挡土墙设计软件教程(含计算简图).pdf

第一章 功能概述 挡土墙是岩土工程中经常遇到的土工构筑物之一。为了满足工程技术人员的需要，理正开发了本挡土 墙软件。该软件一完成，就受到岩土工程技术人员的欢迎。在软件升级过程中，我们也在不断地完善挡土 墙软件。下面介绍挡土墙软件的主要功能： 包括13种类型挡土墙重力式、衡重式、加筋土式、半重力式、悬臂式、扶壁式、桩板式、锚杆 式、锚定板式、垂直预应力锚杆式、装配式悬臂、装配式扶壁、卸荷板式； 参照公路、铁路、水利、市政、工民建等行业的规范及标准，适应各个行业的要求；可进行公路、 铁路、水利、水运、矿山、市政、工民建等行业挡土墙的设计。 适用的地区有：一般地区、浸水地区、抗震地区、抗震浸水地区； 挡土墙基础的形式有：天然地基、钢筋砼底板、台阶式、换填土式、锚桩式； 挡土墙计算中关键点之一是土压力的计算。本软件依据库仑土压力理论，采用优化的数值扫描法， 对不同的边界条件，均可快速、确定地计算其土体破坏楔形体的第一、第二破裂面角度。避免公式方法对 边界条件有限值的弊病。尤其是衡重式挡土墙下墙土压力的计算，过去有延长墙背法、修正延长墙背法及 等效荷载法等，在理论上均有不合理的一面。本软件综合考虑分析上、下墙的土压力，接力运行，得到合 理的上、下墙的土压力。保证后续计算结果的合理性； 除土压力外，还可考虑地震作用、外加荷载、水等对挡土墙设计、验算的影响； 计算内容完善土压力、挡土墙的抗滑移、抗倾覆、地基强度验算及墙身强度的验算等一起呵 成。且可以生成图文并茂的计算书，大量节省设计人员的劳动强度。 页码，1/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第二章 快速操作指南 2.1 操作流程 图2.1- 1 操作流程 2.2 快速操作指南 2.2.1 选择工作路径 图2.2- 1 指定工作路径 注意：注意：此处指定的工作路径是所有岩土模块的工作路径。进入某一计算模块后，还可以通过按钮【选 工程】重新指定此模块的工作路径。 2.2.2 选择行业及挡墙形式 1适用于公路、铁路、水利及其它行业。 2挡土墙的计算项目有十三种供选择：重力式、衡重式、加筋土式、半重力式、悬臂式、扶壁式、桩 板式、锚杆式、锚定板式、垂直预应力锚杆式、装配式悬臂、装配式扶壁及卸荷板式挡土墙。 页码，2/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图2.2- 2 选择计算项目 2.2.3 增加计算项目 点击【工程操作】菜单中的“增加项目”菜单或“增”按钮来新增一个计算项目。 图2.2- 3 工程操作界面 2.2.4 编辑原始数据 当计算项目为重力式挡土墙时，须录入或选择如下参数：墙身尺寸、坡线土柱、物理参数、基础、整 体稳定性等数据，交互窗口如图2.2- 4。 页码，3/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图2.2- 4 挡土墙数据交互对话框 注意：注意： 1. 集中的参数交互界面，即把几乎所有的参数置于一个界面上，操作简单，大大提高了人机交互的效 率，这是理正岩土系列软件的一个共性特征。 2. 同时提供了有关参数的即时弹跳说明信息，方便用户理解参数的意义。 2.2.5 当前挡墙计算 在数据交互对话框中设置好各项参数，点击【计算】按钮来进行当前题目的计算；或者单击【辅助功 能】菜单的“计算”。 2.2.6 计算结果查询 计算结果查询界面分为左右两个窗口，左侧窗口用于查询图形结果，右侧窗口用于查询文字结果。 图2.2- 5 计算结果查询窗口 页码，4/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第三章 使用说明 3.1 关于计算例题的编辑 3.1.1 增加例题与删除当前例题 1通过【工程操作】菜单的“增加项目”和“删除当前项目”来增加一个新的例题或删除当前的例 题。 2“增”或“删”按钮增加一个新的例题或删除当前的例题。点击“算”按钮打开当前模块的交互界 面。 3.1.2 数据的读写 通过【辅助功能】菜单的“读入数据文件”可以将原来保存好的数据读进来进行计算；通过【辅助功 能】菜单的“数据存盘到文件”可以将当前例题的数据保存在磁盘上。 3.1.3 把典型例题加入例题模板库 实际工程中会有一些具有一般代表性的典型例题，当完成该例题的数据交互后，可通过【辅助功能】 菜单中的“将此例题加入模板库”把该例题存为例题模板，从而在每次新增例题时可以重复调用该例题的 数据，在此基础上修改少量的数据进行计算。 3.2 计算简图辅助操作菜单 在数据交互界面的左侧图形窗口单击鼠标右键，弹出图形显示快捷菜单，使用该菜单可有效的查看计 算简图，可把计算简图存为dxf格式的文件，用autocad等图形编辑器进行编辑。 页码，5/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 3.3 快速查询图形结果 3.3.1 选择输出图形结果 1当计算项目为重力式、衡重式、半重力式、悬臂式、扶壁式、卸荷板式、垂直预应力锚杆式抗滑挡 土墙时，图形查询输出如下结果： 1）计算简图 2）土压力 土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线； 土压力ea沿抗滑挡墙高度分布图； 破裂面与土压力简图； 力多边形简图。 2当计算项目为加筋土式时，图形查询输出如下结果： 1）计算简图 2）土压力 土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线； 土压力ea沿抗滑挡墙高度分布图； 破裂面与土压力简图； 力多边形简图。 3）整体稳定结果图 3当计算项目为桩板式时，图形查询窗口输出计算简图。 1）计算简图 2）土压力 土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线； 土压力ea沿抗滑挡墙高度分布图； 破裂面与土压力简图； 力多边形简图。 3）内力简图：包括位移、弯矩、剪力、土反力等曲线。 页码，6/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 4当计算项目为锚定板式、锚杆式时，图形查询窗口输出计算简图。 1）计算简图 2）土压力 土压力（合力及两个方向分力）与破裂角关系曲线； 土压力ea沿抗滑挡墙高度分布图； 破裂面与土压力简图； 力多边形简图。 3）立柱计算简图：包括荷载、截面尺寸、弯矩、剪力、配筋等图形。 图3.3- 1 衡重式挡土墙计算结果简图 图3.3- 2 加筋土式挡土墙计算结果简图 页码，7/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图3.3- 3 桩板式挡土墙计算结果简图 图3.3- 4 锚杆式挡土墙计算结果简图 3.3.2 通过辅助功能菜单查看图形结果 单击【辅助功能】菜单中的“查看计算图形结果”项，可查看当前例题的图形结果。 页码，8/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图3.3- 5 查询计算结果简图 3.3.3 图形查询辅助工具 1图形查询工具栏图形查询工具栏 2图形查询快捷菜单图形查询快捷菜单 在图形结果查询窗口单击鼠标右键，弹出图形查询快捷菜单，可以方便地查看图形。 3【图形查询】菜单【图形查询】菜单 3.4 计算书的编辑修改 1当计算目标重力式、衡重式、半重力式、卸荷板式、垂直预应力锚杆式抗滑挡土墙时，计算书窗口 页码，9/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 输出如下结果： （1）土压力计算结果； （2）滑动稳定性验算结果； （3）倾覆稳定性验算结果； （4）地基应力及偏心距验算结果； （5）设置凸榫时，凸榫强度验算、宽度设计； （6）墙身截面强度验算（不同截面）包括偏心距、压应力、拉应力及剪应力； （7）基础强度验算包括悬挑部分主拉应力及剪应力。 注意：注意：公路挡墙增加以下结果的输出： 1）滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果； 2）墙截面验算采用极限状态法时强度、稳定验算结果。 2当计算目标为加筋土式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果： （1）土压力计算结果； （2）滑动稳定性验算结果； （3）倾覆稳定性验算结果； （4）地基应力及偏心距验算结果； （5）内部稳定性验算； （6）外部稳定性验算； 注意：注意：公路挡墙外部稳定验算增加滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果。 3当计算目标为桩板式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果： （1）土压力计算结果 （2）桩的内力（包括弯矩、剪力、土反力）、位移及配筋计算； （3）挡土板的内力配筋 4当计算目标为悬臂式、扶壁式抗滑挡土墙时，计算书窗口输出如下结果： （1）土压力计算结果 （2）滑动稳定性验算结果； （3）倾覆稳定性验算结果； （4）地基应力及偏心距验算结果； （5）墙身截面强度验算包括墙面板、墙趾板、墙踵板及肋板（扶壁式）； （6）裂缝宽度验算 注意：注意：公路挡墙增加滑动稳定方程验算、倾覆稳定方程验算结果。 5当计算目标为锚杆式、锚定板式挡土墙时，计算书窗口输出如下结果： （1）土压力计算结果 （2）挡土板、肋柱及锚杆内力结果； （3）挡土板、肋柱配筋结果； （4）锚杆式：锚杆设计（包括锚杆截面面积及长度计算）； 锚定板式：锚定板内力及配筋计算。 6当计算目标为装配式悬臂式、装配式扶壁式抗滑挡土墙时，计算书窗口输出如下结果： （1）土压力计算结果 （2）滑动稳定性验算结果； （3）倾覆稳定性验算结果； （4）地基应力及偏心距验算结果； （5）墙身截面强度验算包括墙面板、墙趾板、墙踵板及肋板（扶壁式）； （6）裂缝宽度验算 页码，10/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 注意：注意： 1）四种标准的计算书中均输出了各组合最不利结果； 2）桩板式挡墙、锚杆式挡墙和锚定板式挡墙不做最不利结果输出； 3）公路挡墙的计算输出为采用极限状态法的计算结果。 3.5 说明 3.5.1 参数编辑 1加筋土式挡墙须交互自身的计算参数。 2重力式挡土墙、衡重式挡土墙、卸荷板式挡土墙须交互基础类型及相应参数，基础的类型有：天然 基础、钢筋混凝土底版、台阶式基础、换填土式、锚桩式基础。 3.5.2 计算 1本系统对铁路、公路、水利及其它专业的挡墙验算分别采用不同的规范和规定，详细区别在各专业 挡土墙编制原理中说明。 2重力式挡土墙、衡重式挡土墙、加筋土式挡墙在挡土墙、垂直预应力锚杆式挡土墙计算时，其计算 目标既可以是验算，也可以是设计。其它类型的挡土墙仅做验算。 3重力式挡土墙、衡重式挡土墙、半重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、卸荷板式挡土墙 的基底可设置防滑凸榫。 4系统未考虑由于墙高的增加而提高安全系数这一因数，用户在设计计算时，要注意到这一点，保证 挡土墙设计的可靠性和安全性。 5用户须根据有关规范自行考虑挡土墙有关构件的构造要求。 3.5.3 关于自动设计的说明 1重力式挡土墙自动设计重力式挡土墙自动设计 页码，11/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 对于重力式挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计： （1）墙顶宽。 （2）扩展台阶宽高。 （3）钢筋混凝土底板的悬挑长度和厚度。 （4）台阶式基础的高度，阶数，各阶的宽高。 系统的设计过程为：假定墙顶宽最小为0.5米，然后采用变步长的搜索办法增加墙宽，直到找到满足计 算条件的最小墙宽为止。当抗倾覆稳定验算满足，地基承载力不满足时，系统优先采用扩展台阶的方案。 注意：注意： 1. 有时自动设计会失败，这是因为某些给定的条件不合理造成的； 2. 有时自动设计成功后，某些安全系数仍不满足。这是因为本系统自动设计时考虑了多种工况，系统 自动设计对各种工况只进行一次，当满足最后一个工况的安全系数时，前面的各个工况有时会出现不满足 的情况。在这种情况下，用户可参照系统设计结果手工调整。 2衡重式挡土墙自动设计衡重式挡土墙自动设计 对于衡重式挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计： （1）上墙背坡坡度； （2）衡重台宽； （3）扩展台阶宽高； （4）钢筋混凝土底板的悬挑长度和厚度； （5）台阶式基础的高度，阶数，各阶的宽高。 系统的设计过程为：假定衡重台宽最小为0.0米，然后采用变步长的搜索办法增加台宽，直到找到满足 计算条件的最小台宽为止。或者假定上墙背坡坡度最小为0.0，然后采用变步长的搜索办法增加坡度，直到 找到满足计算条件的最小坡度为止。当抗倾覆稳定验算满足，地基承载力不满足时，系统优先采用扩展台 阶的方案。 注意：注意： 1. 有时自动设计会失败，这是因为某些给定的条件不合理造成的； 2. 当采用设计衡重台宽的自动设计方案时，上墙截面强度不会因衡重台宽度增加而增大，因此在这种 情况下，系统将不验算上墙截面宽度； 3. 有时自动设计成功后，某些安全系数仍不满足。具体原因同重力式。 3加筋土挡土墙自动设计加筋土挡土墙自动设计 对于加筋土挡墙，在其它参数确定的情况下，系统可自动设计各层筋带的宽度。系统根据抗拉设计承 载力给出筋带最小宽度，并验算抗拔安全系数。 3.6 数据和结果文件 数据和结果文件位于用户设定好的工作目录下。重力式挡土墙、衡重式挡土墙、加筋土式挡土墙、半 重力式挡土墙、悬臂式挡土墙、扶壁式挡土墙、桩板式挡土墙、锚杆式挡土墙、锚定板式挡土墙、垂直预 应力锚杆式挡土墙、装配式悬臂挡墙、装配式扶壁挡墙及卸荷板式挡土墙的数据文件格式分别为*.zl、 *.hz、*.jjt、*.bzl 、*.xb、*.fb、*.zb、*.mg、*.mdb、*.yyl、*.zpxb、*.zpfb和*.xhb，图形文件格式*.dxf， 计算书格式为*.rtf。 页码，12/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第四章 编制依据 混凝土结构设计规范gb 500102002； 公路路基设计规范 jtj 06498； 公路路基设计规范 jtgd302004； 公路加筋土工程设计及施工规范 jtj 01591； 公路设计手册路基 交通部第二公路勘察设计院，1997.6； 公路工程技术标准 jtg b012003； 公路工程抗震设计规范 jtj 00489； 公路工程结构可靠度设计统一标准gb/t 502831999； 铁路路基设计规范 tbj 196； 铁路路基支挡结构设计规范tb 100252001； 铁路工程抗震设计规范 gbj 11187； 铁路工程设计技术手册路基铁道部第一勘测设计院，1995.3； 城市桥梁设计荷载标准cjj 7798； 水运工程抗震设计规范 jtj 22598； 建筑抗震设计规范 gb 500112001； 新型支挡结构设计与工程实例； 公路钢筋混凝土及预应力混凝土桥涵设计规范（jtj 023）； 城市桥梁设计准则（cjj11- 93）； 城市桥梁设计荷载标准（cjj77- 98）； 公路桥涵设计通用规范（jtj021- 85）； (21)公路路基设计规范（jtj013- 95）； (22）公路桥涵地基与基础设计规范（jtj024- 85）； (23)公路砖石及混凝土桥涵设计规范（jtj022- 85）； (24)钢筋混凝土装配式挡土墙（悬臂式、扶壁式）04so13。 页码，13/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第五章 系统土压力理论 系统采用库仑、朗肯及静止土压力三种计算理论。加筋土挡墙、衡重式挡墙及卸荷板式挡土墙未考虑 朗肯土压力和静止土压力。 除特别说明外，均不考虑墙前被动土压力作用。 5.1 库仑土压力理论 5.1.1 库仑土压力的基本假定 1. 墙后填料为匀质散粒体，仅有内摩擦力，而无粘聚力（按无粘性土考虑）。 2. 当墙身向外移动或绕墙趾外倾时，墙背填料内会出现一通过墙踵的破裂面，假设此破裂面为一平 面，竖向夹角叫做破裂角（如图5.1- 1）。 图5.1- 1 3. 破裂面上的土楔，视为刚性土体，根据静力平衡条件，土楔在自重g、墙背反力ea和破裂面反力r的 作用下维持静力平衡。由于土楔与墙背及土体间具有摩阻力，故ea与墙背法线成角、r与破裂面法线成 角，并均偏向阻止土楔滑动的一侧。 4. 通过墙踵，假定若干个破裂面，其中使主动土压力最大的那个破裂面即为最危险的破裂面。根据这 一条件，求得破裂面的位置和主动土压力值。 5. 假设土压力沿墙高呈分段线性分布，其形状与坡面线叠加超载后的形状相似，作用点位置位于此分 布力图形的重心。当墙后土坡为一直线时，土压力呈线性分布，作用于墙高下三分点处。 5.1.2 有关第二破裂面的基本假定 1. 俯斜墙背(或假想墙背)的坡度平缓时，墙后填料内有可能出现第二破裂面，土楔不沿墙背或假想墙 背滑动，而沿着第二破裂面滑动（如图5.1- 2）。 2. 必须满足下列条件，才可出现第二破裂面： 墙背的倾角必须大于第二破裂面的倾角。 作用于墙背或假想墙背上的土压力对墙背法线的倾角应该小于等于墙背摩擦角。 页码，14/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图5.1- 2 图中：为第一破裂角（度）；为第二破裂角（度）。 5.1.3 库仑土压力计算基本方法 本系统从最基本的土压力计算原理出发，充分利用计算机快速运算的优势，采用优化的数值扫描法,计 算第一、第二破裂面及相关的土压力，计算方法见5.1.3.1节、5.1.3.2节及第六章。 5.1.3.1 第一破裂面 当只有第一破裂面时，土压力只为第一破裂角函数，利用计算机搜索第一破裂角角度与土压力关系。 寻找其中最大的土压力ea即为所求的土压力，相应的角度为第一破裂角。在搜索过程中，为了提高计算速 度，我们采用了优化的方法寻找此极值点，计算结果表明，此种方法非常有效。图5.1- 3为土压力随破裂 角度变化图。 图5.1- 3 土压力随第一破裂角变化曲线 图中： 挡土墙土楔体的第一破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； ea 作用挡土墙上的土压力（kn）； ex 作用挡土墙上土压力的水平分力（kn）； ey 作用挡土墙上土压力的竖向分力（kn）。 页码，15/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 5.1.3.2 第二破裂面 当俯斜墙背(或假想墙背)的坡度比较平缓时，就会出现第二破裂面。此时土压力为第一、第二破裂角 的函数，利用计算机求出第二破裂角及第一破裂角角度与土压力的变化关系，搜索到最大的水平土压力ex 即为所求的土压力，相应的角度为第二破裂角及第一破裂角。图5.1- 4为土压力随第二破裂角角度变化图。 图5.1- 4 土压力随第二破裂角变化曲线 图中： 5.2 朗肯土压力理论 1. 假设填料表面为一平面，沿深度和侧向均是无限的； 2. 只适用于墙后填料表面上无荷载或作用有连续均布荷载的情况，填料表面的横坡； 3. 假设土压力沿墙高呈分段线性分布，其形状与坡面线叠加超载后的形状相似，作用点位置位于此分 布力图形的重心。当墙后土坡为一直线时，土压力呈线性分布，作用于墙高下三分点处。 5.3 静止土压力理论 土压力p0等于竖直向主应力z与静止土压力系数k0的乘积，且沿墙高呈三角形分布。 挡土墙土楔体的第二破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； ea 作用挡土墙上的土压力（kn）； ex 作用挡土墙上土压力的水平分力（kn）； ey 作用挡土墙上土压力的竖向分力（kn）。 页码，16/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第六章 系统土压力计算 6.1 库仑土压力计算 6.1.1 衡重式挡墙土压力 衡重式挡土墙等折线形墙背挡墙不能直接用库仑理论计算主动土压力，这时，应将上墙和下墙看作独 立的墙背，分别按库仑理论计算主动土压力，然后取两者的矢量和作为全墙的土压力。计算上墙的土压力 时，不考虑下墙的影响，采用一般的库仑理论公式计算；若上墙背或假象墙背倾角较大，出现第二破裂 面，则按第二破裂面求主动土压力。 下墙土压力的计算方法有多种，如：延长墙背法、校正墙背法、等效超载法（将上墙墙后的填料视为 下墙土体上的均布超载，而影响下墙土压力的计算）、力多边形法。其中前三种方法不同程度地存在一些 缺陷，力系不能自相平衡。因此本系统采用力多边形法。 力多边形法的计算原理为：首先按上述方法求计算上墙土压力，得到上墙的第一破裂面及作用于第一 破裂面上的作用力r，然后将r反作用于下墙的破裂楔体上，下墙的破裂楔体作用有上墙的作用力r、楔体 自重力g、作用挡土墙下墙的主动土压力反力ea、下墙破裂面上的反力r1，这些力共同作用处于极限平衡 状态。在这种假设下求解第二破裂面。计算简图6.1.1- 1。 图6.1.1- 1 衡重式挡墙计算简图 图中： 注意：注意：当基础为“钢筋混凝土底板”或“锚桩式”时，可选择土压力起算点从基础底面起算。 6.1.2 浸水挡墙土压力 浸水挡墙土压力计算原理与非浸水时相同，只是求算破裂楔体的重力g时，浸水部分采用浮重度，其它 计算原理与普通挡土墙相同。 浸水挡墙土压力计算中,再加一项水压力，水压力计算如下： 挡土墙土楔体的第二破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； 挡土墙土楔体的第一破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； r 上墙土楔体对下墙计算土楔体的作用力（kn）； g 下墙计算土楔体的自重重力（kn）； r1 下墙计算土楔体的第一破裂面的反力（kn）； ea 作用挡土墙上的主动土压力的反力（kn）。 页码，17/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm （6.1.2- 1） 式中： 6.1.3 抗震地区墙后动土压力 抗震区挡墙的地震力影响主要表现在两个方面： 1. 用库仑理论计算土压力时破坏楔体要考虑水平地震力e的作用，参见6.1.3.1节； 2. 在计算墙体受力时要考虑墙体所受的地震作用，参见第7.1.6.2节。 6.1.3.1 计算方法 计算简图： 图6.1.3- 1 地震力参与计算简图 计算公式： （6.1.3.1- 1） 式中： eas 挡土墙上作用的水压力（kn），作用位置：距挡土墙底面h/3处； hw 挡土墙背面地下水位顶面到挡土墙底面的距离（m）； 挡土墙土楔体的第一破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； 挡土墙土楔体的第二破裂角（与铅垂线的夹角）（度）； r 上墙土楔体对下墙计算土楔体的作用力（kn）； g 下墙计算土楔体的自重重力（kn）； r1 下墙计算土楔体的第一破裂面的反力（kn）； ea 作用挡土墙上的主动土压力的反力（kn）； e 作用计算土楔体上的水平地震力（kn）； 地震角（度）； 页码，18/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 6.1.3.2 地震角 地震角度的计算按下表确定： 6.1.4 粘性土的土压力 当墙后填土为粘性土时，由于粘聚力的存在，对土压力值有很大的影响，因此在计算中必须考虑粘聚 力的影响。系统给出了两种考虑粘聚力影响的方法。 6.1.4.1 换算内摩擦角法（又称综合内摩擦角法或等效内摩擦角法） 目前，由于粘聚力的数值难于恰当地确定，同时又缺乏按粘性土计算方法设计挡土墙的实践经验，通 常都采用换算内摩擦角的方法来计算粘性土的主动土压力。也就是将摩擦角的数值增大，把粘聚力的影响 考虑在内摩擦角的这一参数中，然后按砂性土的公式计算主动土压力。 1. 铁路路基手册中提供的换算内摩擦角的公式：铁路路基手册中提供的换算内摩擦角的公式： 按土体抗剪强度相等的原则计算： （6.1.4.1- 1） 按土压力相等的原则计算： （6.1.4.1- 2） 需要注意的是，上述换算方法，对于矮墙是偏于安全的，但对于高墙是偏于危险的，因此，对于高墙 应酌情予以折减。 2. 堤防规范中提供的换算内摩擦角的公式：堤防规范中提供的换算内摩擦角的公式： g上 上墙计算土楔体的自重重力（kn）； e上 作用上墙计算土楔体上的水平地震力（kn）； e上a 作用挡土墙上墙的主动土压力的反力（kn）。 地 震 角地 震 角 表6.1.3- 1 基 本 烈 度 类 别 7 8 9 非 浸 水 130 3 6 浸 水 230 5 10 注：1. 本表摘自公路加筋土工程设计规范（jtj- 015- 91）附录一中附表1.4； 2. 抗震设计与非抗震设计在安全系数的取值、截面与基底合力的容许偏心距的取值是不同的； 3. 抗震设计同时要考虑地基土承载力的提高、截面强度的提高。 页码，19/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm （6.1.4.1- 3） 式中： 6.1.4.2 力多边形法 考虑粘聚力的作用，仍然以库仑土压力理论计算。由此引起的误差并不太大，但所采用的计算粘聚力 的值必须可靠，也就是说即使在最不利的条件下也能保证墙后填土的实际粘聚力不低于采用值。同时对于 高膨胀性土和高塑性土均不能按力多边形法计算土压力。 1. 裂缝深度计算 当墙身向外有足够的位移时，粘性土土层的顶部会出现拉应力，并进而产生竖直裂缝，裂缝的深度， 达到拉应力趋近于零处。 （6.1.4.2- 1） 裂缝的深度，与地面的斜度无关，如果土层顶面有满布的土柱高h0，则裂缝深度应减去h0；如果土层 顶面有局部的土柱高h0，由于情况复杂，难于正确估计，往往忽略它对裂缝深度的影响。 注意注意：本软件自动判断第一个坡面线上的土柱是满布还是局部，然后决定h0是否影响裂缝计算深度， 对其它坡面线上的土柱则不予考虑。 2. 土压力计算 仍然以库仑土压力为基础，由力多边形法求得土压力，只是在力多边形中增加一个粘聚力cl，其中l 为破裂线的长度。 图6.1.4- 1 考虑粘聚力计算简图 6.1.5 多层土的考虑方法 内摩擦角（度）； d 换算内摩擦角（度）； 墙后填土容重（kn/m3）； c 粘聚力（kpa）； h 墙身高度（m）。 页码，20/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 多层土土压力计算方法采用下列近似计算方法。首先由库仑公式求得上一土层的土压力e1和其作用点 高度z1，在计算下一个土层时，近似地假定：上下两层土层层面平行，并将上一层土视为下一层土的匀布 荷载，求得下一个土层的土压力e2和其作用点高度z2，最后将e1和e2求合力，则可得到总的土压力e以及土 压力作用点高度z（如图5- 7- 1）。由于需要多次计算土压力，因此考虑多层土时，计算速度将有所下降。由 于计算理论上的限制，本软件所提供的多层土计算方法要求各个土层的重度基本接近，当重度相差悬殊 时，计算误差将增大。 图6.1.5- 1 多层土计算简图 但上述方法只能适用于未出现第二破裂面的情况，当出现第二破裂面时，软件采用按土层厚度加权平 均的方式计算破裂角和土压力。也就是将土层的各种参数按厚度加权平均，然后再按匀质土计算主动土压 力。 必须注意，由于计算理论不成熟，本软件所提供的多层土土压力计算方法仅供参考，设计人员需要自 行判断计算结果的合理性。 6.1.6 车辆荷载对土压力的影响 对于公路专业、铁路专业以及墙背后填土有车辆荷载作用时，使土体中产生附加的竖向应力，从而产 生附加的侧向压力。土压力计算时，将车辆荷载换算成与墙后填土相同重度的一定宽度和高度的土柱（均 步荷载）来计算。 6.1.6.1 公路专业 需要输入计算荷载，验算荷载两种荷载，并且换算土柱高度需采用破裂棱体法计算得出，即事先并不 知道换算土柱的高度。换算土柱高度的求法采用公路桥涵设计规范中的方法。 计算简图： 图6.1.6.1- 1 扩展长度计算简图 页码，21/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 图6.1.6.1- 2 车辆荷载换算模式 系统允许用户直接交互车辆等级，由系统自动完成换算土柱高度和宽度的计算。同时，用户也可自行 交互土柱宽度和高度。计算公式： （6.1.6.1- 1） （6.1.6.1- 2） （6.1.6.1- 3） 式中： 6.1.6.2 铁路行业 系统允许用户直接交互铁路等级，由系统自动完成换算土柱高度和宽度的计算。同时，用户也可自行 交互土柱宽度和高度。然后按条形荷载作用下土中应力公式计算水平土压力、竖向土压力，参见tbj 25- 90 第6.1.2.2。 列车和轨道荷载换算土柱高度及分布宽度见铁路路基设计规范附录a。 6.1.7 被动土压力计算 h0 换算成土柱的高度（m）； 墙后填土容重（kn/m3）； b0 破坏棱体的宽度（m）； l 挡土墙的计算长度（m）； q 布置在b0l面积内的车轮总重（kn）； h 挡土墙高（m）； a 路肩高（m）； b 路肩宽（m）； l0 前后轮距加轮胎着地长度或履带着地长度（m）； 挡土墙倾角（）； 破裂角（）。 页码，22/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 悬臂和扶壁式挡墙中增加了墙前被动土压力自动计算，以附加力的形式考虑。被动土压力采用朗金土 压力理论计算。 计算公式： （6.1.7- 1） 式中： 6.2 朗肯土压力计算 6.2.1 主动土压力基本公式 主动土压力计算公式： （6.2.1- 1） 路肩墙填料表面横坡=0时： （6.2.1- 2） 路肩墙填料表面横坡0时： （6.2.1- 3） 式中： ep 挡土墙上作用的被动土压力（kn），作用位置：距挡土墙底面h/3处； 墙前土容重（kn/m3）； h 墙前土高度（m）； 墙前土内摩擦角（度）。 kai 土层i的主动土压力系数； eajk 计算深度处的主动土压力（kpa），作用方向与地面平行； 墙背填料重力密度（kn/m3）； h 假想墙背高度（m）； c 主动土压力增大系数； h0 车辆等代均布荷载换算土层的厚度（m）；计算参见公式（10.2.1.4- 3）； 填料表面横坡（），对路肩墙，=0； 墙背填料的内摩擦角（）。 页码，23/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 注意：注意： 1. 朗肯、静止土压力适用于填料表面只有一段坡线情况的墙背；若录入多段坡线，系统按第一段坡线 计算；仰斜式挡土墙土压力的竖向分力ey系统取为0； 2. 适用于满布荷载情况，对于局部荷载系统自动按满布处理； 3. 假设通过墙踵的竖直面为假想墙背计算土压力； 4. 当填料表面斜坡或墙底倾斜时，h高于墙身高度，如图所示： 5. 当土层内摩擦角小于填料表面倾角时，系统自动处理为相等。 6.2.2 地震动土压力 计算公式： （6.2.2- 1） 式中： 注意：注意： eea 地震时作用于挡土墙背每延米长度上的土压力（kn），包括普通挡墙的 主动土压力和地震动土压力； 墙背填料重力密度（kn/m3）； ka 非地震条件下作用于墙背的主动土压力系数，计算见公式（6.2.1- 2）； h 挡土墙高度（m）； c 主动土压力增大系数； ci 重要性修正系数，（快速路、主干道ci=1.3，其余ci=1.0）； cz 综合影响系数，取cz=0.25； 墙后填料的内摩擦角（）； kh 水平地震动峰值加速度系数。 页码，24/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 1.作用在墙踵填土上的荷载参与地震力计算； 2.朗肯地震动土压力计算参见公式（6.2.2- 1），墙身及填土地震力计算同库仑土压力，参见公式 （7.1.6- 4）； 3.本系统忽略填料表面倾斜时，地震动土压力与ea方向不一致的影响。 6.2.3 浸水挡墙土压力 水下采用浮重度，静止水压力及浮力计算参见7.1.6.1节。 6.2.4 粘性土的土压力 填料表面倾斜且c0时，土压力计算结果仅供参考。 6.2.5 多层土的考虑方法 多层土填料表面倾斜时，各个土层主动土压力系数按照公式6.2.1- 3近似计算。 6.3 静止土压力计算 系统对静止土压力的处理与朗肯土压力相同，仅区别于土压力系数，即土压力系数用k0取代ka。 土压力系数k0的取值方法如下： 1. 直接交互k0； 2. 根据公式求得k0： 砂性土： （6.3- 1） 粘性土： （6.3- 2） 注意：注意：静止土压力c0时，按c0处理；其他计算同朗肯土压力，参见6.2.1节。 有效内摩擦角（）。 页码，25/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 第七章 公路挡土墙验算 本章将介绍图2.2- 2所示的其中11种挡土墙的计算原理以及所采用的方法。 一一. 挡土墙计算挡土墙计算 采用两种方法： （1）总安全系数的容许应力法； （2）分项系数的极限状态法。 二二. 安全系数及材料强度提高系数安全系数及材料强度提高系数 1. 安全系数： 仅适用总安全系数的容许应力法。 （1）滑动稳定系数：一般情况取1.3，地震作用参与时取1.3。 （2）倾覆稳定系数：一般情况取1.5，地震作用参与时取1.3。 （3）基底合力偏心距：土质地基b/6，岩质地基b/5，坚硬岩质地基b/4；抗震设计时由用户定义。 （4）截面合力偏心距：一般情况取0.25b；抗震设计时取03b。 （5）加筋土挡墙整体滑动稳定系数：一般情况取1.25；抗震设计时取1.1。 （6）加筋土挡墙全墙筋带抗拔稳定系数：取2.0； 2. 抗震设计时的强度提高系数： （1）截面强度提高系数(抗压)：1.5； （2）截面强度提高系数(抗拉)：1.5； （3）截面强度提高系数(抗剪)：1.5； （4）地基土承载力提高系数：由用户定义。 三三. 公路行业挡土墙计算的荷载工况公路行业挡土墙计算的荷载工况 公路挡土墙的荷载工况分为四种：计算荷载、验算荷载、地震时计算荷载、地震时验算荷载。 7.1 重力式挡土墙 重力式挡土墙验算包括：土压力计算，滑动稳定性验算，倾覆稳定性验算，地基应力及偏心距验算， 截面强度验算，对钢筋混凝土底板基础，还需要作基础强度计算。 图7.1 重力式挡墙抗滑稳定验算内容 注意：注意：重力式挡土墙可以模拟为上墙高度h=0的衡重式挡土墙进行计算。 页码，26/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 7.1.1 滑动稳定性验算 7.1.1.1 水平基底的滑动稳定系数kc 计算重力式挡土墙沿基底的滑动稳定系数kc分无基础和有基础两种情况。 计算简图： 图7.1.1- 1 抗滑稳定计算简图 计算公式： 1. 无基础时无基础时 （7.1.1- 1） 2. 有基础时有基础时 （7.1.1- 2） 式中： 注意：注意： 1. 参考公路设计手册路基第三篇第三章第二节中的（3- 3- 1）式； 2. 附加力指波浪冲击力、冻胀压力和冰压力、温度应力。 7.1.1.2 倾斜基底时的滑动稳定系数kc 如图7.1.1- 2所示，把基底设置成倾斜就是保持墙面高度不变，而使墙踵下降一定高度。与水平基底相 kc 沿基底的滑动稳定系数； f 挡土墙墙底摩擦系数； w 挡土墙的自重重力（kn）； wj 挡土墙基础的自重重力（kn）； ex 作用挡土墙上土压力的水平分力（kn）； ey 作用挡土墙上土压力的竖向分力（kn）。 页码，27/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 比，可以减小滑动力，增大抗滑力，从而增强抗滑稳定性。这时，不仅要作沿基底的抗滑稳定性验 算，同时，还要验算地基土沿墙踵平面的抗剪稳定性验算。抗滑稳定性按式7.1.1- 3计算。 图7.1.1- 2 倾斜基底抗滑稳定计算简图 1. 沿斜基底面滑动沿斜基底面滑动 （7.1.1- 3） 式中： 注意：注意：公路设计手册路基第三篇第三章第二节中的（3- 3- 2）式。 2. 地基土抗剪稳定性验算地基土抗剪稳定性验算 （7.1.1- 4） 式中： kc 沿基底的滑动稳定系数； f 挡土墙墙底摩擦系数； 铅垂线与挡土墙背坡面的交角（度），逆时针为正，顺时针为负； 挡土墙背坡面与挡土墙背面填土之间的内摩擦角（度）； 挡土墙倾斜基底面与水平面的交角（度），逆时针为正，顺时针为负； w 挡土墙的自重重力（kn）； wn 挡土墙的自重重力在倾斜基底法线方向的分力（kn）； wt 挡土墙的自重重力在倾斜基底切线方向的分力（kn）； e 挡土墙承受的土压力（kn）； en 挡土墙承受的土压力在倾斜基底法线方向的分力（kn）； et 挡土墙承受的土压力在倾斜基底切线方向的分力（kn）。 kc2 沿基底面水平方向地基土抗剪强度的滑动稳定系数； w 挡土墙的自重重力（kn）； 页码，28/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 注意：注意：参考公路设计手册路基第三篇第三章第二节中的（3- 3- 2）式。 7.1.1.3 设有防滑凸榫时的滑动稳定系数kc 设置防滑凸榫也是增加抗滑稳定性的一种措施。如图7.1.1- 3所示，在基础地面设置一个与基础连成整 体的榫状凸块，利用榫前土体所产生的被动土压力以增加挡土墙的抗滑稳定性。凸榫的深度ht根据抗稳定 的要求确定，凸榫的宽度按凸榫截面强度的要求确定。因此，既要验算抗滑稳定性，也要验算凸榫截面强 度。 图7.1.1- 3 防滑凸榫抗滑稳定计算简图 1. 滑动稳定系数滑动稳定系数kc （7.1.1- 5） （7.1.1- 6） 式中： ex 挡土墙承受的土压力在水平方向的分力（kn）； ey 挡土墙承受的土压力在竖直方向的分力（kn）； f4 倾斜基础底下地基土的摩擦系数； b4 倾斜基础底下三角形土楔体的宽度(m)； h4 倾斜基础底下三角形土楔体的高度(m)； 倾斜基础底下三角形土楔体的容重（kn/m3）。 kc 沿防滑凸榫底面水平方向地基土抗剪强度的滑动稳定系数； ht 基底下防滑凸榫的高度（m）； ep 基底下防滑凸榫前的被动土压应力平均值（kpa）； 防滑凸榫前的被动土压力修正系数，用户录入； 页码，29/46(w)w 2010/5/22mk:msitstore:e:program%20fileslizhengyantu5.5dangtu.chm:/帮助- 1.htm 注意：注意： 1. 公路设计手册路基第三篇第三章第二节中的（3- 3- 3）、（3- 3- 4）式； 2. 1、2按普通的力学方法计算。 2. 防滑凸榫截面强度验算及宽度设计防滑凸榫截面强度验算及宽度设计 本系统可做防滑凸榫截面强度验算和凸榫宽度设计。 1.截面强度验算：截面强度验算： 凸榫抗弯强度验算满足： （7.1.1- 7） 凸榫抗剪强度验算满足： （7.1.1- 8） 2.凸榫宽度设计：凸榫宽度设计： 按凸榫截面上的弯矩设计凸榫宽度： （7.1.1- 9） 按凸榫截面上的剪力设计凸榫宽度： （7.1.1- 10）