重力式挡土墙沿基底的滑动稳定系数Kc,按式求算:

设置在路堑边坡底部,主要用于支撑开挖后不能自行稳定的山坡,同时可减少挖方数量,降低挖方边坡的高度。

Kc=(W Ey)f/Ex

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式中:W为挡土墙重力,Ex、Ey为主动土压力的水平和垂直分力,f为基底摩擦系数。

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路肩挡土墙:

设置在路肩部位,墙顶是路肩的组成部分,其用途与路堤墙相同。它还可以保护临近路线的既有的重要建筑物。

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路堤挡土墙:

设置在高填土路提或陡坡路堤的下方,可以防止路堤边坡或路堤沿基底滑动,同时可以收缩路堤坡脚,减少填方数量,减少拆迁和占地面积。

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山坡挡土墙:

设置在路堑或路堤上方,用于支撑山坡上可能坍滑的覆盖层、破碎岩层或山体滑坡。

浸水挡土墙:

沿河路堤,在傍水的一侧设置挡土墙,可以防止水流对路基的冲刷和侵蚀,也是减少压缩河床的有效措施。

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2按挡土墙结构形式划分(这里只涉及几种常见挡土墙)

重力式挡土墙:

是以挡土墙自身重力来维持挡土墙在土压力作用下的稳定。它是我国目前常用的一种挡土墙。

常见的重力式挡土墙高度一般在5~6 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。

重力式挡土墙可根据其墙背的坡度分为以下几种类型:

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重力式挡土墙和悬臂式挡土墙的示意图:

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薄壁式挡土墙:

包括悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙两种;一般墙高6m以内采用悬臂式,6m以上采用扶壁式。

◆ 悬臂式挡土墙:

是由立板和底板两部分组成,一般形式为如下图所示:

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◆ 扶壁式挡土墙:

当挡土墙的墙高h>10m时,为了增加悬臂的抗弯刚度,沿墙长纵向每隔0.8~1.0m,设置一道扶壁。

锚定式挡土墙:

包括锚杆式和锚定板式两种

◆ 锚杆式挡土墙:

是由预制的钢筋混凝土立柱、挡土板构成墙面,与水平或倾斜的钢锚杆联合组成。锚杆的一端与立柱连接,另一端被锚固在山坡深处的稳定岩层或土层中。

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◆ 定板式挡土墙:

是由钢筋混凝土墙面、钢拉杆、锚走板以及其间的填土共同形成的一种组合挡土结构。

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加筋土挡土墙:

是在土中加入拉筋,利用拉筋与土之间的摩擦作用,改善土体的变形条件和提高土体的工程特性,从而达到稳定土体的目的。由面板、拉筋组成,依靠填土、拉筋之间的摩擦力使填土与拉筋结合成一个整体。

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★ 各挡土墙的适用条件:

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3按照墙体的材料划分:

石砌挡土墙:

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混凝土挡土墙:

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钢筋混凝土挡土墙:

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钢板挡土墙:

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三、挡土墙的构造组成

1墙体构造

  1. 墙背

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仰斜墙背适用于路堑墙及墙趾处地面平坦的路肩墙或者是路堤墙,仰斜墙背的坡度不宜缓于1:0.3,通常在1:0.15~1:0.25。

俯斜墙背适用于路堤墙、路肩墙,常用1:0.15~1:0.25,不超过4m的低墙可以用垂直墙背。

凸形折线墙背多用于路堑墙,也可以用于路肩墙,上下墙的墙高比一般采用2:3

衡重式墙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,上墙俯斜墙背的坡度1:0.25~1:0.45,下墙仰斜墙背在1:0.25左右,上下墙的墙高比一般采用2:3。

  1. 墙面

墙面一般均为平面,起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,墙面的坡度一般为1:0.05~1:0.20,矮墙可采用陡直墙面;地面较平缓时,一般采用1:0.20~1:0.35较为经济。

  1. 墙顶

墙顶宽度最小,浆砌挡土墙不小于50cm,干砌不小于60cm。浆砌路肩墙墙顶一般宜采用粗石料或者混凝土做成顶帽,厚度为40cm,如不做顶帽,对路肩墙和路堑墙,墙顶应以大石块砌筑,并用砂浆勾缝,或用5号砂浆抹平顶面,砂浆厚2cm。干砌挡土墙墙顶50cm高度内,应用25号砂浆砌筑,以增加墙身稳定,干砌挡土墙的高度一般不宜大于6m。

  1. 栏杆

为保证交通安全,在地形险峻地段或者过高过长的路肩墙的墙顶应设置护栏,为保持土路肩最小宽度,护栏内侧边缘距路面边缘的距离,二、三级路面不小于0.75m,四级路不小于0.5m。护栏分墙式和柱式两种,所采用的材料,护拦高度、宽度,视实际需要而定。

2基础构造

1、基础类型

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大多数挡土墙都直接修筑在天然地基上。

当地基承重力不足且墙趾处地形比较平坦,而墙身又超过一定高度时,为了减小基底压应力和增加抗倾覆稳定性,常常采用扩大基础。当地基压应力超过地基承载力过多时,需要加宽值较大,为避免加宽部分的台阶过高,可采用钢筋混凝土底板。地基为软弱土层时,可采用砂砾、碎石、矿渣或者灰土等材料予以换填。当挡土墙修筑在陡坡上,而地基又为完整、稳固、对基础不产生侧压力的坚硬岸石时,可设置台阶基础,以减少基坑开挖和节省圬工。如地基有短段缺口或挖基困难可采用拱形基础。

  1. 基础埋置深度

◆ 对于土质地基,基础埋置深度应符合下列要求:

无冲刷时,应在天然地面以下至少1m;

有冲刷时,应在冲刷线以下至少1m;

受冻胀影响时,应在冻结线以下不少于0.25m,当冻深超过1m,采用1.25m,但地基应夯填一定厚度的砂石或者碎石垫层,垫层底面亦应位于冻结线以下不少于0.25m

碎石、砾石和砂类地基,不考虑冻胀影响,但地基埋深不宜小于1m。

对于基石地基应清除表面风化层,将基底嵌入岩层一定深度,当风化层较厚难以全部清除表面时,可依据地基的风化程度及容许承载力将基底埋入风化层中。

当挡土墙位于地质不良地段,地基土内可能出现滑动面时,应进行地基抗滑稳定性验算,将基础底面埋置在滑动面以下,或采用其他措施以防止挡土墙滑动。

基础应采用明挖基础,当基底位于大于5%的纵向斜坡上,基底应该设置成台阶形。

3排水设施

挡土墙的排水措施通常由地面排水和墙身排水连部分组成。

地面排水主要是防止地表水渗入墙后土体或者地基,地面排水有以下几种方法:

  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,以防边沟水渗入基础。

墙身排水:

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浆砌块石墙身应在墙前地面以上设一排泄水管;墙高时可在墙上部加设一排泄水孔,泄水孔尺寸可视泄水量大小分别采用5cm×10cm、10cm×10cm、15cm ×20cm的方孔,或直径5~10cm的圆孔。孔眼间距一般为2~3m;对于浸水挡土墙孔眼间距一般1.0~1.5m,干旱地区可适当加大,孔眼上下错开布置,下排水孔的出口应高出墙前地面或墙前水位0.3m。

为防止水分渗入地基,下排泄水孔进入的底部应铺设30cm后的粘土隔水层,泄水孔的进水口部分应设置粗粒料反滤层,以免孔道阻塞,当墙背填土透水性不良或可能发生冻胀事,应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m的范围内铺设厚度不小于0.3m的砂卵石。

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4沉降缝和伸缩缝

设计时,一般将沉降缝和伸缩缝合并设置,沿路线方向每隔10~15m设置一道,兼起两者的作用,缝宽2~3cm,缝内一般可用胶泥填塞,但在渗水量大、填料容易流失或冻害严重地区,则宜用沥青麻筋或涂以沥青的木板等具有弹性的材料,沿内、外、顶三方填塞,填深不宜小于0.15m,当墙后为岩石路堑或填石路堤时,可设置空缝。

干砌挡土墙缝的两侧应选用平整石料砌筑使成垂直通缝。

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四、挡土墙处理高差应用

地形的塑造过程中,势必会遇到高差问题。放坡、台阶、挡土墙都是常用消化场地高差的方式。实际处理过程中,需要综合充分考虑场地的地基条件、景观风格、高差大小以及与周边环境协同性等多种因素,进而选择合适高差处理方式。

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