重力式擋土墻設(shè)計(jì)

1、W QW QW QW Q-1-第第5 5章章 重力式擋土墻設(shè)計(jì)重力式擋土墻設(shè)計(jì)Gravity Retaining Wall DesignGravity Retaining Wall DesignW QW QW QW Q-2-n5.1 擋土墻的作用、分類與構(gòu)造n5.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算n5.3 重力式擋土墻檢算主要內(nèi)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(yīng)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(shè)計(jì)的關(guān)鍵。W QW QW QW Q-10-5.15.1 擋土墻的作用、分類與構(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)造一、一、擋土墻的作用與分類擋土墻的作用與分類(1).按結(jié)構(gòu)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)造二、二、重力式擋土墻的構(gòu)造重力式擋土墻的構(gòu)造 擋土墻的構(gòu)造必須滿足強(qiáng)度與穩(wěn)定性的要求，同時(shí)還應(yīng)考慮就地取材、經(jīng)濟(jì)合理、施工養(yǎng)護(hù)的方便與安全。1.墻身構(gòu)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)造2.排水措施n(1)設(shè)置地面排水溝，截引地表水；n(2)夯實(shí)回填土頂面和地表松土，防止雨水和地面水下滲，必要時(shí)可設(shè)鋪砌層;n(3)路塹擋

4、土墻趾前的邊溝應(yīng)予以鋪砌加固，以防止邊溝水滲入基礎(chǔ)。n(4)設(shè)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(yīng)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(gòu)造擋土墻的作用、分類與構(gòu)造n3 基礎(chǔ)埋置深度n保證擋墻基礎(chǔ)穩(wěn)固。 n基礎(chǔ)埋置深度不小于1m;并在凍結(jié)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算一、一、概述概述土壓力，是土體作用在支擋建筑物上的側(cè)壓力的簡(jiǎn)稱。n土壓力計(jì)算是一個(gè)十分復(fù)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(xué)性質(zhì)、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(jì)算方法Ea：主動(dòng)土壓力Ep：被動(dòng)土壓力由于墻身位移不同的影響，土體的應(yīng)力應(yīng)變狀態(tài)不同，使土壓力的大小和方向產(chǎn)生變化。由右圖可見EaEoEp計(jì)算方法：（1）庫侖理論（2）朗金理論（3）有限元計(jì)算技術(shù)（4

6、）改進(jìn)理論，優(yōu)化W QW QW QW Q-19-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算二、二、庫侖土壓力理論及其在鐵路擋土墻中的應(yīng)用庫侖土壓力理論及其在鐵路擋土墻中的應(yīng)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(dāng)墻產(chǎn)生一定位移時(shí)，墻后的土體將形成一個(gè)滑動(dòng)楔體，并沿墻背和土中的破裂面滑動(dòng)，土中破裂面為一平面；（3） 將墻身和滑動(dòng)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算W QW QW QW Q-21-5.25.2

7、 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算2、庫侖主動(dòng)土壓力公式由下圖，從力多邊形中，按正弦定律可得：土體內(nèi)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算nEa=f()n=90o-,R與W重合，Ea=0；n=,W=0，Ea=0；n90o-, Ea增加，達(dá)到最大值，然后減小至零。n求極值。n計(jì)算方法：n根據(jù)邊界條件推導(dǎo)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算（二）、庫侖土壓力公式在鐵路擋土墻中的應(yīng)用1、當(dāng)填土為水平，墻背垂直，墻背光滑，時(shí)于是可得，主動(dòng)土壓力系數(shù)為：a=tan2(45o-/2)主動(dòng)土壓力可示為：Ea=1/2*a*H2該表達(dá)式具有普遍性。應(yīng)力分布圖形：)245(tan21sin1sin121)sin1 (cos21222222HHHEaW QW QW QW Q-24-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算n2、填土水平情況可得，主動(dòng)土壓力系數(shù)為：nn3、邊界條件復(fù)雜情況應(yīng)力圖形：（1）應(yīng)力圖形面積=土壓力大小（2）應(yīng)力圖形形心=土壓力作用點(diǎn)（3）應(yīng)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算邊界條件復(fù)雜時(shí)的土壓力應(yīng)力分布，可以的 為基礎(chǔ)，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(yīng)力圖形。)cos()cos()tan(tanaaW QW QW QW Q-26-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)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(dāng)（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(dòng)時(shí)，則墻背至第一破裂面之間存在一個(gè)第二破

10、裂面。如下圖所示：W QW QW QW Q-27-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算n四、折線型墻背土壓力計(jì)算四、折線型墻背土壓力計(jì)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(yīng)將上下墻土壓庫侖理論僅適用于直線墻背；于是應(yīng)將上下墻土壓力分別計(jì)算，力分別計(jì)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(dú)立計(jì)算，包括：一般上墻：不考慮下墻的存在，獨(dú)立計(jì)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算（一）、延長墻背法 延長墻背法是一種簡(jiǎn)化的近似方法。計(jì)算簡(jiǎn)單，應(yīng)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)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(shí)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(shí)的反映實(shí)際情況。W QW QW QW Q-31-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算五、粘性土土壓力計(jì)算五、粘性土土壓力計(jì)算1、綜合內(nèi)摩擦角 庫侖理論和朗金理論中都假定填料為粗粒土，和實(shí)際情況有區(qū)別。所以目前設(shè)計(jì)常用綜合內(nèi)摩擦角0代替

13、抗剪強(qiáng)度中的內(nèi)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(diǎn)：低墻保守，高墻危險(xiǎn)W QW QW QW Q-33-5.25.2 擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算n2、庫侖理論細(xì)粒土主動(dòng)土壓力（1）特點(diǎn)nc, 裂縫hcn破裂面情況n土壓力在hc以下部分產(chǎn)生n不考慮hc以內(nèi)的拉應(yīng)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(dāng)3=0時(shí)，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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)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(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算擋土墻設(shè)計(jì)中的土壓力計(jì)算n土壓力問題小結(jié)：n若干角度（，）（力學(xué)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(jì)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(qiáng)度，穩(wěn)定性n擋土墻設(shè)計(jì)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(dòng)，傾覆）；墻身截面強(qiáng)度檢算；基底應(yīng)力及偏心距檢算等n（3）若不滿足

15、，或過于安全，應(yīng)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(jīng)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(shí)的或?qū)儆跒?zāi)害性的，其發(fā)生概率是極小的力（地震力，施工臨時(shí)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(dòng)土壓力）n墻前土壓力（被動(dòng)土壓力）：一般不予考慮;埋深較大時(shí)，可取1/3Ep.(墻前土體難以達(dá)到被動(dòng)狀態(tài))n經(jīng)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(jì)算水位的靜水壓力和浮力，波浪力，地震力等等，特殊設(shè)計(jì)時(shí)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(dòng)穩(wěn)定性檢算 n擋土墻的滑動(dòng)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(dòng)的能力，用滑動(dòng)穩(wěn)定系數(shù)Kc表示。n力系分析nEx 滑動(dòng)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(dòng)穩(wěn)定

17、系數(shù)Kc不應(yīng)小于1.3，考慮附加力系時(shí)，Kc不小于1.2.但設(shè)計(jì)墻高于1215m時(shí)，應(yīng)注意適當(dāng)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(chǔ)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(dòng)力，增大抗滑力n土壓力計(jì)算n墻背增高h(yuǎn)，土壓力變大nh計(jì)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(dòng)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(shè)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(chǎn)生新的滑動(dòng)n浸水地區(qū)擋土墻nf0.5，不設(shè)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(zhuǎn)動(dòng)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(dá)式為：矩之和各力系對(duì)墻趾的傾覆力矩之和各力系對(duì)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(zhuǎn)動(dòng)趨勢(shì)時(shí)，力系發(fā)生變化n基底摩擦力，支撐力n力臂計(jì)算n求ZG,Zy,Zxn力矩計(jì)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(yīng)小于1.6，考慮附加力時(shí)不應(yīng)小于1.4。當(dāng)墻高大于1215m時(shí)，應(yīng)適當(dāng)加大K0值，以確保擋土墻的傾覆穩(wěn)定性。n穩(wěn)定措施設(shè)置臺(tái)階基礎(chǔ)n原理：增加穩(wěn)定力臂原理：增加穩(wěn)定力臂n設(shè)置方式設(shè)置方式n一級(jí)或多級(jí)，材料與墻身相同一級(jí)或多級(jí)，材料與墻身相同n臺(tái)階總寬度不宜過寬，臺(tái)階總寬度不宜過寬，b10%Hn每級(jí)臺(tái)階高寬比應(yīng)符合剛性角

20、的要求每級(jí)臺(tái)階高寬比應(yīng)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(yīng)力及偏三、擋土墻基底應(yīng)力及偏心距檢算心距檢算n目的目的n 基底應(yīng)力基底應(yīng)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(yīng)控制擋墻基底的使墻型合理，還應(yīng)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(duì)墻趾的傾覆力矩之和各力系對(duì)墻趾的穩(wěn)定力式中MMEGZEZEZGNMMyyxxyyGy分力對(duì)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(jì)算n基底應(yīng)力4/, 6/ 2 BeBeZBeeN巖石地基上不易風(fēng)化的求在土質(zhì)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