重力式擋土墻設計

1、W QW QW QW Q-1-第第5 5章章 重力式擋土墻設計重力式擋土墻設計Gravity Retaining Wall DesignGravity Retaining Wall DesignW QW QW QW Q-2-n5.1 擋土墻的作用、分類與構造n5.2 擋土墻設計中的土壓力計算n5.3 重力式擋土墻檢算主要內容W QW QW QW Q-3-擋土墻概述n擋土墻是用來支撐陡坡以保持土體穩(wěn)定性的一種建筑物。n在土木工程中，擋土墻的應用是十分廣泛的。W QW QW QW Q-4-擋土墻概述W QW QW QW Q-5-擋土墻概述W QW QW QW Q-6-W QW QW QW Q-7-

2、擋土墻概述W QW QW QW Q-8-擋土墻概述W QW QW QW Q-9-擋土墻概述n正確求解作用在墻背上的土壓力是擋土墻設計的關鍵。W QW QW QW Q-10-5.15.1 擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造一、一、擋土墻的作用與分類擋土墻的作用與分類(1).按結構形式分類： a.重力式擋墻 b.衡重式擋土墻W QW QW QW Q-11-5.15.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造c.輕型擋土墻W QW QW QW Q-12-5.15.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造（2）.按擋土墻傾斜方向分類W QW QW QW Q-13-5.1

3、5.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造（3）.按擋土墻在路基橫斷面上的位置分類W QW QW QW Q-14-5.15.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造二、二、重力式擋土墻的構造重力式擋土墻的構造 擋土墻的構造必須滿足強度與穩(wěn)定性的要求，同時還應考慮就地取材、經濟合理、施工養(yǎng)護的方便與安全。1.墻身構造 墻體、 沉降縫(伸縮縫)與泄水孔W QW QW QW Q-15-5.15.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造2.排水措施n(1)設置地面排水溝，截引地表水；n(2)夯實回填土頂面和地表松土，防止雨水和地面水下滲，必要時可設鋪砌層;n(3)路塹擋

4、土墻趾前的邊溝應予以鋪砌加固，以防止邊溝水滲入基礎。n(4)設置一排或數(shù)排泄水孔。尺寸：方孔0.050.15m或0.100.20m；圓孔0.050.10m；孔間距23m；最下一排泄水孔應高出地面或常水位0.3m，便于排水。W QW QW QW Q-16-5.15.1擋土墻的作用、分類與構造擋土墻的作用、分類與構造n3 基礎埋置深度n保證擋墻基礎穩(wěn)固。 n基礎埋置深度不小于1m;并在凍結線以下0.25m;沖刷線以下不小于1m。n4 重力式擋土墻材料n片石砌體：如M7.5漿砌片石；M10漿砌片石; n(片石)混凝土：如C15、C20、C25 (片石)混凝土等W QW QW QW Q-17-5.25

5、.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算一、一、概述概述土壓力，是土體作用在支擋建筑物上的側壓力的簡稱。n土壓力計算是一個十分復雜的問題。涉及到填料、墻身以及地基三者之間的共同作用。n影響因素：墻身的幾何尺寸、墻背粗糙度、填土的物理力學性質、填土頂面形狀、外荷載、墻及地基的剛度、墻后填土施工方法等。n極限狀態(tài)W QW QW QW Q-18-土壓力位 移土壓力分類：E0：靜止土壓力 計算方法Ea：主動土壓力Ep：被動土壓力由于墻身位移不同的影響，土體的應力應變狀態(tài)不同，使土壓力的大小和方向產生變化。由右圖可見EaEoEp計算方法：（1）庫侖理論（2）朗金理論（3）有限元計算技術（4

6、）改進理論，優(yōu)化W QW QW QW Q-19-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算二、二、庫侖土壓力理論及其在鐵路擋土墻中的應用庫侖土壓力理論及其在鐵路擋土墻中的應用（一）、庫侖土壓力理論1、庫侖土壓力理論的基本假定（1） 擋土墻是剛性的，墻后填土為無粘性砂性土；（2） 當墻產生一定位移時，墻后的土體將形成一個滑動楔體，并沿墻背和土中的破裂面滑動，土中破裂面為一平面；（3） 將墻身和滑動楔體視作剛體。（4） 力的方向：Ea,；R,W QW QW QW Q-20-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算W QW QW QW Q-21-5.25.2

7、 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算2、庫侖主動土壓力公式由下圖，從力多邊形中，按正弦定律可得：土體內摩擦角墻背傾角墻背摩擦角破裂角式中 )sin()90sin( GEaW QW QW QW Q-22-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算nEa=f()n=90o-,R與W重合，Ea=0；n=,W=0，Ea=0；n90o-, Ea增加，達到最大值，然后減小至零。n求極值。n計算方法：n根據(jù)邊界條件推導解析公式：取駐值，回代；n搜索算法：求最大（小）值nEa分力：nEx=Eacos(-）nEy=Easin(-）W QW QW QW Q-23-5.25.2 擋

8、土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算（二）、庫侖土壓力公式在鐵路擋土墻中的應用1、當填土為水平，墻背垂直，墻背光滑，時于是可得，主動土壓力系數(shù)為：a=tan2(45o-/2)主動土壓力可示為：Ea=1/2*a*H2該表達式具有普遍性。應力分布圖形：)245(tan21sin1sin121)sin1 (cos21222222HHHEaW QW QW QW Q-24-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n2、填土水平情況可得，主動土壓力系數(shù)為：nn3、邊界條件復雜情況應力圖形：（1）應力圖形面積=土壓力大?。?）應力圖形形心=土壓力作用點（3）應力圖形方向=土壓

9、力作用方向)cos()cos()tan(tanaW QW QW QW Q-25-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算邊界條件復雜時的土壓力應力分布，可以的 為基礎，假定棱體中引出若干與破裂面相平行的直線與墻背相交，這樣可以很方便的繪制出土壓力應力圖形。)cos()cos()tan(tanaaW QW QW QW Q-26-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算三、三、第二破裂面法第二破裂面法第二破裂面形成條件 當（1）墻背不妨礙二破裂面的形成；（2）二破裂面與墻背之間的破裂棱體不沿墻背下滑而與墻背一起移動時，則墻背至第一破裂面之間存在一個第二破

10、裂面。如下圖所示：W QW QW QW Q-27-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n庫侖方法求解n力三角形（圖10-15）n二裂面上的摩擦角為，（)n破裂角i,i (）nEa=f(i,i) (Ea=f()）n求解方法：n解析法：n數(shù)值方法：兩重循環(huán)W QW QW QW Q-28-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n四、折線型墻背土壓力計算四、折線型墻背土壓力計算n凸形墻背擋土墻，衡重式擋土墻凸形墻背擋土墻，衡重式擋土墻n庫侖理論僅適用于直線墻背；于是應將上下墻土壓庫侖理論僅適用于直線墻背；于是應將上下墻土壓力分別計算，力分別計算，E總總

11、=E上上+E下，下，（矢量和）（矢量和）n上墻：不考慮下墻的存在，獨立計算，包括：一般上墻：不考慮下墻的存在，獨立計算，包括：一般庫侖理論公式和二裂面法等庫侖理論公式和二裂面法等n下墻：（下墻：（1）延長墻背法；（）延長墻背法；（2）力多邊形法）力多邊形法W QW QW QW Q-29-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算（一）、延長墻背法 延長墻背法是一種簡化的近似方法。計算簡單，應用廣泛。但是，理論根據(jù)不足，有一定的誤差。W QW QW QW Q-30-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算（二）、力多邊形法 它是根據(jù)極限平衡條件下破裂棱體

12、的實際力多邊形來推求下墻土壓力的。其不借助于假想墻背，更能真實的反映實際情況。W QW QW QW Q-31-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n庫侖方法求解n力三角形（圖10-18）n上墻破裂角,下墻破裂角n上墻摩擦角1,下墻摩擦角2n上墻傾角1 ,下墻傾角2nEa=f()n求解方法：n解析法：（10-22）n數(shù)值方法：循環(huán)W QW QW QW Q-32-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算五、粘性土土壓力計算五、粘性土土壓力計算1、綜合內摩擦角 庫侖理論和朗金理論中都假定填料為粗粒土，和實際情況有區(qū)別。所以目前設計常用綜合內摩擦角0代替

13、抗剪強度中的內摩擦角和粘聚力。 坡度1：1.5穩(wěn)定，換算傾角為33o41，故可選用0=3335o 缺點：低墻保守，高墻危險W QW QW QW Q-33-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n2、庫侖理論細粒土主動土壓力（1）特點nc, 裂縫hcn破裂面情況n土壓力在hc以下部分產生n不考慮hc以內的拉應力（2）裂縫深度n極限平衡狀態(tài)，3= 1tan2(45o-/2)-2ctan(45o-/2)n1=h,n當3=0時，h即為裂縫深度nhc=2c/*tan(45o+/2)W QW QW QW Q-34-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n（3

14、）庫侖方法求解n力三角形（圖10-19）n破裂角n墻背摩擦角n墻背傾角nEa=f()n求解方法：n解析法：（10-27）n數(shù)值方法：循環(huán)W QW QW QW Q-35-5.25.2 擋土墻設計中的土壓力計算擋土墻設計中的土壓力計算n土壓力問題小結：n若干角度（，）（力學含義）n基本力系n力多邊形n方程建立（正弦定理）n求解方法：編程計算W QW QW QW Q-36-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算n目的：強度，穩(wěn)定性n擋土墻設計步驟：n（1）擬定墻身斷面形式及尺寸；（工程師的創(chuàng)造性）n（2）檢算：穩(wěn)定性檢算（滑動，傾覆）；墻身截面強度檢算；基底應力及偏心距檢算等n（3）若不滿足

15、，或過于安全，應返回第一步，重新擬定尺寸。W QW QW QW Q-37-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算一、作用在擋土墻上的力系一、作用在擋土墻上的力系n主要力系：經常作用在墻上的；n附加力系：偶然發(fā)生的或發(fā)生概率很小的力（水，波浪，凍脹，溫度等）n特殊力系：暫時的或屬于災害性的，其發(fā)生概率是極小的力（地震力，施工臨時荷載，水流漂浮物的撞擊力等）n擋墻主要力系：n擋土墻自重n列車及軌道荷載n基底豎向反力n基底摩擦力及粘聚力n墻背土壓力（主動土壓力）n墻前土壓力（被動土壓力）：一般不予考慮;埋深較大時，可取1/3Ep.(墻前土體難以達到被動狀態(tài))n經常作用條件下的靜水壓力n此外還

16、有一些發(fā)生幾率很小的力，如季節(jié)性洪水位以下最不利計算水位的靜水壓力和浮力，波浪力，地震力等等，特殊設計時才考慮。W QW QW QW Q-38-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算二、擋土墻穩(wěn)定性檢算二、擋土墻穩(wěn)定性檢算(一)、滑動穩(wěn)定性檢算 n擋土墻的滑動穩(wěn)定性指在土壓力和其他外力作用下，基底摩阻力抵抗擋土墻滑動的能力，用滑動穩(wěn)定系數(shù)Kc表示。n力系分析nEx 滑動力（土壓力水平分力）nN=G+Ey+豎向反力（各力系豎向分力之和）nN f抗滑力（基底摩擦力） RW QW QW QW Q-39-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算n一般情況下：定義：nKc: 沿基底滑動穩(wěn)定

17、系數(shù)Kc不應小于1.3，考慮附加力系時，Kc不小于1.2.但設計墻高于1215m時，應注意適當加大Kc值，以保證擋土墻的抗滑穩(wěn)定性。n穩(wěn)定措施提高抗滑穩(wěn)定性措施：n傾斜基底n凸榫基礎xcEfNKxpcEEfNKW QW QW QW Q-40-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算n傾斜基底n原理：減小滑動力，增大抗滑力n土壓力計算n墻背增高h，土壓力變大nh計算nB= h/tan(0） h*tan(）nh=B*tan(0）/(1+tan(0）*tan(）)n力系分析n垂直滑面力，N= N*cos(0)+Ex*sin(0)n滑動力，T= Ex*cos(0) -N*sin(0)nKc:Tf

18、NKcTW QW QW QW Q-41-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算n設置方式n傾斜度，一般小于0.2：1：防止不沿基底，而沿墻踵水平位置產生新的滑動n浸水地區(qū)擋土墻nf0.5，不設置n0.5f0.6 ， 0.2：1W QW QW QW Q-42-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算（二）、傾覆穩(wěn)定性檢算n擋土墻的抗傾覆穩(wěn)定性指它受力后抵抗墻身繞墻趾向外轉動的能力，用抗傾覆穩(wěn)定系數(shù)表示，K0為穩(wěn)定力矩之和與傾覆力矩之比值，表達式為：矩之和各力系對墻趾的傾覆力矩之和各力系對墻趾的穩(wěn)定力式中000 MMMMKyyW QW QW QW Q-43-5.35.3 重力式擋土墻

19、檢算重力式擋土墻檢算n力系分析n有繞墻趾轉動趨勢時，力系發(fā)生變化n基底摩擦力，支撐力n力臂計算n求ZG,Zy,Zxn力矩計算xxppyGyZEMZEZEZGM0y W QW QW QW Q-44-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算nK0:一般情況下，傾覆穩(wěn)定性系數(shù)不應小于1.6，考慮附加力時不應小于1.4。當墻高大于1215m時，應適當加大K0值，以確保擋土墻的傾覆穩(wěn)定性。n穩(wěn)定措施設置臺階基礎n原理：增加穩(wěn)定力臂原理：增加穩(wěn)定力臂n設置方式設置方式n一級或多級，材料與墻身相同一級或多級，材料與墻身相同n臺階總寬度不宜過寬，臺階總寬度不宜過寬，b10%Hn每級臺階高寬比應符合剛性角

20、的要求每級臺階高寬比應符合剛性角的要求n混凝土，混凝土，45on石砌，石砌，35o剛性角W QW QW QW Q-45-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算三、擋土墻基底應力及偏三、擋土墻基底應力及偏心距檢算心距檢算n目的目的n 基底應力基底應力不允許超過地基容許承載力不允許超過地基容許承載力n為避免擋土墻不發(fā)生顯著不均勻沉降，為避免擋土墻不發(fā)生顯著不均勻沉降，使墻型合理，還應控制擋墻基底的使墻型合理，還應控制擋墻基底的合合力偏心距力偏心距。n力系分析力系分析n力的合成：力的合成：N, ZN, e Z 00N矩之和各力系對墻趾的傾覆力矩之和各力系對墻趾的穩(wěn)定力式中MMEGZEZEZGNMMyyxxyyGy分力對墻趾的力臂作用于基底合力的法向NZW QW QW QW Q-46-5.35.3 重力式擋土墻檢算重力式擋土墻檢算n計算n基底應力4/, 6/ 2 BeBeZBeeN巖石地基上不易風化的求在土質地基上，基底的合力偏心距，要為：基底合力偏心距B6e1B*, 6/, 1*21221NeNMBWBFWMFN于是，基底截面模量基底面積；W