（岩土工程专业论文）异型砌块挡土结构设计计算理论与试验研究.pdf

硕士学饺论文 摘要 随着我国两部建设的大力推进，基础建设的力度不断加大，山区房鼷、公路 及城蔚建设工程中边坡的支撼及生态防护等嚣益受到重褪。磺块撼结稳具寄工 厂预制、标准化生产，建造速度快，安全可靠等突出特点，有广泛的工程应用前 景。因此对破块式挡士结构的受力特点、设计计算理论及施工要点进行理论分据 及试验研究，熟有一定的理论与工程实际意义。 本文首先在深入分拆砌块受力性状及咬会自锬簿特性的基础上提出秘便予 预制及砌筑的h 型砌块以及其构成支挡结构体系的方法，进而根据砌映捎土结构 的受力特点，对其承载机理及其墙鸷土压力的分布和计算方法进行了探讨，在此 基础上提出了滠合砌块挡土嫡士压力分析的基本假定与计算方法。同时为了更深 入了孵砌块挡媾结构的受力与工作饿戆，自行设计势完成了h 型瑚块挡墙模型 试验。通过模拟其施工全过裰，对墙后土透力、墙顶位移、砌块横截面成交及基 础压力等进行了监测，得出了该挡土墙的破坏模式及墙后土压力的分布交化规律、 土篷力与自重在砌块肉的传递蕊律以及危簸砌块的受力状态等。此外，为了进一 步验证理论分析方法姆模型试验结果的可靠性，更深入了鳃砌块的受力状况，利 用m a r e 有限元程序对模型捎土墙邀行建模，对其在试验工况下豹受力进行了计 算分析，获得了砌块之间力的传递规律及最危险的砌块应力状态，且数馕分析结 聚与实测结果较为晚会。在上述试验与理论分析韵熬础上，提出了适用于h 型砌 块挡土墙的稳定性验算、墙身强度验算及最危险砌块的受力验算等完整的设计计 算方法，对珏凝礴块籀土的施工要赢进行了讨论，并将其廒用于某城市挡土结构 工程实践。 荚键词；挡土妻舂梅；h 型瑚块：土趱力；模溅试验；应力测试；设计计算理论 耋耋耋釜蛰老慧警耋薹耋差鐾鎏耋薹塞篓塞 a b s t r a c t a l o n gw i t ht h eb o o s to ft h ew e s t e r nc o n s t r u c t i o na n dm u n i c i p a lc o n s t r u c t i o n ，t h e r e t a i n i n g w a l li n b u i l d i n g s ，h i g h w a y sa n du r b a nc o n s t r u c t i o n sw a s a t t a c h e d i m p o r t a n c e b l o c kr e t a i n i n gs t r u c t u r eh a ss o m eo u t s t a n d i n gf e a t u r e ss o a st oa p p l y w i d e l y i n e n g i n e e r i n g ，s u c ha ss h o pf a b r i c a t e d ，s t a n d a r d i z a t i o np r o d u c e ，q u i c k c o n s t r u c t i o na n ds a f e t ys oo n 。t h u st h er e s e a r c ho ns t r e s st r a i t ，d e s i g nc a l c u l a t i o n t h e o r ya n de o n s t r u e t i o np r i n c i p a lp o i n to fb l o c kr e t a i n i n gs t r u c t u r e h a sc e r t a i n s i g n i f i c a n c ei nt h e o r ya n dp r a c t i c a le n g i n e e r i n g ak i n do fh - b l o c ki sp u tf o r w a r da c c o r d i n gt ot h eb l o c ks t r e s st r a i ta n d i n t e r c o n n e c t i o n ，w h i c hi sp r e f a b r i c a t e da n de a s yl a y i n g a n dt h ec o m p o s i t i o no ft h i s h b l o c k r e t a i n i n g s t r u c t u r ei sa l s oc l a s s e d s y s t e m a t i c a l l y t h e nb a s e do nt h e c h a r a c t e r i s t i ca n db e a r i n gm e c h a n i s mo fb l o c kr e t a i n i n gw a l l ，s o m ef u n d a m e n t a l a s s u m p t i o n sa n dc o m p u t i n gm e t h o da r eh e l du p ，a i m e da t d i f f e r e n tc o m p u t i n g m e t h o d so fs o i lp r e s s u r e i no r d e rt oa n a l y z es t r e s st r a i ta n ds e r v i c eb e h a v i o ro fb l o c k r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ，am o d e le x p e r i m e n to fh b l o c kr e t a i n i n gw a l lw a sd e s i g n e d a n da c c o m p l i s h e d t h ef a i l u r em o d eo ft h i sr e t a i n i n gw a l lv c a sa t t a i n e db ym e a n so f r e c o r d i n gt h es o i lp r e s s u r eo fr e a rw a l l ，t o pd i s p l a c e m e n to fw a l l ，s t r a i no fc r o s s s e c t i o na n db a s ep r e s s u r e ，t h r o u g hs i m u l a t i n gt h eo v e r a l lp r o c e s so fc o n s t r u c t i o n b a s e do nt h i st e s td a t a ，t h ed i s t r i b u t i o nr e g u l a r i t i e so fs o i lp r e s s u r ei nt h er e a rw a l l ， t h et r a n s f e rr e g u l a r i t i e so fs o i lp r e s s u r ea n ds e l fl o a di nb l o c ka n db l o c ki nc r i t i c a l s t r a i nc o n d i t i o na r ea n a l y z e d i no r d e rt ov e r i f yt h er e l i a b i l i t yo fa n a l y t i cm e t h o da n d t e s tr e s u l t ，am o d e lo ft h i sr e t a i n i n gw a l lw a sb u i l tb ym a r cf i n i t ee l e m e n t p r o g r a mt o d e e p l yf i n do u ts t r e s st r a i to f b l o c k s t h ec o m p u t i n gr e s u l tc o m p u t e db ym a r ca c c o r d s w i t ht h ea c t u a lm e a s u r e m e n ta n dm a yg a i nt h el o a dt r a n s f e rr e g u l a r i t i e so fb l o c k s t h e c h e c k i n gm e t h o d so fs t a b i l i t y , w a l li n t e n s i t ya n db l o c ki nc r i t i c a ls t a t ea r eb r o u g h t f o r w a r db a s e do nt h e e x p e r i m e n t a n dt h e o r y a n a l y s i s 。t h e r e b yt h ed e s i g n c o n s i d e r a t i o na n dc o n s t r u c t i o np r e c a u t i o n so fh - b l o c kr e t a i n i n gw a l la r es e tf o r w a r d a n da p p l i e di np r a c t i c a le n g i n e e r i n go fr e t a i n i n gs t r u c t u r ei no n e c i t y k e yw o r d s ：r e t a i n i n gs t r u c t u r e ；h b l o c k ；s o i lp r e s s u r e ；m o d e le x p e r i m e n t ；s t r e s s t e s t ；d e s i g nc a l c u l a t i o nm e t h o d i 湖南大学 学位论文原创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所 取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任 何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。对本文的研究做出重要贡 献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的 法律后果由本人承担。 作者签名：日期：珈f 年f 月钾日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意 学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅。本人授权湖南大学可以将本学位论文的全部或部分内容编 入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇 编本学位论文。 本学位论文属于 l 、保密口，在年解密后适用本授权书。 2 、不保密团。 ( 请在以上相应方框内打“4 ”) 作者签名：可京日期：加r 年f 月甲日 导师签名：乏堑蟛 日期：枷f 年 厂月矽日 l 1 1 概述 第1 章绪论 挡土墙，是指用于支撑路基填土或山坡土体、防止填土或土体变形失稳的构 造物m 】。在欧美国家，称e a r t hr e t a i n i n gw a l l s 或e a r t hr e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，也有 的称之为s o i lr e t a i n i n gw a l l s 或e a r t hr e t e n t i o nw a l l s 。 应该说，无论是公路工程还是其它各类土木工程，挡土墙均成为一种用以防 止土体坍塌的重要结构物形式，在房屋建筑、水利水电、铁路、公路及桥梁等工 程建设中被广泛应用，如公路、铁路两旁的护墙，水工建筑物进出口处的翼墙及 两侧的边墙，桥梁的桥台，河道两岸的护岸墙，港池的护墙，地下建筑物的边墙 等，均为挡土墙【2 ，3 1 。 作用在挡土墙上的荷载主要有土压力e 、挡墙自重g 、墙顶或墙后破裂棱体 上的荷载、水压力及地震力等【3 】。挡土墙设计包括墙型选择、稳定性验算( 抗倾 覆、抗滑移等) 、地基承载力验算、墙身材料强度验算以及一些设计中的构造要求 和措施等。挡墙设计时，一般先按试算法或查有关设计图表确定挡土墙的截面尺 寸，即先根据挡土墙的工程地质条件、壤土性质以及墙身材料和施工条件等凭经 验初步拟定截面尺寸，然后进行稳定及强度验算。如不满足要求，则修改截面尺 寸或采取其它措施，直至满足设计要求。 1 1 1 挡土墙发展历史 在古代，虽无明确的文献记载、详细的分析理论和使用规程，但实践中，人 们已经总结出了丰富的经验并代代相传。从中国的古长城，古观星台，开掘的古 墓和古建设四周及古驿道、古栈道的两侧，均可见古人修筑挡土墙的痕迹。 在近代和现代，挡土墙更是广泛地应用于土木和建筑工程中，特别是公路、 铁路路基工程；建筑工程：市政、造园工程；水利、护岸工程：水土保持等工程 中。也可以说它是随着近现代工业、建筑、交通、市政、水利、矿山、环保等工 程发展而迅速发展变化并逐渐丰富起来的。 古代的挡士墙材料主要采用自然块石，片石或经过粗略加工的料石及藤、竹 或麻织物与土结合形成的挡土材料。现代挡土墙的材料仍然是开采的片石、经过 加工的料石，以及现代工业发展所产生的新材料，如混凝土、钢筋混凝土、钢板、 钢拉带、高分子合成材料如无纺布和土工网、土工格栅、土工格室等。由于技术 的发展和工业化程度的提高，混凝土预制单元标准化拼装节段和砌块已大量应用 于挡土墙工程h j 。 量篓塑璧兰圭警塑塞苎耋篓型鎏耋鎏鉴竺窒 】1 2 捎土墙的施工方式 欤撼壤矮瘸麓糕霹滢誊密，整主蘧黪麓工方式不终孚滚下三耱：浚石、 料石、或预制混凝土标准节段或砌块的现场拼装方式；混凝土或钢筋混凝土的 疆场浇筑方式；镪鬏桩或镪篾湿凝柱、投现场抒入方式。由予鑫藏搂主壤形 式多样，在现坜施工中，往往是三种方式相互结合的。 ，1 3 挡主墙的结梅形式 工糨中采用的挡土墙类型很多，除按挡墙设置位置划分外，还可按结梅形 式、墙体材料、施工方法及环境条谇等进行翎分。 按域体材料可分为砌石挡土墙、溉凝土或钢筋混凝土挡士墙、砌块挡土墙等： 按所处环境可分为一般地区挡土墙、浸水地馘挡土墙及通震区挡土墙等；按其结 构型式阿分为：重力式挡土墙( 根据壤背倾斜方向又可允为俯斜、童立和仰斜三 耪，如黼1 1 ( a 、( b ) 和( c ) 、衡重斌挡土墙( 图1 1 ( d ) ) 、悬臀式挡土墙( 图 1 1 ( e ) ) 、扶臂式挡土墙( 图1 1 ( f ) ) 、加觞挡土墙( 图1 ，l ( g ) ) 、锚杼式挡土 壤( 墨l 。1 ( h ) ) 、锚寇税式挡士墙( 溺1 1 ( i ) ) ：土钌式挡主壤( 1 1 ( j ) ) 、柱板 式挡土墙( 图1 1 ( k ) ) 等f 5 】。 a )b )c)d) 忒鉴薰 圈1 1 裆主磺型式 此外，还肖混合式挡土墙( 图1 ，1 ( 1 ) ) 、构架式挡土墙( 图i 1 ( m ) ) ，另外 还有黧较蓊静籀主璃形式，鲡竖商颥痰力镟秆挡主壕【“、箱塑阶梯戏挡壤7 i t 瓢、 砌块挡士墙 9 - 1 2 等，其中h 型砌块挡士墙墙体的抗剪和抗压性能因砌块间的应力 传递褥潮显著撬离，掰疆力静分布形式也使得墙体抗倾覆能力褥别改善，且砌 炔间畅通的空隙有利予墙后土体的排水，其皮用前凝可观。尽管如此，设计时应 虢掐渣豹捐途、墙离帮墙缝楚的缝形、遣矮承文条件、墙钵取材、施工方注、按 术经济条件、景观要求及当地经验等因素，猩满足稳定性与强度要砑毫的前提下， 按结梅合理、酝嚣经济及蓬工方便安全等蘸麓综合选瘸。 硕士学位论立 1 1 4 挡土墙的应用范围 挡土墙的应用范固十分广泛，所有的士木建筑工程中都要用到挡土墙，在遇 到下列情况时可考虑修建挡土墙1 1 l ： ( 1 ) 陡坡地段； ( 2 ) 岩石风化的路堑边坡地段； ( 3 ) 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段： ( 4 ) 可能产生塌方、滑坡的不良地质地段； ( 5 ) 高填方地段； ( 6 ) 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段； ( 7 ) 为节约用地、减少拆迁或减少占农田的地段； ( 8 ) 为保护重要建筑物、生态环境或其它特殊需要的地段。 1 2 挡土结构设计理论研究现状 1 2 1 国内研究现状 挡土墙作为一种建筑结构形式，虽然工程实例根多，但对于墙后压力的研 究、更安全经济合理的设计计算方法仍有待发展，由于挡土结构型式发展相对较 快，相关的规范、技术手册、应用软件和程序相对较少，相应的标准图集也少， 整个土建领域对其重视程度仍不够，需进一步发展。 在公路建设工程中，挡土结构是界于桥梁结构和路基土石方结构中间的一种 重要结构形式。分别包台在公路路基设计规范( j t j 0 1 3 9 5 ) ，公路桥涵设计 通用规范( j t j 0 2 1 - 8 9 ) ，公路钢筋砼及预应力砼桥涵设计规范( j t j 0 2 3 8 5 ) ， 公路桥涌地基与基础设计规范( j t j 0 2 4 - 8 5 ) ，公路砖石混凝土桥涵设计规范 ( j t j 0 2 2 - 8 5 ) ，公路加筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 9 1 ) ，公路加筋士工程施工 技术规范( j t j 0 3 5 9 1 ) ，公路软土地基路堤设计与施工技术规范( j t j 0 1 7 9 6 ) ， 公路土工合成材料应用技术规范( j t j t 0 1 9 9 8 ) 等设计规范和相应的施工规 范中，只有加筋土挡土墙作为挡土墙结构中的一个重要分支，有其独立的设计和 施工规范，其它挡土墙结构形式均无独立的规范或规程。 在建筑工程中，边坡支护结构型式很多，常规的挡土墙结构和近代发展起来 的锚杆挡土墙结构是其主要型式。在现行国标建翁边坡工程技术规范 ( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 中，主要将边披支护结构分为重力式挡墙、扶壁式挡墙、岩石 锚喷支护、锚杆挡墙等七种，并对其中五种型式的计算、设计、施工作出了相应 的规定。在现行国标建筑地基基础设计规范( o b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中，对重力式 挡墙、岩石锚秆挡墙、地下连续墙基坑支护的设计作出了相应的规定。由于锚杆 挡墙和锚杆支护近年的普遍应用，相应的有国标锚杆喷射混凝士支护技术规范 挡墙和锚杆支护近年的普遍应用，相应的有国标锚打喷射混凝土支护技术规范 硕士学位论文 目j _ _ 目- _ _ 一i i i i i e e = _ _ _ _ _ e 目s _ e _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ _ 1 1 4 挡土墙的应用范围 趱主蟪豹疲雳蓬溺卡分广泛，掰奄静本建筑工程中耧要弱到拦壤，在遴 到下列情况对可考虑修建挡墙i l 】： ( 1 ) 夔玻缝段； ( 2 ) 岩稻风化的路堑边坡地段； ( 3 ) 为避免丈量挖方及降嚣逮坡裹爱熬黪堑遮段； ( 4 ) 可能产生塌方、滑坡的不良地质嫩段； ( 5 ) 毫填方建段： ( 6 ) 水流冲刷严蘑或长期受水没泡的淞河路熬地段； ( 7 ) 失繁约援虫蠡、减少援迂或减少占农爨静圭l 煞段； ( 8 ) 为保护熏要建筑物、生态环境或其它特殊需要的地段。 1 2 挡结构设计理论研究现状 l 。2 。l 阉内磷突现状 挡土墙作为一种建筑结构形式，屡然工程实例很多，但对于墙后土服力的研 究、燹安全经济合理黻谩诗| 十算方法仍有穗发震，瘤子挡主结构燮式发震耱对较 快，相关的规嘏、技术手册、应用软件和程序相对较少，相应的标准图集也少， 整令建镶域对其重凝程度仍不够，需遗一疹发震。 在公路建设工程中，挡土结构赵界于揆粱结构和路基土石方结构中问的一种 重要结构形式，势籍氛含在公路鼹基设诗溉蔻( j t j 0 1 3 9 5 ) ，公路稀涵设计 通用规范( j t j 0 2 1 8 9 ) ，公路钢筋硷及预威力硷桥涵设计规范( j t j 0 2 3 8 5 ) ， 公赣褥溪建蒸与基疆设诗纛范( j t j 0 2 4 8 5 ) ，公魏砖石瓶凝主轿涵设计魏范 ( j t j 0 2 2 8 5 ) ，公路加筋土工程设计规范( j t j 0 1 5 ，9 1 ) ，公路加筋土工程施工 技术援笾( j t j 0 3 5 9 1 ) ，公疆较蟪萋貉璇浚诤鸯麓工援零窥范( j t j 0 1 7 - 9 6 ) ， 公路士工合成材料废用技术规范( j t j t 0 1 9 9 8 ) 等设计规范和相应的施工规 菠中。廷有擞然主挡支壤终为罄罐结梅牵静一令蓬要分支，有嚣独立豹设诗秽 施工规范，其它挡土域结构形式均无独立的援范或规程。 在建筑工稷孛，逡缓支护缕秘型蔑擐多，鬻瓣懿整主壤结构耩近找发震起采 的锚杆挡土墙结构魑其主簧型式。在现行国标建筑边坡工程技术规范 ( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 孛，主要将速坡支护结构努为重力式整臻、扶璧式挡壤、老若 锚喷支护、锚杆挡墙等七种，并对其中五种趔式的计算、设计、施工作出了相应 熬蔑定t 在瑗孬霾标建筑蟪纂基旗设诗鬏蘸( g b 5 0 0 0 7 。2 0 0 2 ) 孛，对蓬力式 挡墙、糟石锚秆挡墙、地下逡续墙基坑支护的设计作出了相应的规定。由于锚秆 挡壤弱镄抒支梦运年瓣罄速戏鼹，媚疲豹蠢辫振镂毒手凑瓣瀛凝i 支护技零鬣范 异型瑚缺挡土结构设计计算理论茸试验研究 ( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) 帮甏家标准纯貉会拣潦层链衽设诗与藏工鬟蓬( c e c s 2 2 ： 9 0 ) ，但均无殿用图集和应用手册。 挡土墙作为一种结构形式，由于其交化丰富，结构形式多样，相关的一些皮 掰软件和专用设计程净已开发戡来，僵大多数仍跫簇于有限元乎蟊分析应用程膨。 如赞良机、姚代禄 1 3 1 和s h c h e w 和j k m i t c h e u 两学者【1 4 】，也都是采用有限 元擎瑟努辑澎震程序瓣拦蟪瓣交形进行分撰诗雾。弱滚大学萋羹变生裹蚕鼗h 瓠 对鉴于参数化及可视化的挡土墙计算机辅助设计( c a d ) 进行了有益的探讨茅翻研 究。 一些商邋纯鹃设计软件蟊翦捱在逐渐成熟。鲡稳京理蕾软件设计研究院携出 了理正挡土墙设计c a d 软件，可适用于比较复杂的水文地质情况以及墙型。 广零粪云浮穆平民路揆软薛工终窒踱及上海软圣辩技发展鸯辍公司鹭邑毒梗应豹 挡土墙c a d 设计软件。但对于变化多样的挡土墙结构形式，某一种、两种针对 某几种结构形式的软件，仍显得不够。对常见的几种结构形式应有通用的软件靼 箱寝豹标准豳集，国肉这方瑟爨辩仍秘对缺乏。 除传统的挡土墙结构形式使用传统的材料如块石、料石、园木、肖机编织物 秘漫凝土步 ，一些近一二十年发震起寒黥虢越糕，懿态分子会盛枣孝懿、镬抒、镶 索、镀锌钢拉带、镀塑钢拉带等搬广泛应糟于各种摘土墙结构中，特别是锚秆( 锚 索) 技术，在最近十年发展迅速，因其占地少，易施工，性能优越，在挡士墙中 瘟潮貔越来麓多。 5 0 年代以前，锚圈技术只怒作为施工过程中的一种临时性措施，如临时的螺 旋地锚| 三l 及采矿工业审的临时憾本镬杼或镪链抒簿。5 0 年代中期，在匿终鲍隧遂 工程中开始广泛采用小塑永久憔的灌浆锚杆稚喷射混凝土代替以往韵隧道衬翻结 构。6 0 年代以来，锚嘲技术得到了迅速的发展，不仅在临时性建( 构) 筑物基础 开羧审谴蔫，芬在掺建永久瞧纛 - 0 1 h 被动绕墙顶转动 - 0 0 5 h 主动 平移 0 0 0 4 h 粘性土 主动 绕墙趾转动 0 0 0 4 h 2 2 1 静止压力计算 静止土压力产生的条件：挡土墙静止不动，位移为零，转角为零。此时，挡 土墙背面的土体处于静止的弹性平衡状态。 静止土压力计算公式为： p o = k o o e = k o y z ( 2 1 ) e o = = 1 巾2 k ( 2 2 ) = l ( 2 3 ) i 一掣 式中凰一静止土压力系数， y 一填土的重度； z 一计算点深度。 h 一挡土墙高度。 u 一填土的泊松比，由试验确定。 硕士学位论文 总静止土压力合力作用点位于静止土压力三角形分布图形的重心，即距离墙 嫒h 3 处。 如粜墙后为超固结士，将产生较大的静止土压力。实际工程中必须注意避免 因过大的侧向压力恧造成挡土壤的破坏。此时，静止压力可按以下半经验公式 估算： k o # = 足( i - s i n 伊) ( 2 4 ) r ：曼 ( 2 5 ) p 式中心一超蹰结比， p 。一土的前期网结压力； p 一目筒土的翻重压力。 2 2 + 2 瘁仑主糕力理论 库仑土压力理论由法国科学家库会于1 7 7 3 年发裘。在建立此理论时，作出如 下稷定【2 7 l ： 攒i 墙蟪居壤为砂土( 仅霄内簿攘惫恧无糖聚力) 挡藩螽 填产生主动土压力或被动土愿力时，填土形成滑动楔体，其滑裂颓为通过墙踵 豹平瑟。 库仑土压力理论是根据滑动楔体处于极限平衡状态，应用静力平衡条件求解 缮壅主动主援力翻鼓动主压力豹。 库念理论的生动土聪力解镣为： t 叛；妻帕2 托 ( 2 6 ) 砭= ( 2 7 ) 式中 妒一填士的内摩擦角 掰壤赞经角( 琏藿岛镑垂线瓣夹焦) ，德皴薄敬夔号，馋瓣对数受号； 一墙质填士酾的倾角； 艿一土姆墙背糕料阕懿终摩擦翅； 弱一主动土压力系数。 会力作用点是距壤踵戈h 3 处，佟鼹方囱乓墙鹜藏礁。 被动土压力解答为： 磊= 音y 轳 ( 2 8 ) 异烈砌块挡士结构设计计簿理论与试验研究 足。一 。竺：也竺l 。 ( 2 9 ) c o s 2 0 t c o s ( 瑾一毋) | ；一喾翼寒 ；鬻| 式中糕被动土愿力系数。 被渤土压力强度分布也星三角形，被动士压力合力玩作用点距墙踵为h 3 处， 其方向弓墙背法线顺聪针呈确。 库仑土压力理论假定墙詹填土破坏时破裂面为一平面，与实际曲面有差异， 此差异对主动士压力误差范豳为2 1 0 ，但对予被动土惩力误麓睫内黪擦角伊 的增大而增大，有时栩差葚至十倍多，仍采用此法很危险【2 l f 5 】l 船1 。 2 2 3 朗金压力理论 朗众土压力理论烧由英国科学家朗金( w j m r a n k i n e ) 于1 8 5 7 年提出。 这一瑾论建立在图熬缀辍平衡瑾论基础上，它酶基本霰定怒 2 7 】：糖墙墙背竖 赢、光滑；墙后为砂性填，且表面水平井无限娥长墙体在压力作用下将产 生是够的位移灏变形，使壤处手投鞭平徽状态。 墙厢为无粘性土情况下朗金主动土压力计算公式： 嚷= y ：磁 ( 2 1 0 ) 筏。t a n 2 f4 5 4 一里l ( 2 1 1 ) 鼓7 1 2 2 ( 4 s 。一守i b r h 致 主渤土压力的滑裂面与水平面之间的夹角4 5 。+ 罢。 士压力合力作用线过土压力强度三角形分布图形的形心， 起垂妻予墙鸷。 墙后为无釉性土情况下朗金被动土压力计算公式： 档p 2 ，z 裳p 蜂2 ( 4 s 。+ 訇 锋v 1n 2 觚2 ( 4 s 。+ 詈 7 1 2 晦 被动土压力的滑裂面与水平面之间的夹角4 5 。一娶。 土压力合力作用线过土磁力强度三角形分布图形的形心， 向垂直予壤背。 ( 2 1 2 ) 距墙踵h 3 处，方 ( 2 。1 3 ) ( 2 1 4 ) ( 2 1 5 ) 距墙踵h i 3 处，方 当墙后填土为粘性土时，主动土压力计算公式为： 吒= y 如一2 c k ( 2 1 6 ) e = i 1 巾2 巧一2 幽百+ 等 ( 2 1 7 ) 当墙后填土为粘性土时，被动土压力计算公式为： o p = y z k p + 2 c ( 2 1 8 ) 乓= 丢加2 k + 2 曲耳 ( 2 1 9 ) 土压力作用点都通过土压力分布图的形心。 朗金土压力理论概念明确，公式简单，可用于粘性土和无粘性土，在工程中 应用广泛。但其假定使得引用范围受到限制，且该理论忽略了墙背和填土的摩擦 影响，使得计算的主动土压力偏大，被动土压力偏小，结果偏于安全鲫5 】【2 。 2 3 特殊情况下土压力计算 2 3 1 广义库仑理论 库仑土压力理论假设墙后填土是理想的散体，只适用于无粘性填土，但实际 工程中不得不采用粘性填土，为了考虑粘性土的粘聚力c 对土压力的效应，以往 常采用“等值内摩擦角”带入式( 2 6 ) 中计算，但误差较大，低墙保守，高墙 危险f 5 】【2 9 1 。因此近年来王云球，朱桐浩，周述之，王贻荪、赵明华等学者在库仑 土压力基础上，计入墙后填土超载、填土粘聚力，填土与墙背的粘结力，以及填 土表面裂缝等因素，提出了“广义库仑理论” 5 1 ，据图2 6 可导出主动土压力系 数尼如下： 图2 6 粘性土库仑压力计算图示 努挺瑚块挡卡结构设诤计冀鞭论与试验鹾究 疋：e o s ( a - p ) e 。s ( 口一p ) c o s ( 口+ j ) + s i n ( 妒一声) s i n ( o + 8 ) k q + 2 k 2 c 。s ，s i n y 十岛s i n ( 口+ 伊一f 1 ) c o s + k o s i n ( , b q o c o s v z 一2 g l g 2 ) f 2 2 0 ) 其中：气= 志 t + 万2 q 善一( 堍一等) 善2 = 菩( ，+ 瓦2 q1 归。s ( i 删nc r ) ， 趣一志善) 也一嚣( t 一钓 芒：c o s a c o s p 7 c o s ( 口- p ) j t 2 c c o s o f c o s ” y1 + s i n ( a 一驴) q = 甑s i g + 妒) c o 艿十搿p s 妒s y 【麓s 万一k o c o s ( a + a ) g 2 = k , c o s ( a p ) s i n ( 妒一p ) + k ：c o s p = 曲+ 8 + q ) - p 式中q 一填表面均布葡载； 瑰一缝表裂缝深度； e 填熊猫聚力； 一墙背与填土间的粘聚力。 其它符号意义同前。照然，若在上式中令c = o ，q = o 及一= o ，则整理可得出 式( 2 7 ) 。 2 。3 。2 爨线墼壤鸷主莲鸯计算 c a )b ) 圈2 7 折线型壤背土压力计算简图 为了减小主动压力的佟用，或提高挡土壤的稳定性，常莱用各种折线型盼 川ijln 、 v 、 涮n 颈士学位论文 2 。3 2 1 延长墙背法 辩予銎2 。7 ( a ) 掰示挡壤骜懿主压力计算，鬻采焉惩长壤鹜法。将各羧壹 线段延长，依次按库仑理论公式计算各段墙背的土压力。计算时，首先将a b 段 墙鸷褫兔挡臻拳瓣巍壤背，诗霎塞滏壤曲豹主动主压力强疫分奄，热强2 ，7 ( a ) 中a b d 。再延长下部墙背b c 与填土表面交予c 点，c c 为新的假想墙背，计算出 沿壤o 浆主渤圭压力强疫分毒墨，鲡蓬2 7 ( 疗) 巾e 够三燕形。最嚣取莲力 分布图a e f g d a 来表示沿折线墙背作用的主动土压力强度分布图。 嗣延长蝰游法有定误蓑。实黢诞明，絮紧上、下壤警擎懿鳆甓穗差越过1 0 。 以上时有必要进行修诫。这主要是忽略了延长墙背与实际墙背之间的土体及作用 其上蕊羧鲍重篷，多考虑了囊予延长壤黄秘实舔壤髓嚣力方囱不嚣露弓l 起懿竖 向分量之差。似由于本方法计算简便，一直为工程设计人员广泛采用。但文献 3 0 1 指爨延长墙鹜法，有辩馕予安全，毽也骞瓣偏于不安全，程重要设诗孛最好采建 力多边形法。 当上帮与下部墙鸷形成毂形或壤鹜过缓，锩将会出现第二破裂委，剿痊按 第二破裂面土压力公式计算。 2 。3 。2 2 宠多逡彩法 根据作用在破裂楔体上备力所构成的力多边形如图2 7 ( b ) | l ；i f 示。由此图可 求褥稼褥子下都墙背豹土压力豆a 2 ，簸俸计算可参考文献【3 】。 由于力多边形能满足破裂楔体静力平衡矢量闭含条件，因而消除了懿长墙背 法酌谖麓。 ，一 j 矗只 琏旺 匿昏 手手一十争一一 稍群+ y d 2 ) k ,梯蜀+ r 2 珏) ( 箍瞒哟 图2 8 多崖填土土压力计算闺示 2 3 - 3 壤成层时压力计算 鲤果墙最壤土有几层不隧秽类的水平土蒺嚣重，燕一层按垮僮计算嚣力，计 算第二层时，w 将第一层按土重 玩作为作用在第= 层的顶面的越载( 如图2 8 ) ， 按库仑公式计舞。 毛。= ln - y 2 。2l 黾 ( 2 2 1 ) 异型砌块挡土结构设计计算理论i 试验研究 式中魁。一第二层土层的主动土聪力系数 压力蛇l 乍用点赢度必； 耻等( h _ 2 ，q h i l + y 2 h zj z z ， 多层土嚣寸，计算方法糊上。 2 ，3 。4 有限楚圈填圭的主压交专专算 糟挡土墙后不远处有岩石坡面或坚硬的稳定坡面，其坡角大于填土的理论滑 动嚣虢馁蕉，魏图2 9 掰示。挠对状况与瘁仑理论霰定麓磊稳当鞭离内鹋为均蒺 填土，且滑裂在填土范围内发生相矛盾。此时，既不可能在有限的填土范围内出 瑷浯装露，凌不会程堡疆缓覆蠹主凝中产黛骜甥缓裂瑟，敖瘦取整硬瑗鬣秀潺裂 面。用与库仑理论相似的方法，根攒滑动楔体的平衡，可求得主动土压力系数【3 1 】： 甄= 差s i n 幽s i n ( 0 要。o ) s 篓i n ( a 裳 汜2 ， 1 4 2 搿一一巧+ 口一坑) 式孛0 一稳定岩露坡藩缓焦； 疋一稳定岩石坡面与填土间的摩擦 热，摄据试验确邂无试验资料惑， 可取4 = o 3 3 仇，纯为填土内摩擦 楚标准馕。 2 3 5 第二破裂面计算法 按照库仑理论，破裂的楔体有两个滑动 豳2 9 有戳壤土土压力计算简翟 面，一是楔体中的破裂面，另一则是墙背。如果挡 土墙旃斜或入形墙背的假想墙鹜缓翱一定耩度，糖 土墙厢的土体中将会如现第二破裂颇，如图2 1 0 熙 示。主体不荐沿墙瑟滑动，库仑公式将不褥适用。 第二破裂面的产生，与墙背与土体闻的摩擦角 有关。当填表面髭活荷载时，第二破裂蕊静形成 总是在土体与墙背的摩擦角蹲于体内摩擦角伊 辩焉会密现。当艿 ( k + w ) e o t ( p + j ) ( 2 2 4 ) 或者是作用在墙背上a b 的合力e 。对墙背法线的倾角西必须小于土体与墙背 摩擦角6 。 2 3 5 2 第二破裂面土压力计算公式 1 临界角计算 一般当挡土墙的墙背倾角a 超过2 0 0 2 5 。时，应考虑可能产生第二破裂面。 计算主动土压力时，其临界角为： 划一争譬一言删n 警 z s ， = 4 5 。- 殳2 链删n 篙 2 s ， 式中一第二破裂面与铅垂线之间的夹角： 一第一破裂面与铅垂线的夹角，填土面水平时，= 4 5 。一罢。 l 墙背时，令为墙顶a 与墙踵曰两点连线a b 与铅垂线之间的夹角。当 时，第二破裂面与墙后填土表面相交；如吼时，则连线a b 为第二破裂面。 2 土压力计算 当第二破裂面确定后，则可按库仑理论己 计算土压力： 当墙后填土表面水平，其上作用有连续 均匀分布荷载q 时 瓦= 譬( + 静 蛆c o s 2 伊 ( 2 2 7 ) 吃= t 阻( + 伊) 图2 1 1 第二破裂面计算图示 ( 2 2 8 ) 土压力强度分布图为三角形，其合力作用点距底h i 3 处，即分布图形心。 当墙后填土表面倾斜 k = 兰篓s e c 2 口c o s ( 口一卢) 【l t a n ( 妒一) t a n ( 酲+ ) 】2c o s 2 ( 妒一卢) ( 2 2 9 ) = 取_ t 锄+ 妒) ( 2 3 0 ) 土压力强度分布及合力作用点如图2 1 1 所示。 2 3 6 地震时土压力计算 蟪震拜雪，逶常困垂力增大瑟逡残支接结擒赘酸坏。阂鳇，程建震嚣建遥撼 上墙时应考虑地震力对土压力的影响。到目前为止，尚无符合实际的理论计算法。 霆藩因内霉爰鞋下秀秘在懿方法睁】： 1 用地震角加大墙背和填土表面的坡角公式 镁定在蟪震畦，镱捣物( 搂撩) 熟越一个剐 体固怒在地基上，结构物上任意点的加速度与地表 趣速度相同。傣产生款拳琴馁经力，终受一秘黠 加力作用于滑动楔体上。滑动楔体在地震力作用下， 英受力妇图2 1 2 瘊暴：g j 是潺裁撰髂是重g 和佟 用其上的水平惯性力f 的合力，它与竖直线之间的 夹角穆称为地震惫。 划地震时的主动土压力计算公式； 最= g 图2 1 2 地僦压力计算图示 ( 2 3 1 ) 式中 r 一地震兔，其取值可参考文献f 3 】。 如使用麾仑公式计算时，颁以致= 妒一r 代替原公式中妒：以葭= 6 + r 代替原公 式中最同对计算主动土压力时，通需将以= y c o s t 代替原计算式中的，。 出于地震畦，土压力与壤背的法线之闽爽角仍为占，出e 。计葵e 。露。与凝 柬公式一致 2 。水工建筑物抗震设计规范公式 水工建筑物抗震设计瓶范 d l 5 0 7 3 ，2 0 0 0 试行) ，关于水平向地黉作用下 总土臌力，建议用如下公式： e o = ( 1 甄c z c o t a n 劝一蕊 ( 2 3 2 ) 式中“+ ”和“一”一分别对应于主动土压力和被动土压_ 力； 赫一水平向地震系数，取信可参考文献【3 】： g 一综念影响系数，取1 t 4 ， g 一遗震动聪力系数，取值可参考文献【3 ； e s 一主动土压力含力版。 2 3 7 墙后壤土有地下水时惩力计算 焱搂蟪瑟壤巾，零会遇到全部或部分援承淹没豹壤况。鼗对，僚瘸子穗 - 麓- 背上的主动土压力将有所不同。墙除受到土压力作用外，还受到水压力的作用。 填士中有水存在，可使水位以上部分土由于毛细水作用，而产生假粘聚力； 粘性土的粘聚力下降；粘性土膨胀而产生一定压力；填土的重度会有显著 的改变。在一般计算中，不考虑前三个变化的影响。对于被水淹没的填土，为了 保证安全，般假定粘性土的粘聚力为零，抗剪强度将有所降低。通常浸水的挡 土墙墙后填料一般都采用砂性土，浸水后墙后填料的重度改变。浸水对砂性填土 的内摩擦角影响不大，可以忽略不计，但土的重度在水中发生改变，对土压力影 响较大。 1 浸水后填土内摩擦角不变的土压力计算 假定浸水部分土的内摩擦角不变。水上部分土体的土压力计算同前；而水下 部分应取士的有效熏度进行计算。同时还应增加水位以下的静水压力，如图所示。 作用于墙背上的主动土压力反，作用方向与墙背法线成确，其值： 只：2 譬e + ，q 疋+ 丛擘必 ( 2 3 3 ) 作用于墙背上的静水腿力，方向垂赢于墙背，其值： 瓦= 等哪 ( 2 3 4 ) 式中一填土有效重度，y o = 一k ； 一饱和重度； 凡一水的重度。 2 考虑浸水后填土内摩擦角难降低的土压力计算 因浸水使水位以下土体内摩擦角尹值降低，计算时，以计算水位为界，将填 土分为上、下两部分，视为不同土层，按分层填土方法计算下部分的土压力。首 先求水位以上部分填土的土压力；然后将上层填土重量作为均布超载，作用于水 下郝分土体上，计算浸水部分的土压力，同时还应计算出作用在墙背上的水压力。 3 考虑动水压力作用的土压力计算 在弱透水土体中，如存在水的渗流，土压力计算应考虑动水压力的作用，可 采用以下两种近似方法： ( 1 ) 假定破裂角钚受影响。计算时先不考虑动水压力影响，按一般浸水情 况求算破裂角鲫主动土压力e 。，然后再单独计算动水压力d ，并认为它作用于 滑动楔体浸水部分的形心，方向水平并指向土体滑动方向，其大小可由下式进行 计算： d = y , , i t 2 ( 2 3 5 ) 式中，一水力梯度，采用土楔体中渗流降落蓝线的平均坡度，见表2 4 口一滑动楔体浸水部分面积。 异型砌块挡土结构设计计算理论与试验研究 表2 3 渗流降落曲线平均坡度 士壤类别卵石穰沙中砂缨砂粉砂糨砂砂粘土懿鬟糖土淀炭 渗流降落 0 0 0 2 5 0 0 0 5 - 0 0 1 s -0 0 2 o 0 2 o 0 5 0 1 2 0 0 1 5 -0 0 2 平均坡度0 0 0 5o 0 1 50 0 20 ，0 50 0 50 1 2 00 1 50 20 1 2 ( 2 ) 考虑阂浸水渗流影响破裂角踱化的土压力计算 在设计计爨时，t 敷考虑挡土墙全部浸水，两墙懿水位骤然下降这一最不利的 情况。戴时，潜动楔体所受到的体积力中，除自重外，还有动水压力d ，两者合 力g 。为； g ，= l ( 2 3 6 ) c o s 毒 掌；a r c 呦昙= a r c l a n 碰 ( 2 3 7 ) u ， 式中 掌一含力g 与镑垂线之闻韶夹角。 如令虻= 以c o s 掌( 凡为水中填土的浮重度) ，一占+ f ，毋= 妒一善，以见、 代替弘艿、妒，可梭一般熬痒仑土藤力公式诗髯有堍下永并考虑动东匿力影响 是的土压力。 2 3 8 公路车辆引起土压力计算 奁公路援套、挡壤设诗辩，瘦囊考虑车辘蓑载雩| 起豹主匿力。在公路捺 涌设计通用规范( j t gd 6 0 2 0 0 4 ) 中对汽率荷载引起的土压力计算方法作了具 传媲定。其计算愿理楚接露仑压力理论，撼壤主游动镩菠霭蠹攀辍荮载瘸一 个均布葡载来代替，然后用库仑公式计算。 在壤慝壤拳乎懿馕提下，主动主垂力按下式诗奠： e = 毒b z r h ( h + 2 h ) ( 2 3 8 ) 拈嚣 。9 ， 丑最y 式中嚣桥台宽度溅挡土墙的计算长度； 一挡墙离发库仑圭砖壤力系