[建筑土木]扶壁式挡土墙设计

[建筑土木]扶壁式挡土墙设计内容摘要：

量石料，减少开山采石，保护环境。 1. 3. 3 施工速度快，大大缩短建设 工期 由于钢筋混凝土扶壁式挡土墙主要工程就是钢筋混凝土浇注工作，不像加筋土挡土墙等需要挡土墙墙身和回填同时进行交叉进行，扶壁式挡土墙施工过程不受其它条件的限制，通过机械化施工能大大缩短工期。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 6 1. 3. 4 可靠度较高，质量容易控制 钢筋混凝土工程在我国的应用非常广泛和成熟，质量保证指标容易控制，属于相对简单的工种，一般的施工队伍都能保质保量的完成。 1. 4 挡土墙结构的研究现状及发展趋势 国内挡土墙结构的研究和实践近年来也比较活跃，特别是山区公路和铁路的大量修建再加上城市边坡等建设，使人们不得不关注于 挡土墙结构的设计问题。 目前的研究主要集中在以下几个方面 :挡土墙的设计方法。 土钉墙的应用实践。 预应力单锚多锚体系的分析与设计研究。 轻型挡土墙结构的应用研究等。 另外还有一些新型的挡土墙结构在工程中得到广泛的应用。 这些研究与实践得出很多理论和应用的成果。 伴随着基础设施建设的加快，在山区道路建设和山区城市建设中，不可避免的要支护边坡，做挡土墙结构使其稳定。 而且挡土墙结构的形式也越来越多。 目前，国内正流行砌石重力式挡土墙、现浇和预制混凝土挡土墙、加筋土挡土墙等。 加筋土挡土墙技术是最近几年提出的新技术。 加筋土挡土墙 是利用加筋土技术修建的一种支挡构筑物，加筋土是一种在土中加入拉筋带的复合土， 它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性能，从而达到稳定土体的目的。 国内目前对钢筋混凝土扶壁式挡土墙的研究和应用较少，特别高度较大的填方区建筑边坡工程中的应用较少。 在国家现行《建筑边坡工程技术规范》 GB50330 一 2020 中，出于经济和 实际情况 的局限，限定钢筋混凝土扶壁式挡土墙挡土高度不宜超过 10m。 在我们国家以前建设工程中，高度较大的挡土墙主要用在公路和铁路两侧，但挡土高度一般都在 10m 以下。 长沙有色 冶金设计院主编的国家建筑标准设计图集《挡土墙 04J008》中钢筋混凝土挡土墙的高度限定在 6m以内。 扶壁式挡土墙超过 10m时的工程应用和研究较少，特别是在软土地基中的应用。 1. 5 本文的主要工作 1. 剖析挡土墙的作用原理，了解挡土墙的应用现状、研究现状及发展趋势。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 7 2. 完成该扶壁式挡土墙的总体设计（主要尺寸的拟定）；该扶壁式挡土墙荷载及土压力的计算；内力计算；滑移稳定计算；倾覆稳定计算；地基承载力计算；结构计算等。 3. 完成图纸绘制，包括立面图和大样图详图。 4. 完成该扶壁式挡土墙的施工组织设计。 5. 进一步根据地质条件和现场要求进行优化设计。 达到安全适用的目的，寻求最佳经济效益。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 8 第 2 章 土压力 理论 2. 1 土体的破坏原理 土是由矿物颗粒所组成的，并由孔隙中的水和胶结物质连结在一起。 土颗粒之间的连结强度远远小于颗粒本身的强度，因此土在力的作用下，土颗粒与土颗粒之间将会产生错动，引起一部分土体相对于另一部分土体的滑动。 土体的滑动是由于滑动面上的剪应力超过土的抗剪强度产生剪切破坏所造成的，这就是土的破坏特征，也是土的强度特征。 这也就是说土的破坏是剪切破坏，土的强度是指土抗剪切破坏的强度。 所 以土的抗剪强度是指土在抵抗剪切破坏时所能承受的极限剪应力。 在土中一点处，若某方向平面上所产生的剪应力  等于土的抗剪强度，则该点就处于破坏的临界状态。 若该平面上的剪应力  大于土的抗剪强度则该点就沿这一平面破裂，而处于破坏状态。 若该平面上的剪应力  小于土的抗剪强度，此时该点不可能沿这一平面产生剪切破坏，而处于稳定状态。 随着作用力的增大，土中剪切破坏的点也随之增多 ，这些破坏点组成一个剪切破坏区，也称为塑性变形区。 当土中剪切破坏区的范围扩大，而破坏区边界面上形成连续的滑动面时，土体就丧失整体稳定性，即破坏区将沿滑动面产生整体滑动。 2. 2 作用在挡土墙的土压力 作用在挡土墙的 土压力是指挡土墙后的填土因自重或外荷载作用对墙背产生的侧向压力。 挡土墙是防止土体坍塌的构筑物，在房屋建筑、水利工程、铁路工程以及 道路 桥梁中得到广泛应用。 由于土压力是挡土墙的主要外荷载 ， 设计挡土墙时首先要确定土压力的性质、大小、方向和作用点。 土压力的计算是个比较复杂的问题。 它随挡土墙可能位移的 方向分为主动土压力、被动土压力和静止土压力。 1. 静止土压力：当挡土墙静止不动，土体处于弹性平衡状态时，土对洛阳理工学院毕业设计（论文） 9 墙的压力称为静止土压力 ，一般用 E0 表示。 2. 主动土压力：当挡土墙向离开土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在墙上的土压力称为主动土压力，一般用 Ea 表示。 3. 被动土压力：当挡土墙向土体方向偏移至土体达到极限平衡状态时，作用在挡土墙上的土压力称为被动土压力，用 Ep 表示。 在这三类土压力中，主动土压力最小，静止土压力居中，被动土压力最大。 作用在挡土墙上的土压力，其大小和分布与许多因素有关 ，例如 : 1. 挡土墙的形式和墙体的刚度。 2. 挡土墙表面的倾斜度及其粗糙程度。 3. 挡土墙的变形和位移。 4. 填土的性质 (如土的均匀性，土的物理力学性质等 )。 5. 填土表面荷载的情况。 6. 地下水的情况。 挡土墙形式不同，作用在其上的土压力的大小和分布也不相同。 库仑土压力理论和朗肯土压力理论主要适用于刚性挡土墙。 柔性挡土墙由于受到墙体本身变形的影响，土压力及其分布与刚性挡土墙有很大区别。 2. 3 朗肯土压力理论 1857 年英国学者朗肯（ Rankine）从研究弹性半空间体内的应力状态，根据土的极 限平衡理论，得出计算土压力的方法，又称极限应力法。 依据： 朗肯土压力理论是根据半空间体的应力状态和土的极限平衡理论得出的土压力计算理论之一。 基本假设： 1. 墙本身是刚性的，不考虑墙身的变形； 2. 墙后填土延伸到无限远处，填土表面水平（β =0）； 3. 墙背垂直光滑（墙与垂向夹角ε =0，墙与土的摩擦角δ =0）。 （ 1） 考察挡土墙后土体表面下深度 z 处的微小单元体的应力状态变化过程：当用挡土墙代替半空间的土体，且不发生位移时，作用在微分土体上的应力为自重应力，此时，挡土墙土压力即为静止土压力，大小等于洛阳理工学院毕业设计（论文） 10 水平 向自重应力 ζh。 （ 2） 当挡土墙在土压力的作用下向远离土体的方向位移时，作用在微分土体上的竖向应力 ζv 保持不变，而水平向应力 ζh 逐渐减小，直至达到土体处于极限平衡状态，此时水平向应力 ζ3 即为主动土压力强度 pa。 （ 3） 当挡土墙在土压力的作用下向着土体方向位移时，作用在微分土体上的竖向应力 ζv 保持不变，而水平向应力 ζh 逐渐增大，由小主应力变为大主应力，直至达到土体处于极限平衡状态，此时水平向应力 ζ1 即为被动土压力强度 PP。 图 21 半空间体的极限平衡状态 （ a）半空间体内一点受力；（ b）主动朗肯 状态； （ c）被动朗肯状态；（ d）莫尔应力圆与朗肯状态的关系 把土体当作半无限空间的弹性体，而墙背可假想为半无限土体内部的铅直平面，根据土体处于极限平衡状态的条件，求出挡土墙上的土压力。 土体中产生的两组破裂面与水平面的夹角为 45 2。 洛阳理工学院毕业设计（论文） 11 2. 3. 1 朗肯主动土压力的计算 根据土的极限平衡条件方程式 213 ( 4 5 ) 2 ( 4 5 )22tg c tg    （ 21） 231 ( 45 ) 2 ( 45 )22tg c    （ 22） 土体处于主动极限平衡状态时， σ 1=σ z=γ z， σ 3=σ x=Pa 填土为粘性土时 g 填土为粘性土时的朗肯主动土压力计算公式为 2 ( 4 5 ) 2 ( 4 5 )222aaaP z tg Cz K c K    （ 23） 由公式 (63)，可知，主动土压力 Pa 沿深度 Z 呈直线分布，如图所示。 P aHZ03H2c √ K a γ HK aHZ03 HZ( 一) 图 22 粘性土主动土压力分布 当 z=H 时 ： 2a a aP H K c K （ 24） 在图中，压力为零的深度 z0，可由 pa=0 的条件代入式 (24)求得 ： 0 2 acz K （ 25） 在 Z0 深度范围内 Pa 为负值，但土与墙之间不可能产生拉应力，说明在 Z0 深度范围内，填土对挡土墙不产生土压力。 墙背所受总主动土压力为 Pa，其值为土压力分布图 22 中的阴影部分面积，即： 洛阳理工学院毕业设计（论文） 12 0221 ( 2 ) ( )21222a a aaaP HK c K H zcH K c H K      (26) 填土为无粘性土 (砂土 )时 根据极限平衡条件关系方程式，主动土压力为 2 ( 45 )2aap ztg zK    (27) 上式说明主动土压力 Pa 沿墙高呈直线分布，即土压力为三角形分布，如图 22 所示。 墙背上所受的总主动土压力为三角形的面积，即： 212aaP H K （ 28） Pa 的作用方向应垂直墙背，作用 点在距墙底 H/3 处。 2. 3. 2 朗肯被动土压力计算 从朗肯土压力理论的基本原理可知，当土体处于被动极限平衡状态时，根据土的极限平衡条件式可得被动土压力强度 σ 1=PP，σ 3=σ z=rz，填土为粘性土时 ： 2 ( 45 ) 2 ( 45 ) 222p p pp ztg c tg zK c K         （ 29） 填土为无粘性土时 : 2 ( 4 5 )2ppp ztg zK    (210) 式中： Pp—— 沿墙高分布的土压力强度， kPa； KP—— 被 动土压力系数 ； )245(2  tgKp 填土为粘性土时的总被动土压力为 ： 21 22p p pP H K c H K (211) 填土为无粘土时的总被动土压力为 洛阳理工学院毕业设计（论文） 13 212ppP H K (212) 2. 4 库伦土压力理论 1776 年法国的库伦（ C. A. Coulomb）根据极限平衡的概念，并假定 滑动面为平面，分析了滑动楔体的力系平衡，从而求算出挡土墙上的土压力，成为著名的库伦土压力理论。 依据： 库伦土压力理论是根据墙后土体处于极限平衡状态并形成一滑动楔体时，从楔体的静力平衡条件得出的土压力计算理论。 基本假设 ： 1. 墙后填土为均匀的无粘性土（ c=0），填土表面倾斜（ β＞ 0）； 2. 挡土墙是刚性的，墙背倾斜，倾角为 ε； 3. 墙面粗糙，墙背与土本之间存在摩擦力（ δ＞ 0）； 4. 滑动破裂面为通过墙踵的平面。 2. 4. 1 库伦主动土压力计算 图 23 库伦主动土压力计算图式 如图 23 所示，墙背与垂直线的夹角为  ，填土表面倾角为  ，墙高为 H ，填土与墙背之间的摩擦角为  ，土的内摩擦角为  ，土的凝聚力 0c ，假定滑动面 BC 通过墙踵。 滑裂面与水平面的夹角为  ，取滑动土楔 ABC作为隔离体进行受力分析 (图 23)。 当滑动土楔 ABC 向下滑动，处于极限平衡状态时，土楔上作用有以下三个力 : 洛阳理工学院毕业设计（论文） 14 1. 土楔 ABC 自重砰，当滑裂面的倾角  确定后，由几何关系可计算土楔自重； 2. 破裂滑动面 BC 上的反力 R，该力是由于楔体滑动时产生的土与土之间摩擦力在 BC 面上的合力，作用方向与 BC 面的法线的夹角等于土的内摩擦角 。 楔体下滑时， R 的位置在法线的下侧。 3. 墙背 AB 对土楔体的反 力 P，与该力大小相等、方向相反的楔体作用在墙背上的压力，就是主动土压力。 力 P 的作用方向与墙面 AB 的法线的夹角  就是土与墙之间的摩擦角，称为外摩擦角。 楔体下滑时，该力的位置在法线的。