（道路与铁道工程专业论文）新型山区支挡结构设计与应用程序开发.pdf

摘 要 摘要 近年来，随着公路、铁路和城市建设的加快以及西部大开发战略的实施，在 工程建设中支挡结构显得越来越重要，在西部山区的应用也越来越广。由于西部 山区地形复杂，地势高低起伏，支挡结构的采用将是不可避免的。目前应用在山 区公路上的支挡结构形式单一，占地面积大，造价高，不太符合安全、经济、高 效的现代设计理念，而且且前专门用于公路支挡结构设计的软件很少，因此对新 型支挡结构的设计与程序开发已经引起工程界的普遍关注。 本文探讨了挡土墙的作用、形式、应用现状、研究现状及发展趋势。选择山区 公路、铁路和城市边坡中使用较广、经济性较好的三种填方支挡结构悬臂式 挡土墙、扶壁式挡土墙和桩板式挡土墙进行研究。首先，对挡土墙的土压力计算 进行了分析和总结，确定了三种挡土墙的土压力计算方法。其次，确定挡土墙各 个构件的计算模型和计算荷载，由此进行内力分析，计算出结构内力。最后，采 用v i s u a lb a s i c 编制了三种填方支挡结构的设计程序，对挡土墙稳定性进行验算， 并根据结构内力进行配筋设计。本论文主要研究成果是：( 1 ) 对路基手册( 第 二版) 的库伦土压力公式进行校正；( 2 ) 对北京理正的相关软件指出了部分不足 和错误，并编程弥补这一不足：( 3 ) 编制程序计算并设计三种支挡结构，减轻土 木工程师的繁重设计任务，为其提供便利。 关键词：支挡结构：悬臂式挡土墙；扶壁式挡土墙；桩板式挡土墙；程序开发 a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h er a p i dc o n s t r u c t i o no fh i g h w a y , r a i l w a ya n dc i t yi nr e c e n ty e a r sa n dt h e r a p i dd e v e l o p m e n ti nw e s t e r na r e a s ，s u p p o r t i n gs t r u c t u r eb e c o m em o r ea n dm o r e i m p o r t a n ta n du s e dw i d e l yi n w e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a s s u p p o r t i n gs t r u c t u r e i s i n e v i t a b l eb e c a u s eo fr u g g e dt o p o g r a p h yo fw e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a s a tp r e s e n t ，t h e f o r m so fs u p p o r t i n gs t r u c t u r ea p p l i e di nw e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a sa r ec o m p a r a t i v e l y s i n g l e ，a n dt h ef l o o ra r e ai sb i g m o r e o v e r , t h ec o s ti sh i g h ，w h i c hd o e s n tc o n f o r mt ot h e m o d e md e s i g ni d e at l l a ti ss a f e ，e c o n o m i ca n de f f e c t i v e s ot h ed e s i g no fn e w s u p p o r t i n gs t r u c t u r ei nw e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a si sd r a w i n gt h ee n g i n e e r s a t t e n t i o n m a n ya s p e c t so fr e t a i n i n gw a l ls u c ha s i t sr o l e ，f o r m ，e x i s t i n gc o n d i t i o no f a p p l i c a t i o na n dr e s e a r c ha n dt h et r e n do fd e v e l o p m e n ta r ed i s c u s s e di nt h i sp a p e r t h e t h r e es u p p o r t i n gs t r u c t u r e si sc a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l l ，b u t t r e s s e dr e t a i n i n gw a l la n d s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l l ，w h i c ha r eu s e dw i d e l yi nr e t a i n i n gs t r u c t u r e sa n da r ea l s o c h e a p e ri nt h es u p p o r t i n gs t r u c t u r e so fm o u n t a i nh i g h w a y , r a i l r o a da n dc i t y s ow e c h o s et h e mt oc a r r yo u td e s i g na n dp r o g r a m t h ef i s tw o r ki st oa n a l y z ea n ds u m m a r i z e t h es o i lp r e s s u r eo ft h er e t a i n i n gw a l l s ，d e t e r m i n e dt h ec a l c u l a t i n gm e t h o d so ft h et h r e e k i n do fr e t a i n i n gw a l l s s o i lp r e s s u r e t h e n ，d e f m et h ec a l c u l a t i n gm o d e la n dt h e c a l c u l a t i n gl o a do fe a c hm e m b e ro ft h er e t a i n i n gw a i l s ，b a s e do n ，w ec a nc a r r yo u t i n t e r n a lf o r c ea n a l y s i sa n dc a nf i g u r eo u tt h ei n t e r n a lf o r c eo fs t r u c t u r e f i n a l l y , i p r o g r a m m e df o rt h er e t a i n i n gw a l l si nv i s u a lb a s i cl a n g u a g e ，c h e c k e dt h es t a b i l i t yo f t h er e t a i n i n gw a l l s ，a n di n s t a l l e dt h er e i n f o r c i n gb a ra c c o r d i n gt ot h ei n t e r n a lf o r c eo f s t r u c t u r e i nt h i sp a p e r , t h em a i na c h i e v e m e n t sa r ea sf o l l o w e r s ：i ) r e v i s es o m e f o r m u l a so fc o u l o m b ss o i lp r e s s u r et h e o r yi nr o a d b e dh a n d b o o k ( v e r s i o ni i ) ；i i ) p o i n t o u ts o m em i s t a k e sa n ds h o r t a g eo fs o f t w a r e ，s u c ha sb e i j i n gl e a d i n gs o f t w a r e ，a n d p r o g r a m m et or e m e d yt h ed e f e c t s ；i i i ) p r o g r a m m et oc a l c u l a t ea n dd e s i g nt h et h r e e s u p p o r t i n gs t r u c t u r e s ，l i g h t e nt h ed e s i g nt a s k so fc i v i le n g i n e e r s ，p r o v i d ec o n v e n i e n c e t o t h e m k e y w o r d s ：s u p p o r t i n gs t r u c t u r e ；c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l l ；b u t t r e s s e dr e t a i n i n g w a l l ；s h e e t - p i l er e t a i n i n gw a l l ；p r o g r a md e v e l o p m e n t 重庆交通大学学位论文原刽性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究工 作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或 集体已经发表或撰写过的作品成果。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结果由本人承担。 学位论文作者签名：兹目茏雎l 日期：劬。占年牛月g 同 重庆交通大学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。 本人授权重庆交通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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于， 不保密 6 m ) 时，较悬臂式挡土 墙经济。 ( 5 ) 地下连续墙式现浇混凝土挡土墙 从其工程分类上讲，虽不属于挡土墙范畴，但其计算理论和所起的作用或目的， 仍是挡土墙。该结构形式不仅能起到挡土作用，同时能起到防渗、截水、承重、 防冲和抗滑等作用。由于施工机械和工艺较复杂，目前国内采用不普遍。 ( 6 ) 倒t 形桩基础现浇混凝土挡土墙“1 基本上同于地上连续墙式挡土墙，只是根据地基支承条件，为达到更好的效果， 第一章概述3 满足更大的抗剪、抗倾覆，抗滑移的要求，采用桩基础，其上现浇混凝土挡土墙。 该形式多用于一侧临山，另- - n l 隹水或沟壑的特殊地形，又不利于架桥，亦不利 于修隧道等结构形式的地区。 ( 7 ) 连拱挡土墙 连拱挡土墙是水利工程的连拱坝在挡土墙结构上的具体运用，它由水平拱板、 竖向拱板、支墩三大部分组成，其高度可不受限制，跨度可灵活运用，国内已建 成的连拱坝高度已超过1 0 0 m ，设计、施工经验比较成熟。 ( 8 ) 加筋土挡土墙n ， 加簸土挡土墙是二十世纪六十年代发展起来的一项土木建筑新技术，国外在 七十年代末以前采用条带式加筋土挡墙。美国在八十年代修建了包裹式加筋土挡 墙，8 4 年采用t c n s a r 塑料拉伸土工格栅修建加筋土挡墙，8 6 年起土工格栅加筋土 在美国普遍采用，用于加筋土挡墙等，目前土工格栅加筋士挡墙在欧美广泛应用。 七十年代中，我国引进加筋土技术后，在公路、铁路等工程中先后应用，1 9 7 9 年 云南省田坝矿区修建了我国首座条带式加筋土挡墙贮煤仓，起初条带用打包带， 以后采用聚丙烯土工带及钢筋混凝土带，随着全国高速公路的修建，出现了钢塑 复合带。我国大部分是条带式加筋土挡墙，土工格栅加筋土挡墙现正逐渐应用。 ( 9 ) 锚杆式挡土墙 它由锚杆和钢筋混凝土墙面组成。锚秆一端锚固在稳定的地层中，另一端与墙 面连接，依靠锚杆与地层之间的锚固力( 即锚杆抗拔力) 承受土压力维持挡土墙 的平衡。土石方和圬工量都较少，施工安全，较为经济。适用于墙高较大，缺乏 石料的地区或挖基困难的地段，具有锚固条件的路堑墙，对地基承载力要求不高。 ( 1 0 ) 锚定板式挡土墙 由锚定板、拉杆、钢筋混凝土墙面和填土组成。锚定板埋置于墙后的稳定土层 内，利用锚定板产生的抗拔力抵抗侧向土压力，维持挡土墙的稳定。基底应力小， 圬工数量少，不受地基承载力的限制，构件轻便，可预制拼装、机械化施工。适 用于缺乏石料的路堤墙和路肩墙，墙高时可分级修建。 ( 11 ) 桩基托盘梁挡士墙 桩基托盘梁挡土墙是一种由基桩、托梁及挡土墙组成的复合结构来稳定土体 的挡土结构。它扩大了一般圬工式挡土墙的使用范围，当地面陡峻或地表覆盖为 松散体、迎表稳定性较差时，采忍桩基托盘粱挡琏可将基底置于稳定土层中， 以节约上部挡墙截面，节省圬工，减少对坡体的干扰。桩基托梁挡土墙一般用在 地基承载力不满足需要的地段，当地面陡峻或地表覆盖层为松散体时，采用桩基 础将基底置于稳定地层，挡土墙墙高控制在1 2 m 以下，托梁底一般置于原地面。 ( 1 2 ) 土钉式挡土墙 第一章概述4 它由土体、土钉和护面板三部分组成。利用土钉对天然土体就地实施加固，并 与喷射混凝土护面扳相结合，形成类似于重力式挡土墙的复合加强体，从而使开 挖坡面稳定。对土体适应性强、工艺简单、材料用量与工程量较少，可自上而下 分级施工。常用于稳定挖方边坡，也可作为挖方工程的临时支护。 ( 1 3 ) 桩板式挡土墙 它由钢筋混凝土锚固桩和挡土板组成。利用深埋的锚固段的锚固作用和被动抵 抗侧向土压力，从而维护挡土墙的稳定。适用于岩质地基、土压力较大、要求基 础深埋的地段，墙高不受挡土墙高度的限制。开挖面小，施工较为安全。2 0 世纪 7 0 年代初在枝柳线上首先将桩板式挡墙应用在路堑边坡中，后来在南昆等线上应 用到路堤中。 ( 1 4 ) 预制块件现场拼装式挡土墙 限于国内工业化水平和标准化程度，此结构形式目前国内较少采用。但在日 本，其形式多样，变化丰富。目前流行的有：一是加筋土挡土墙。如前所述，预 制的混凝土面板配拉带式的加筋土挡土墙，就属其中之一，多用于路堤，单阶高 达1 6 m 。二是格栅拼装式挡土墙。多用于路堑和山区，背后填鹅卵石或碎砾石，具 有啮合性能好，抗滑性能好，透水性好，结构块件小，易拼装，易随地形、地势 变化，美观等优点。因表面倾斜度易调，可建高达2 0 m 的结构。三是预制单元、 平面或阶梯拼装式挡土墙。具有整体性好，整齐易拼装，表面易装饰美化，表面 斜度可调整等优点，用于路堤，亦用于路堑，建筑高度l o r e 以下，比较经济。四 是预制带流水槽单元拼装式挡土墙。由于其整体性极好，预制单元质量好，强度 高，在低路堑和矮路堤区段，采用非常普遍，同时省去路边沟或流水槽的施工工 序，很受欢迎，适用高度为0 5 2 ，o m 的路堤和路堑区。五是人字形预制拼装式挡 土墙。由于其自身像“人”字一样的结构形式，能自立，故称为人字形挡士墙。 单元块件稳定性好，单元预制件强度高，又极具组合性，可拼装施工，坡度可调， 正逐渐广泛用于高路堑和高路堤的挡土工程中。由于自身受力合理，拼装后的结 构形式形成了一定的斜度，趋近土壤或山体破裂面，结构自身受外力小，稳定性 很好。 ( 1 5 ) 山体固定式挡土墙 在新开挖后破碎的山体表面，打钢缆锚或混凝土桩式地锚，表层喷附混凝土砂 浆固定或铺钢丝网临时固定，再现浇网格式钢筋混凝士劲肋骨架固定山体。在未 被混凝土覆盖的网格中间，种植草籽，形成绿化区，起到水土保持、绿化作用， 同时可淡化全部是混凝土结构的冰凉感觉和灰色感觉。 ( 1 6 ) 现浇混凝土表面全部美化的墙式结构挡土墙“3 该结构形式主要用于高速公路两侧，城镇区附近，旅游区道路，或示范路段， 第一章概述5 由于它比普通现浇混凝土墙式挡土墙造价高，工艺复杂，一般建筑高度为3 6 m 范围。它需要一层表面美化装饰图案模板，该模板可重复使用，也可以是一次性 的贴在普通模板内侧，混凝土成形凝固后，剥除表层这套模板，即得到期望的图 案。 ( 1 7 ) 复合型挡土墙 复合型挡土墙包括预应力锚索一钢筋混凝土格构梁、预应力锚索抗滑桩、锚杆 挂网喷射混凝土支护、树根桩挡土墙等新型挡土墙结构。 1 3 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的建设，使人们不得不关注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。 随着西部大开发的实施，基础设施建设的加快，山区道路建设和山区城市建设 对西部大开发越来越重要。在建设中，不可避免的要支护边坡，做挡土墙结构能 使其稳定。而且挡土墙结构的形式也越来越多，很多不是很高的挡土墙就直接用 砌体结构，不仅形式美观而且还提高了施工效率，使挡土墙与周围环境融合为一 体。髫前，出于人们的设计习惯及使用经验等原因。国内使用较多的是：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。部分城市立交路已出 现表面装饰美化过的混凝土挡土墙。随着经济发展，建设项目增多，对道路和环 境景观美化要求的提高及施工技术和标准化程度的提高，可以使结构受力更合理， 外形更美观。 1 4 本文的主要工作 本文探讨了挡土墙的作用、形式、应用现状、研究现状及发展趋势。选择山区 公路、铁路和城市边坡中使用较广、经济性较好的填方支挡结构扶壁式、悬 臂式挡土墙和桩板式挡土墙结构进行程序设计，使这些支挡结构的设计计算更加 简单，便捷，并且符合新的公路路基设计规范( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) “1 。首先，对挡土 墙的土压力计算进行了分析和总结，确定了三种挡土墙的士压力计算方法。其次， 确定挡土墙各个构件的计算模型和计算荷载，由此进行内力分析，计算出结构内 力。最后，采用v i s u a l b a s i c 编写了三种填方支挡结构的计算程序，对挡土墙稳定 性进行验算，并根据结构内力进行配筋设计。 第一章概述 6 本论文的主要工作是： ( 1 ) 对路基手册( 第二版) 的库伦土压力公式进行校正； ( 2 ) 对北京理正的相关软件指出部分的不足和错误，并编程弥补这一不足； ( 3 ) 编制程序计算并设计三种支挡结构，减轻土木工程师的繁重设计任务，为 其提供便利。 第二章挡十墙土压力计算 7 第二章挡土墙土压力计算 挡土墙的主要荷载是土压力，土压力的理论计算始于1 7 7 3 年，库伦 ( c a c o u l o m h ) 发表了以滑裂土体整体极限平筏为条件的著名土压力理论，其后 1 8 5 7 年朗肯( w j m r a n k i n e ) 又发表了以微分土体极限平衡为条件的朗肯土压力 理论。此后许多学者，如太沙基( k ，t e r z a g h i ) 、契波塔廖夫( t s c h e b o t a r i o f f ) 、 皮克( r h p e c k ) 、毕晓普( a b b i s h o p ) 、罗威( p w r o w e ) 等，对土压力的计算理 论及方法进行了研究，扩展了库伦和朗肯土压理论的适用范围，并且提出了许多 新的计算方法和计算理论，如极限平衡理论、能量理论、水平层计算方法、土压 力的空间计算理论等，使土压力的计算方法和计算理论渐趋完善和合理。 由于公路路基设计规范( j t g d 3 0 2 0 0 4 ) ”3 规定作用在墙背的主动土压力应按 照库伦理论计算，故本章只介绍库伦土压力理论。 2 1 库伦土压力 2 1 1 概述 计算土压力的理论和方法很多，目前应用最广泛的是库伦理论。1 7 7 6 年库伦 提出，当挡土墙在外力或填土的作用下产生位移或变形，墙背面填土形成楔形滑 裂土体，滑裂体内的土体处于整体极限平衡状态，滑裂体以外的土体仍处于弹性 状态，此时根据滑裂土体上作用力的平衡条件，即可求得土压力。当挡土墙向背 离填土的方向有位移或变形，滑裂土体将向挡墙方向滑动，此时滑裂土体对挡 土墙的压力，称为主动土压力；当挡士墙向填土方向有位移或变形，滑裂土体将 沿滑动面向上背挤出，此时滑裂土体对挡土墙的压力，称为被动土压力。 、 库伦士压理论的要点： 假想墙背填料为匀质的无粘性散粒体； 当墙身向外移动或绕墙趾外倾时，墙背填料内会出现一个通过墙踵的破裂 面，假设此破裂面为一平面，破裂面上的摩擦力是均匀分布的； 填土表面为水平面或倾斜面； 挡土墙墙面为一平面，也是一个滑动面，填土与墙面之间存在摩擦力，摩 擦力沿墙面的分布是均匀的； 土压力问题是一个二维问题( 平面问题) ，可以取单位墙长来进行计算； 破裂面上的土楔，视作刚性体。根据静力平衡条件，确定此土楔处于极限 平衡状态时给予墙背的主动土压力( 如图2 1 所示) ： e = g s i n ( 9 0 。一目一p ) s i n ( 0 + 1 l f l ( 2 1 ) 式中： 第二章挡土埔土压力计算8 g 土楔重( 土楔上有荷载时，包括荷载重) ； 目破裂面与垂线的夹角，称作破裂角： 妒土的内摩擦角： _ i l r 1 l ，2 q o + a + 5 ； 口墙背的倾角，仰斜时口取负值，俯斜时口取正值 占墙背与填料间的摩擦角。 图2 1 库仑基本公式的计算图示 通过墙踵假想若干个破裂面，其中使主动土压力值达到最大的那个破裂面 即为最危险的破裂面。由此可按下式： d e ：0( 2 2 ) d o 这一条件求得破裂面的位置和主动土压力值。 库伦理论的适用范围： 库伦理论虽有不够完善之处，但概念简单明了，适用范围较广，可用于解 答各种墙背情况( 但必须为平面或近似平面) ，不同墙后填料表面形状和荷载作用 情况下的主动土压力。 库伦理论较适用于砂性土，计算所得主动土压力值与实际情况较接近。库 伦理论应用于粘性土时，以破裂面为平面代替曲面的假设所引起冉勺计算误差并不 太大。但是影响粘性土强度的不定因素很多，难于为之确定恰当的抗剪强度计算 指标；同时也缺乏计算粘性土压力的实践经验。 库伦理论仅适用于刚性挡土墙。柱板式、锚杆式和锚定板式等柔性挡土墙， 目前尚无成熟的理论和方法计算土压力。 2 1 2 主动土压力公式 以库伦理论为基础，按墙后填土表面的形状和车辆荷载分布情况的不同，由式 ( 2 1 ) 和( 2 2 ) 推导出各种情况下的主动土压力计算公式，列于表2 1 。表中所 列为俯斜墙背( a 为正值) 的公式。墙背垂直时，以o r = 0 代入即可。墙背仰斜时， 以a 为负值代入公式即可。路堤墙及荷载为条状均布时的土压力分布图，系按下 述假定绘制而成：墙顶上填土及条状均布荷载向墙背扩散压应力的方向，平行于 破裂面。土压力作用点，即按土压应力分布图的图形重一t l , 定出。 啦 l 3 靶4 毽 鼬 吲 毪g 荤亘 咎量 ! 骨 ：寸霄i 殛 寸二二 ：c 仝 i i 毽 董 蕃享i 重譬誊? 苇滕苇 一 碧造i出 连导 黑 吣 q 毽 + i 一毽 8 e 百 警 毽宴 里 g 嚣 哂 + +警啕 芎 3 旦4 - n 磊 鲁 蠢g3 。_ 土 苌查鼍 ： 寰 ： 毽 翌8 督 j 3 蔷 皂对 幅 + 印 s 土单 h 吣 冬 3 麓 q皇 x ln i s i i ； 瞄； 蜮 o r n 墁 r 出l i i 屯 盎_ 摆刊 。 碟 q摇j 槎 挚州 ， 侧勰 陵 、两 睇 雨 匝 挺 求 r 出 卅 赵 1 悔 匝 蜮 矗 辩睁 榻 靼最旧椁 鞋 襄零饕 耄曩 j f ( 蠹娄鼍差莲萼 谗u 妄旧留鬻1 ；卜 心 n 漂 ；。铽翅蜮拳r鼬州需州 ：琳 琳拳长鹾州职_千瓤料捧 毽 却 l 毡 蛰。憎3 l 却 娌 d 弧 兰 f 擎 飞i 姜 f 尝 l | | 飞l + s 审l 蕊 母 兰喜夺 s 垂量慕i iii j ! 霄 。i ： 9 ：寸藩i 毒i j j 寸 ，二 二守 工 二 r + 吣 1 1r 0 i il 幅 霎 砉 姜摹 重喜汀零 式 掌目i i 莹义i订 茎善薹萋i 订 毡 n _ _n 曼鼍 彳 毫 吣i i 潮i i i i l n 赫 摹i i 潮嚣 n 妊 吣 | | 却 吣 嘲 +日 肄 目 磕 q 、淤 。 觚 圃i一q 球#叫辨州器料瓣 悄q 蝼 蜮若r鼬州靼刊瓤 褂拣 。锖婶水靶州氧如ti吣擘 女柩稼b烈恒裂鬻旧辍状旧琳刊样呈f辑辑辣酱 懈 窜 琳 舡 龄匦忙求r姐刊越惜函球盘 剐糕 妒骠 僻叫蝼 琳士r龃刊辨刊瓤褂拣 第二章挡土墙土压力计算 2 2 折线形墙背土压力计算 2 2 1 概述 凸形墙背和衡重式墙背的主动土压力计算方法通常是近似地把上下墙分丌 考虑，分别按库伦理论计算各直线墙上的土压力，然后取其矢量和作为全墙的土 压力。 计算上墙土压力时，不考虑下墙的影响。凸形墙背的上墙，其土压力计算的 方法与前面所述的俯斜墙背的计算方法相同。衡重式墙背的上墙，由于衡重台的 存在，通常都把墙顶内缘和衡重台后缘韵连线枧作假想墙背。悬臂式署b 扶壁式挡 土墙，也可把墙顶内缘与墙踵的连线视作假想墙背( 如图2 2 ) ，按库伦公式计算 土压力。假想墙背与实际墙背间的土楔，假设与实际墙背一起移动，故假想墙背 的墙背摩擦角6 即为填料的内摩擦角妒。 图2 2 假想墙背圈2 , 3 第二破裂面 ( a ) 衡重式( h ) 悬臂式 俯斜墙背( 包括假想墙背) 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，而沿第二破裂面滑动( 如图2 3 所示) 。因此， 对于平缓的俯斜墙背( 包括假想墙背) ，应验核第二破裂面是否出现。如果出现， 则需按第二破裂面计算土压力。 2 2 2 第二破裂面压力计算 必须满足下述条件，才可能出现第二破裂面： 墙背或假想墙背的倾角q 或必须大于第二破裂面的倾角a ，即墙背或假 想墙背不妨碍第二破裂西虼出现： 作用于墙背或假想墙背上的土压力对墙背法线的倾角万应小于或等于墙 背摩擦角占，即不会发生土楔沿墙背或假想墙背的滑动。 对于一般常用的俯斜墙背，上述条件均不能满足。故不会出现第二破裂面。 衡重式墙的上墙和悬臂式墙因假想墙背的j ：舻。只要满足第一个条件，就会出 现第二破裂面。故在衡重台或墙踵扳较宽时，易出现第二破裂面。 第- 二章挡七墙十压力计算1 4 墙后填料为平面，受有( 或无) 连续均布荷载时，第二破裂面的倾角a 按式 1 1 ( 2 _ 3 ) 计算： a j = 寺o o 。一驴) 一亡( 占一p ) ( 2 3 ) 二上 式中：占：a r c s i n ( 墨堕) s i l l 驴 墙后填料表面为折面或有条状均布荷载时，第二破裂面的倾角必的计算公式， 按不同情况分别列于表2 2 。应用前，需首先判别第一破裂面出现的位景，以确定 采用哪一类计算公式。判别采用试算的方法，即先假设两组破裂面出现的位置， 按表2 2 中相应的计算公式计算破裂角，以此结果验核所假设的破裂面位置是否正 确。如不符，需另行假设，再作计算，直到两者相符。有时会出现两种破裂面位 置均相符的情况，则应采用其土压力值较大的那一组破裂面位置。 按上述方法计算所得第二破裂面的倾角o t i ，若大于或等于墙背或假想墙背的 倾角度或瑾：，则不会出现第二破裂面。此时，可仍按一般沿墙背或假想墙背滑动 的公式( 见表2 1 ) 进行计算。当q 3 0 m m ，内侧d 5 0 m m ；墙底板a 7 5m m 。 3 2 墙身截面尺寸的拟定 3 2 1 墙底板宽度 悬臂式挡土墙的整体稳定性通常取决于墙底板的宽度，增大墙底板宽度，可 以提高挡土墙的抗滑稳定性和抗倾覆稳定性，减少基底应力。墙底板的宽度b 可分 为三部分：墙趾板宽度b ，、立壁底部宽度毋和墙踵板宽度b 3 ，即b = b + 皿+ 历，如 图3 2 所示。 墙踵板宽度 墙踵板宽度b j 是根据挡土墙抗滑稳定性的要求确定的，其抗滑稳定系数为： 耻譬 竖向力y 包括墙身自重g 、墙踵板上方的填土和车辆荷载的重力矿、墙趾板上 方的填土重力彬，如图( 3 2 - a ) 所示，即： = g + w + 彬 在墙身截面尺寸拟定时，f 可采用近似计算： 路肩墙：n = ( 岛+ 马) ( 日+ ) m ，r ( 3 - 1 ) 路堤墙或路堑墙：= ( b 2 + 岛) ( h + j 1b ，留卢) 鸭r + q ( 3 2 ) 将式( s 1 ) 和式( 3 2 ) 分别代入【 = 卢e 中，薏经整理，即 可确定墙踵板的宽度及。 b ) 对 图3 2墙踵扳宽度计算图示 1 ) 路肩墙，墙顶有均布荷载h o ，立壁面坡垂直时，如图( 3 2 - a ) 所示 第三章悬臂式挡十墙设计2 4 b 2 器一如 2 ) 路肩墙或路堤墙，填土表面倾斜，立壁面坡垂直时 恳：j 掣盟一b a ( h + 言岛t g p ) m ， ( 3 3 ) 如图( 3 2 一b ) 所示 ( 3 4 ) 晟由上式经过试算法求出。 3 ) 当立壁面坡的坡度为1 ：m 时，上两式应加上立壁面坡修正宽度曲，( m ) ， 如图( 32 一c ) 所示： 1 啦= m 丑l ( 3 5 ) 式中： 】容许抗滑稳定系数，如果加设凸榫，在设凸榫前要求f j 毛 = 1 0 即 可； 基底摩擦系数； y 填土容重( k n m 3 ) 玩车辆荷载的换算土层高度( m ) ； m ，一一容重修正系数，由于未考虑墙趾板及其上部土体的重力对抗滑的作 用，因而近似地将填土的容重加以修正，其值与填土容重y 和基底摩 擦系数f 有关，见表3 1 。 衰3 1 容重修正系数批 容重， 摩擦系数一 ( 1 洲m 3 )0 3 00 3 50 4 00 4 50 5o 6o 70 8 41 o o 1 6 1 0 7 1 0 81 0 91 1 01 1 21 1 31 1 51 1 71 2 0 1 8 1 0 3 1 0 61 0 7 o 0 8 1 0 9 1 1 l1 1 21 1 4 1 1 6 2 01 0 31 0 41 0 41 0 51 0 61 0 71 _ 0 81 1 01 1 2 墙趾板宽度马 墙趾板宽度置除高墙受抗倾覆稳定性控制外，一般都由基底应力或偏心距控 制，并要求墙踵处的基底不出现拉应力，如图3 3 所示。令e ；尝，则： 0 古 z n 。j 2 ( 3 ，6 ) 式( 3 6 ) 中，竖向力n 根据抗滑稳定性要求确定，即n = 巨【群】， 并近似地认为作用于墙踵板和立壁底部宽度的中部，即距墙踵( 吃+ 色) 2 处。因 此，稳定力矩为： 第二章悬臂式捎十墒设计 m 广( 毕+ 墨) 将上式代入式( 3 6 ) 中，可得： e = 糍1 ”坟) 为便于计算，可分以下几种情况加以分析： 1 ) 路肩墙，且无车辆荷载作用时，倾覆3 j $ g _ s b m 。= 扭 将上式代入( 3 8 ) 中，则： ( 3 7 ) ( 3 ，8 ) 耻篙2 i x 一三4 ( b ( 3 9 ) 1 ， 。 一 2 ) 路肩墙，墙顶有均布荷载 d 时( 如图3 3 所示) ，土压力巨和倾覆力矩m 。 分别为： e = 导( 2 + ) 耻等( 3 c r o + ) 将上式代入式( 3 9 ) 中，则： 骂= 粼一言( 垦堋 瓢 蜀= 黜一去( 龟圳 ( 3 l o ) 式中：o o = y 丘，唧= y h k , 1jilii j、 氧 国酬嗡，2 三 宙 k z 冠 一广 i l i z ni ；丑2l l 嚣l l 琴h o b ii l 。 。暑l 圈3 3 墙趾板宽度计算图式 第二章息臀式挡土墙设计 3 ) 路堑墙或路堤墙，如图( 3 2 - b ) 所示，计算高度日= h + b ，t g p ，则： m 。= ；( 日+ b 3 t g f l ) e 。 b ，= 皆k 一三( 岛+ b 3 ) ( 3 ，1 1 )2 c 4 1 如果按b = 置+ 皿+ 皿计算出的基底应力盯或偏心距g 不能满足要求时，应采 用加宽基础的方法加大e ，使其满足要求。如果地基承载力较低，致使计算的墙 趾板过宽，那么可适当增大墙踵板的宽度。 3 2 2 立壁和墙底板厚度 立壁和墙底板厚度除满足墙身构造要求外。主要取决于截面强度要求，分别 按配筋要求和斜裂缝宽度计算其有效厚度，然后取其大者为设计值。 内力计算 如图3 4 所示，将挡土墙分为立壁、墙趾板和墙踵板三个悬臂梁，同时固支于中 间夹块a b c d 上，并认为夹块处于平衡状态。 图3 4 悬臂式挡土墙内力计算图示 1 j 瑙趾枚：作用于堵趾极上的力召地器及力、墙趾板自重以及墙趾板上填土 重等。当墙趾板埋深为k 时，墙趾板a b 截面处的剪力q ，( k n ) 邪弯矩m 。( k n m ) 为： q 。= b 1 b 一( q 一) 五b 1 编一y ( k 一 珂) 】 ( 3 1 2 ) m l = 譬【3 ( 吼- y h o 硼? + 2 t p j h q 鸣) 争 ( 3 1 3 ) o廿 第三章悬臂式挡十墒设计2 7 b l 墙趾板计算宽度( 墙趾至立壁根部的距离) ( m ) ； 0 - ，0 2 墙趾和墙踵处的基底应力( k p a ) ； t 。，墙趾板厚度的平均值( m ) ； t ? 墙趾板端部厚度( m ) ； 扎钢筋混凝土容重( k n m 3 ) ； ，填土容重( k n m 3 ) 。 2 ) 立壁：立壁主要承受墙后的主动土压力b ；，任一截面的剪力和弯矩为： q 2 。= e x h i = e h ；e o s f l = z h ic o s p ( 0 5 h ，+ h o ) 民 ( 3 1 4 ) m 2 f = m m = 考r 砰c o s 卢( 嚏+ 3 h o ) k ( 3 1 5 ) 式中： q ，；计算截面处的剪力( k n ) ； m ，计算截面处的弯矩( k n m ) ； b 。，一一计算截面以上( 至立壁顶部的高为 ) 的主动土压力及其水平分力 ( k n ) 。 3 ) 墙踵板：墙踵板上作用有计算墙背与实际墙背间的土体重力( 包括车辆荷 载) 、墙踵板自重、主动土压力的竖向分力以及地基反力等。墙踵板任一截面处 的剪力和弯矩为： q 3 f 哦叭q + h o ) 一0 2 一扣呼一r t g p ) + e b 3 s i n 卢 ( 3 1 6 ) m 3 i = 譬 3 y ( h 1 + h o ) + 3 y , 6 - 3 0 - 2 - b 3 ；( 学- 2 r t a 户) + e a 3 $ m p ( 3 1 7 ) 式中： q 。m 3 ，计算截面处的剪力( k n ) 和弯矩( k n m ) 。 且。墙踵板计算长度( 墙踵至计算截面的距离) ( m ) ： e 。，作用在墙踵板上的主动土压力( k n ) ； z e a ，作用在墙踵板上的主动土压力的竖向分力对计算截面的力臂( m ) ， k 扣筹紫器， t ，墙踵板厚度( m ) 。 当采用极限状态法设计时，用式( 3 1 2 ) 式( 3 - 1 7 ) 计算出的内力，应换算成 相应的计算内力。为简化计算过程，将车辆荷载产生的附加压力当作永久荷载 处理。 截面厚度计算 1 ) 按配筋要求确定 第三章悬臂式挡十墙设计2 8 按配筋率要求，截面厚度为 ( 3 1 9 ) 式中： 卜一计算截面的有效厚度( m ) ，它可以是立壁高度范围内或墙趾板和墙 踵板宽度范围内的任一截面； m ，计算弯矩( k n - i n ) 时，见式( 3 1 3 ) 、 以混凝土安全系数，以= 1 2 5 ； l 矩形截面单位长度，即= 1 0 m a 计算系数，4 = f ( 1 - 0 5 f ) f 计算系数，f = d r g 咒 配筋率，= 0 3 0 8 ； r 。纵向受拉钢筋设计强度( k p a ) ； 见混凝土抗压设计强度( k p a ) 。 式( 3 1 5 ) 和式( 3 1 7 ) ( 3 2 0 ) ( 3 2 1 ) 2 ) 按斜裂缝宽度要求确定为了防止斜裂缝丌展过大和端部斜压破坏，截面 有效厚度应满足下式的要求： n t 二丢：( 3 2 2 ) 0 0 5 4 r l 式中： f 计算截面的有效厚度( c m ) ； q ；计算剪力( k n ) ，见式( 3 1 2 ) 、式( 3 1 4 ) 和式( 3 1 6 ) ； r 混凝土标号( m p a ) ； 工矩形截面长度，取上= 1 0 0 c m 。 3 3 墙身稳定性及基底应力验算 悬臂式挡土墙的验算内容包括抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基底应力及合力偏 心距、墙身截面强度等，其中抗滑稳定性、抗倾覆稳定性、基底应力及合力偏心 距的验算方法与重力式挡土墙相同。墙身截面验算时，一般 选取以下截面作为控制截面： 立壁：底部、2 3 立壁高与l 3 立壁高处三个截面： 墙踵板：根部与1 2 墙踵板宽度处两个截面； 墙趾板：根部与1 2 墙趾板宽度处两个截面。 3 4 配筋设计 悬臂式挡土墙的立壁和墙底板，按受弯构件配制 圈3 5 悬臂挡墙配筋示意图 胨 第三章悬臂式挡土墙设计 受力钢筋如图3 5 所示。钢筋的设计包括确定钢筋直径和钢筋的布置，是在已确定 钢筋截面积的基础上进行的。 立壁钢筋设计 立壁受力钢筋的沿内侧( 墙背) 竖直放置，底部钢筋间距一般采用1 0 0 1 5 0 r a m 。因立壁承受弯矩越向上越小，可根据弯矩图将钢筋切断。当墙身立壁较 高时，可将钢筋分别在不同高度分两次切断，仅将1 4 l 3 的受力钢筋延伸到立壁 顶部。顶端受力钢筋间距不应大于5 0 0 r a m 。钢筋切断部位，应在理论切断点以上 再加一个钢筋锚固长度，而其下端插入墙底板一个锚固长度。锚固长度l 腮一般取 ( 2 5 3 0 ) d ( d 为钢筋直径) 。 在水平方向也应配置不小于由6 r a m 的分布钢筋，其间距不大于4 0 0 5 0 0 m m ， 截面积不小于立壁底部受力钢筋的1 0 。 对于特别重要的悬臂式挡土墙，在立壁的外侧( 墙面) 和墙顶，可按构造要求配 置少量钢筋或钢丝网，以提高混凝土表层抵抗温度变化和混凝土收缩的能力，防止 混凝土表层出现裂缝。 墙底板钢筋设计 墙踵板受力钢筋m 的设簧在墙踵板的顶面，该钢筋一端伸入立壁与墙底板连 接处并伸过不小于一个锚固长度；另一端按弯矩图切断，在理论切断点向外延长一 个锚固长度。 墙趾板受力钢筋m 设置于墙趾板的底面，该筋一端伸入立壁与墙趾板连接处 并伸过不小于一个错固长度；另一端一半延伸到墙趾，另一半在b 2 处再加一个锚 固长度处切断。 为便于施工，墙底板的受力钢筋间距最好取与立壁的间距相同或整数倍。在实 际设计中，常将立壁的底部受力钢筋一半或全部弯曲作为墙趾板的受力钢筋。立壁 与墙踵板连接处最好做成贴角予以加强，并配以构造钢筋，其直径与间距可与墙踵 板钢筋一致，墙底板也应配置构造钢筋。钢筋赢径及间距均应符合规范的规定。 另外，还应根据截面剪力布置箍筋。 3 5 计算实例 具体计算实例参考公路路基设计手册( 第二版) “1 的悬臂路肩式挡土墙计算。 3 6 悬臂式挡土墙计算程序设计 通过用v b 编制程序，计算悬臂式挡土墙的内力、稳定性以及截面配筋。 3 6 1 计算程序设计 3 6 1 1 界面设计 计算参数设置界面( 如图3 6 ) 第二章悬臂式挡十墒设计 用户交互输入安全系数、荷载分项系数。 挡土墙的尺寸，物理参数，坡线土柱输入界面( 如图3 7 ) 用户交互输入挡墙的尺寸，物理参数，坡线柱。 综合内摩擦角计算界面，如图3 8 。 图3 6 计算参数设置 圉3 8 综合内摩擦角计算 图3 7 尺寸及物理参数输入界面 第三章悬臂式挡士墙设计3 1 3 6 1 2 程序框图( 如图3 9 ) 图3 9 程序框圈 第三章悬譬式挡十墙设计 3 6 1 3 设计程序使用说明 程序基于面向对象的原理，采用可视化w i n d o w s 程序开发工具v i s u a lb a s i c 6 0 丌发而成，程序采用可视化输入、文件输出，计算简便，操作简单。 在使用过程中需要注意的几点说明： 如果计算合格则计算过程中不会提示警告信息，否则会有警告信息弹出。 计算完毕后，弹出下面窗口( 如图3 1 0 ) 图3 1 0 优化设计界面 如果要进行优化设计请点是( y ) 按钮，结束计算点否( n ) 按钮。 配筋说明 本计算系统对立壁、墙趾板、墙踵板截面的配筋计算均采用单位宽度 ( b = 1 0 m ) 计算，配筋设计时应特别注意1 3 6 2 程序计算结果分析 3 , 6 2 1 悬臂路肩墙计算