（工程力学专业论文）锚杆式挡土墙计算机辅助设计系统的研究.pdf

重庆大学硕士学位论文 中文摘要 摘要 锚杆式挡土墙是一种轻型挡土墙构筑物，自被采用以来，越来越受到人们的重 视，特别在道路的深路堑边坡、港口岸边工程及工业与民用建筑的深基坑支护中 发挥着重要的作用。该结构主要依靠锚杆提供的锚固力增加作用在滑移面上的正 压力和抗滑力来提供抗滑面上的抗剪强度，改善边坡的稳定性，不需要开挖很深 的墙体基础，适用于自由段滑体以及松散层不太厚、后下方有较好岩层或抗剪强 度较大的坚硬士层。锚杆式挡土墙在设计计算时、需要对肋柱、锚杆、挡土板等 逐个进行受力情况分析，设计计算工作量较大。目前国内已经有挡土墙辅助设计 方面的软件出现，但是都停留在参数计算，后期单独绘图功能上面，而且都还不 能够处理锚杆式挡墙结构的设计，为减轻工程技术人员的劳动强度，充分发挥 与利用现代化计算手段快捷、准确、自动化的优点，从设计工作的实际需要出发， 紧密结合有关规范及工程实践，尝试开发一套锚杆式挡土墙设计、计算分析软件。 该程序的编制以建筑边坡工程技术规范g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 作为锚杆式挡土墙 计算机辅助设计的主要依据，为用户提供了友好、方便的面向专业问题的前处理 平台及操作灵活的绘图部分，形成了集设计、分析计算及绘图于一体的计算机辅 助设计系统。该系统融合了锚杆式挡土墙的设计技术、锚杆式挡土墙的土压力计 算、立柱的受力分析和截面设计配筋、锚杆的受力分析和设计以及规范查阅等内 容。其中土压力的计算可以选择符合不同条件的土压力计算方法进行分析，并且 以图形的直观方式显示结果，便于检查和校对。该程序注重高度自动化，设计修 改部分强化交互功能，随时提供详细的设计参数，符合设计习惯。 该系统在实现过程中，选用v i s u a lb a s i c6 0 作为w m d o w s 编程的开发工具， 以面向对象方法为理论基础，阐述了软件设计中面向对象的方法及数据结构的应 用，采用人机交互的技术形成了直观方便的数据输入环境，并且符合锚杆式挡土 墙设计的常规设计思路，可以满足工程实际的需要。该程序可运行于目前w i n d o w s 各个版本环境下，符合w m d o w 环境下应用软件规范，便于进行功能扩充和升级。 本文中所讨论的原理和方法同样也适合其它结构c a d 的研制开发 关键词：锚杆式挡土墙，计算机辅助设计，面向对象，交互式，v i s u a lb a s i c6 0 重庆大学硕士学位论文英文摘要 a b s t r a c t t h e r e t a i n i n gw a l lo f e a r t ha n c h o ri sat y p eo f l i g h tr e t a i n i n gw a l l i ti sp a i dm u c h a t t e n f i o na n du s e d w i d e l yn o w , s p e c i a l l y a tc r a g g e ds l o p e s 、r e t a i n i n ge n g i n e e r i n ga tp o r t a n dc i v i l e n g i n e e r b u tt h ed e s i g n i n ga n dc a l c u l a t i o no f t h er e t a i n i n gw a l lo fe a r t h a n c h o ri st o oc o m p l e xt od e s i g ne x p e d i e n t l y t h er e t a i n i n gw a l lo fe a r t ha n c h o r m a i n t a i n ss t e a d ys l o p et h r o u g ha r t - p u l lf o r c eo fa n c h o r w h e nw ed e s i g nar e t a i n i n g w a l lw en e e dc a l c u l a t et h er e t a i n i n gv o l u m ea n dr e t a i n i n gb o a r da n da n c h o ra n ds oo n t h ew o r k l o a do f c a l c u l a t i n gi sr l l a s $ u pt on o w , t h e r eh a s b e e ns o l n es o f t w a r ew h i c h c a ns o l v et h ep r o b l e m ，b u tt h e yc a l lo n l yd e a lw i t ht h ec a l c u l a t i n go n l yi fg i v i n gt h e n e c e s s a r yp a r a m e t e ra n dc a n ti n t e r a c tw i t hd e s i g n e re f f i c i e n t l y i no r d e r t or e d u c et h e d e s i g n e r sw o r ka n dt a k ea d v a n t a g eo f t h et e c h n o l o g yo ft h ec o m p u t e r , w em a k ea n a t t e m p t t od e v e l o pa p m g r s m t os o l v et h i sp r o b l e ma c c o r d i n gt ot h ei n t e r r e l a t e dc o d e s t h i ss o f t w a r ei sb a s e d0 1 1 t e c h n i c a lc o d ef o rb u i l d i n gs l o p ee n g i n e e r i n g ) g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 i to f f e r st h ei n t e r f a c ew h i c hi sf r i e n d l ya n dc o n v e n i e n tt ot h ed e s i g n e r s a n df l e x i b l ed r a w i n gb l o c k st oi n c l u d ed e s i g n 、a n a l y s e sa n dd r a w i n g i tc a l lc a l c u l a t e t h ef o r c eo f t h eo i ia n da n a l y z et h ei n t e rf o r c e o f v o l u m e st os e l e c tt h ef i g h ts e c t i o na n d a n a l y z et h ep u l l o ft h ea n c h o rt oa r r a n g et h ea n c h o r sa n do f f e rt h ec o d el i s t st ob e r e f e r r e dt o t h ed e s i g n e r sc a l ls e l e c tt h ed i f f e r e n ta p p r o a c h t os o l v et h ec a l c u l a t i o no f 也eo i lf o r c ea n dg i v et h er e s u l tw i t ht h eg r a p h i c t h ed e s i g n e r sc a nv i e wt h er e s u l t e x p e d i e n t l y v i s u a lb a s i c6 0i sa d a p t e dt ow m d o w sp r o g r a m m i n gf o rs y s t e mr e a l i z a t i o n ，i n w h i c hu p t o d a t ac o m p u t e rt e c h n i q u e sw a st a k e np a r ti n t h es y s t e mi sb a s e do nt h e t h e o r yo f o o p w e m a k eu s eo f t h ei n t e r a c t i v et e c h n i q u et od e v e l o pt h ee n v i r o n m e n t t o i n p u tt h ed a t ae x p e d i e n t l y t h es y s t e mc a nm e e tw i t ht h ed e s i g no f t h ep r o j e c t t h i s p r o g r a mc a n r u nu n d e rt h ed i f f e r e n tv e r s i o no fw i n d o w ss y s t e m t h ep r o g r a mc a n b e s u p p l i e da d d i t i o n a lc o d e st or e a l i z e t h eo t h e rf u n c t i o i l s k e y w o r d s ：c o m p u t e r a i d e dd e s i g n , r e t a i n i n g w a l lo f e a r t h a n c h o r , v i s u a lb a s i c6 0 ，i n t e r a c t i v et e c h n o l o g y i i 重庆大学硕士学位论文1 绪论 1绪论 1 1 锚杆式挡土墙应用的技术现状与发展 锚杆技术应用于土木工程已有8 0 多年的历史。据记载，美国于1 9 1 2 年首先在 阿伯施来辛得煤矿使用锚杆支护顶板，之后锚杆技术得到了发展和推广。锚杆技 术的理论也引起了人们的重视。1 9 5 6 年路易斯帕内科( l o u i sp a n e k ) 等提出了 悬吊作用理论，雅可比( j a c o b i o ) 等提出了合成梁作用理论。1 9 5 5 年由拉布希维 兹( r a b c e w i c z ) 提出，后由兰氏( l a n g ) 等人发展得出拱形压缩带作用理论。 挡土墙作为土木建筑、水利水电、铁道交通等工程建设中广泛应用的一种构筑 物，主要用于支撑路基填土或山坡土体，防止填士或土体变形失稳，造成生命财 产损失。在工程实践应用中，挡土墙的型式多种多样，且每一种挡土墙设计计算 都十分复杂。目前大多采用查表法设计或直接套用定型设计图集，工作量很大， 工作周期长，且不能充分考虑工程的实际情况，费时费工，难以对工程方案进行 优化。挡土墙作为一种常用的特殊结构，在实际工程设计中通常采用重力式、悬 臂式或扶壁式等形式的污工挡墙或混凝土挡墙。这类形式的挡土墙不仅自重大， 耗费材料、施工困难和进度慢，而且就其支挡作用的原理看属于被动支挡结构， 因而尽管耗费材料多也未必就更加安全可靠。锚杆式挡土墙与上述挡土墙相比有 明显的优点，它是一种主动作用的支挡结构。锚杆可以伸入到土体中滑移面以外 的稳定地层中，不必像其他挡土墙那样必需将边坡全部挖开才能构筑，避免了由 于大规模开挖而产生的可能滑动。因此，锚杆式挡土墙具有省工省料、施工进度 快和安全可靠的一系列优点。 我国近几年来随着工程建设项目不断增加，岩石锚杆技术也得到了迅猛的发 展。高应力、大变形、大跨度等复杂情况下的地下工程建造技术有了新的突破。 目前国内规模最大的云南漫湾水电站左岸边坡加固工程，采用了2 3 0 0 多根预应力 锚索，与锚固洞、锚固桩相结合，使滑坡得到了有效的控制。此外，理论研究也 取得了一定的进展，国内不少单位采用理论分析、模型试验、现场测试等方法， 研究岩石锚杆设计与施工的作用机理、加固效果以及相应的设计计算方法，为复 杂地层中的锚杆设计和施工提供理论依据。 1 2 本文研究目的和主要研究内容 锚杆式挡土墙在设计计算时，需要对肋柱、锚杆、挡土板等逐个分析其受力情 况，设计计算工作量较大。在计算机技术相当普及的今天，还没有一套完善的面 向用户的锚杆式挡土墙计算机辅助设计软件出现。虽然有f o r t r a n ，b a s i c 等编程 重庆大学硕士学位论文1 绪论 工具编写的计算程序，但大多数只停留在土压力计算等部分项目上，且都没有一 个良好的人机交互的界面，通用性较差。很难真正实现人机对话，难以普及和实 现方案的优化。针对上述问题，本课题尝试编制基于交互理论的锚杆式挡土墙计 算机辅助设计程序，从而可以大大减轻设计人员的实际工作量，提高了工作效率 使得原本计算工作复杂的锚杆式挡土墙的设计变得简单、快捷。为了更好的模拟 锚杆式挡土墙的受力情况和施工情况。本课题也作了相关方面的研究。为程序的 日后扩展和完善提供技术资料。 1 3 锚杆式挡土墙计算机辅助设计系统介绍 比较国内外对c a d 系统的技术要求来看，国外的工程师希望系统提供一种用于 设计的工具和平台，具有造型生成机制，从而能够体现出工程师的创造性。而国 内的软件用户则希望使用面向用户的系统，希望系统能对特定的结构提供较为简 便的造型和分析设计功能，并且能够一次性的输出施工图和计算结果文件。所以 本课题设计的锚杆式挡土墙计算机辅助设计软件采用面向问题的专用c a d 系统设 计。它专门针对目前广泛应用的锚杆式挡土墙结构体系，提供了建模、设计计算 和分析。最后能智能的输出施工图纸和计算书。为锚杆式挡土墙的设计提供了一 套简单实用的计算机辅助设计工具。 本系统采用在w i n d o w s 环境下，用可视化编程工具v i s u a lb a s i c6 0 作为开 发工具，实现了程序设计工程的自动化，并具有交互式的设计过程，程序能够即 时反馈设计信息，进而使设计者能够控制工程设计过程。具体表现在以下几个方 面： ( d 良好的交互性工程设计人员可以在计算设计窗体上直接创建和构造合 理的锚杆式挡土墙类型，并且程序提供了基本的编辑和修改的功能，便于对初步 设计方案进行调整和修改。在面向实际应用的工程设计中，工程师的经验是极为 重要的，系统提供了充分的可干预性，来反映工程师对结构的分析、计算经验的 表达以及对设计结果的评定和判断上。从而实现了直观的人机交互对话。 自动采集数据程序可以自动根据用户和程序交互输入的数据生成相应 的数据文件。便于修改和保存以及后继的计算分析。 智能化处理对于不满足需要的设计输入，程序具有一定的容错机制， 提示使用者进行修改，并给出修改建议，交互的完成处理过程t 理想的设计结果输出程序可以将设计分析结果输出为a u t o c a d 的图形 数据接口文件以及相应的计算结果数据文档。便于设计者进行结果的分析和校验， 简化工程设计人员的后处理工作量。 ( d 开放的软件系统软件实际应用的需要总是在不断扩大，应用要求的增长 2 重庆大学硕士学位论文1 绪论 总是高于系统开发的速度。软件应具有良好的软接1 ：3 以使得系统自身的函数能被 其他系统调用，同时也能够调用其他系统的函数。并且可以根据具体情况对其开 放的模块进行系统功能的局部修改和充实。 重庆大学硕士学位论文 2 c a d 技术在工程中的应用及开发平台的选用 2 c a d 技术在工程中的应用及开发平台的选用 2 1c a d 技术的发展 计算机辅助设计是利用计算机及外围设备和图形设备辅助工程师进行工程及 产品设计的一种技术。 c a d 技术是伴随着计算机技术的发展而发展的。从1 9 4 6 年计算机的诞生到整 个5 0 年代，计算机主要用于科学计算；直到1 9 6 2 年美国麻省理工学院林肯实验 室提出计算机图形学、交互技术、分层存储符号的数据结构等新思想，从而为c a d 技术的发展和应用打下了理论基础，随后也开始出现了商业化的c a d 设备；到8 0 年代初，c a d c a m 技术不断完善，应用范围从产品设计发展到工程设计；从8 0 年 代中期以后，图形接口、图形功能日趋标准化，在微型计算机领域a u t o d e s k 公司 制定的d x f 图形数据交换文件己成为事实上的工业标准；由于人工智能和专家系 统技术在c a d 中的应用也大大提高了自动化设计的程度。 我国从2 0 世纪七十年代开始发展计算机辅助设计系统，那时工程设计和科研 使用的计算机主要是完成数值计算结构分析，使用的计算机一般是体积大、速度 慢、容量小且使用不方便的国产计算机，这种机器输入程序及数据采用纸带穿孔 方式，不易被理解，检查、修改都非常不方便，而且价格昂贵，可以使用的软件 较少，所以只有一些大的单位才有能力拥有这样的计算机，是工程领域计算机的 初级应用。 八十年代初期，随着计算机技术的发展，采用了键盘输入，建立数据文件的 方法，出现了很多优秀的数值计算方法，但是由于输入的数据量很大，数据的整 理和分析仍然是一件麻烦的事情。八十年代后期，软件开发人员设计出了具有图 形前后处理功能的设计软件。前处理采用人机交互的方式录入数据，由程序自动 进行录入数据的处理，来生成结构计算简图和荷载图，方便用户的检查，保证了 输入数据的正确性。后处理可以生成变形图、内力图、配筋图等，便于使用者理 解分析结果，这样软件大大的提高了工作效率，也为计算机知识欠缺的专业工程 技术人员提供了使用的可能。这一阶段软件开发人员对计算机图形技术的摸索与 实践才真正孕育了计算机辅助设计软件的产生。 九十年代以来，我国计算机辅助设计迅猛发展起来，呈现百花齐放、百家争 鸣的局面。这种发展主要源于以下四方面的强大支撑：计算机高级语言中面向 对象思想的引入与发展：计算机图形学理论的不断完善；计算机操作系统的 不断升级；计算机硬件技术的突飞猛进。 随着计算机软件和硬件的飞速发展，计算机辅助设计( c a d ) 的应用水平已成 4 重庆大学硕士学位论文 2 c a d 技术在工程中的应用及开发平台的选用 为衡量一个工程设计单位或工程施工单位技术水平的重要标志以及对外竞争投标 的强有力手段。我国计算机辅助设计正在向集成化、协同化、智能化的方向发展。 2 2c a d 技术在建筑结构设计中的应用 电子计算机在土建工程中的应用大约有4 0 年的历史了，c a d 技术在土木工程 领域中的最早应用就是在结构设计中。计算机的普及使人们逐渐将计算机技术应 用于土木工程设计中，如实验数据处理、计算机辅助绘图、结构物的应力分布、 变形形态、动力特性等等，这些均属于c a d 的内容。 国外c a d 在土建领域发展较早，理论也比较成熟，开发了许多优秀的结构分 析软件和c a d 系统。著名的有美国的s a p 大型结构分析软件，目前已经升级到 s a p 2 0 0 0 ，还有美国航天工业开发的n a s t r a n 程序、德国的a s j ( a 程序等。 随着可视化技术的发展，最近推出的结构分析软件版本都加强了前后处理功 能，窗口化的图形界面使用户更易接受和使用。 在土建工程领域，较早并广泛使用的c a d 软件主要是钢筋混凝土结构c a d 软 件。如大连理工大学的f c a d ( 钢筋混凝土平面框架c a d ) 、k f f i c a d ( 钢筋混凝土空 间框架c a d ) ；中国建筑科学研究院的p k p m 是商业化程度较高的c a d 系统，目前己 发展成集建筑结构、水暖电及概预算于一体的c a d 系统。 在建筑结构设计行业，据有关资料统计，土建领域采用c a d 技术后，可节省 方案设计时间约9 0 。重复绘图作业费9 0 ，节省投标时间3 0 ，由此可看出， c a d 技术的应用，使得设计效率得以大大提高，从而缩短了设计周期。据有关资料 统计，目前我国土木建筑领域中应用计算机进行分析计算达到9 0 以上，在计算 机上进行优化设计占了绝大部分。但是由于土建学科有其自身的特点，一是个性 很强，几乎难以找到两个完全相同的工程项目，作为单体工程，它的可统计性差， 影响因素众多，且各因素之间的先后作用较大；从信息角度看，它的不确定性以 及不确知性的信息太多，经验性的内容较多。而计算机不擅长于收集和表达经验。 其次是综合性很强，一个构筑物方案不仅取决于力学分析，还应当考虑到环境、 交通、商业等多种因素，这种决策系统的复杂性和无序性给计算机的处理工作带 来了许多困难。因此土建结构中的计算机辅助设计程序开发难度很大。在相当长 的时间内，建筑结构设计的任务仅局限在一个很狭窄的范围内，建筑结构的设计 仅是结构内力分析以及截面校核的过程。在计算机技术日益发展后，土建结构的 许多理论出现了“软化”，从而可以描述许多考虑信息不确定或不确知的现象，同 时由于它的出现，土建结构中的许多经验可以收集起来被更多的采用。同时计算 机技术的发展使得人们摆脱了大量依靠试验回归的试验方法，鼓励人们去寻找更 合理的数学物理模型。用少量的试验去支持人们对客观规律的更深的认识。 5 重庆大学硕士学位论文 2 c a d 技术在工程中的应用及开发平台的选用 在岩土计算领域也提出了许多计算机辅助设计软件，国外如c i v i le n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo ft o r o n t o 开发的f l a c 软件，国内的如国权公路挡土墙系统，同济软 圣科技开发的公路挡土墙c a d 辅助设计系统等，它们都倾向于集设计计算与绘图 为一体的计算机辅助设计系统，它们的应用有效的提高了设计质量和设计效率。 但是能够解决锚杆式挡土墙设计的软件还没有达到应用的程度，为了提高锚秆式 挡土墙设计的效率，进行这方面的研究还是有必要的。 2 3 系统开发平台的选用 早期的建筑结构c a d 系统，基本上都是基于d o s 的界面环境，采用d o s 下 的编程工具来进行程序的编制和编译，利用c a d 的绘图工具来完成图纸的绘制。 在这种环境配置下，数据交换文件主要是通过数据文件的方式进行的。程序各个 部件之间的接口也是通过数据文件的接口来实现的，从而造成了程序接口的脆弱 性，程序运行起来会变得很不稳定。随着w i n d o w s 操作系统的出现，在这种开 发环境中系统提供了开放的各种编程工具可以直接访问图形数据库，实现了过程 共享，为建筑结构c a d 系统的开发提供了更多的可利用资源，因此，在软件开发 平台的选用上，应尽可能采用最新的开发工具，这样既能使开发出的软件在尽可 能长的时间内不被淘汰，又能提供软件的执行效率。 由于w m d o w s x p 本身是采用面向对象的方法设计的，它的用户接口也是面向 对象的，所以在开发w m d o w s 应用程序时，也自然要采用面向对象的设计方法， 而微软公司的v i s u a lb a s i c 产品即是一种能实现面向对象编程的高级语言，也是用 于编写基于w m d o w s 程序的一种程序开发工具。用v i s u a lb a s i c 开发w i n d o w s 程 序最大的优点就是用户可以用它快速的开发出一个坚固的应用程序，使编程人员 不必将时间花费在重复的编程任务上， v i s u a lb a s i c 6 0 是b a s i c 的后代产品，经 过几年的发展，业己成为一个真正的专业化开发语言和开发环境。v i s u a lb a s i c 功 能强大，用它可以完成几乎所有w m d o w s 应用程序的编写，不论是操作图形、访 问数据库还是进行网络通信，通过v i s u a lb a s i c 来实现都非常方便和快捷，虽然在 访问操作系统、管理内存等方面仅仅依靠v i s u a lb a s i c 无法实现，但它可以通过调 用w m d o w s a p i ( w m d o w s 应用程序编程接口) 来完成这些任务。 开发锚杆式挡土墙c a d 系统采用的操作系统是w m d o w sx p ，采用基于 w i n d o w 的多任务、多窗口的应用程序开发工具- v i s u a lb a s i c6 。0 来进行 本系统的编制。采用数据文件来保存挡土墙的数据信息，绘图结果数据选用 a u t o c a d2 0 0 2 的数据接口文件d x f ，应用模块化程序设计以形成人机交互的应用 程序。 重庆大学硕士学位论文3 挡土墙土压力探讨 3 挡土墙土压力探讨 3 1 引言 土压力的计算问题是支护结构设计中的一个基本问题，它关系到挡土墙构筑物 设计的合理性和经济性，其中包括土压力的大小、方向与分布等。现阶段土压力 的计算普遍采用的是经典的极限平衡理论，一般都能得到较为满意的结果。但是 土压力的计算是一个复杂的问题，它涉及到填土、墙体以及地基三者之间的共同 作用。土压力不仅与墙身的几何尺寸、墙背的粗糙度以及填土的物理和力学性质、 填土的顶面形状和顶部的外加荷载有关，而且还与墙和地基的刚度、以及填土的 施工方法有关。经典的极限平衡理论是对上述复杂问题进行简化而得出的。由于 程序编制主要参照了经典的土压力计算方法，按照现行规范上规定的计算方法进 行设计的，所以在此有必要对挡土墙的土压力问题做一个探讨。 3 2 土压力的概念 从广义来说，土压力是岩土作用于工程构筑物上的或作用于被土体包围的构筑 物表面上的压力或那些压力的合力。这些压力是由土的自重、土体所承担的恒载 和活荷载所引起的，其数值大小及位置由士的物理力学性质、挡土墙构筑物类型、 土和构筑物之问的物理作用、墙背与填土表面的倾斜、荷载的作用位置与作用方 式、土与构筑物的绝对位移、相对位移以及变形值与特性所决定。土压力的大小 和分布是一个超静定受力问题，首先是因为位移和变形的作用，同时也是由于各 个单个颗粒产生的压力以及颗粒间作用力的绝对值仍然不清楚。但在影响土压力 的诸多因素中，墙体位移条件是最主要的因素。一般情况下，挡土墙构筑物的受 力属于平面问题，太沙基等人通过挡土墙的模型实验，研究了墙的位移与土压力 的关系确定，根据结构的位移方向、大小及墙背土所处的状态可将作用在支挡结 构上的土压力分为主动土压力、静止土压力和被动土压力三种，如图3 1 所示。 如果墙体的刚度很大，墙体既不产生任何移动也不产生变形时，挡土墙墙背 面的填土处于弹性平衡状态，这时墙后填土对墙背所产生的土压力称为静止土压 力，其值可根据直线变形体无侧向变形理论或近似方法求得，土体内相应的应力 状态称为弹性平衡状态。 若刚性墙身受填土自重或填土面荷载作用向背离填土方向产生水平位移，或 者墙体围绕靠近填土方向的墙顶旋转，或者墙体围绕靠近填土方向的墙踵向外转 动，使得墙体产生背离( 远离) 填土方向的变形时，作用在墙背上的土压力从静 止土压力值逐渐减小，墙后填土逐渐失去原来的弹性平衡状态，直至填土内出现 7 重庆大学硬士学位论文3 挡土墙土压力探讨 滑动面。在滑动面以内的土体沿着这一滑动面向下向前滑动。在这个滑动楔体即 将发生滑动的一瞬间，作用在墙背的土压力达最小值，称为主动土压力，而土体 内相应的应力状态称为主动极限平衡状态。 r采 ，曰 趟出 刊叫 蒋 划 州：缸 瓣 增 、 l 土方向位移面向填土方向位移 图3 1 土压力与挡土墙位移的关系 r i g 3 1t h er e l a t i o no f t h eo i lf o r c ea n dr e t a i n i n gw a l l 如果墙身在外力作用下，挤压墙后填土，使墙后土体产生向着填土方向的位 移和变形，使得墙背面填土逐渐压密而失去原来的弹性平衡状态向上隆起时，土 压力从静止土压力值逐渐增大，直到填土内出现滑动面，滑动楔体将沿某一滑动 面向上向后推出，发生破坏。在这一瞬间作用在墙背上的土压力达最大值，称为 被动土压力，而土体内相应的应力状态称为被动极限平衡状态。 3 3 经典土压力理论 目前比较经典的土压力计算理论是朗金土压力理论和库仑土压力理论，朗金 土压力理论是从研究半无限大土体中一点的极限平衡状态出发，推导出的理论解。 而库仑土压力理论是从研究墙后滑动楔体的静力平衡条件出发推导出的理论解。 大量研究表明，在主动土压力状态下的实测结果与库仑士压力的计算结果相差不 大，而朗金土压力理论是基于散粒体一点的极限应力状态推出，在理论上较为严 谨，但是，由于它只能考虑比较简单的边界条件，在应用上受到很大的限制。库 仑理论计算简便，能适用各种复杂的边界条件，而且在一定的范围内能得出比较 满意的解答，因此应用广泛。下面详细探讨这两种理论。 3 3 1 朗金土压力理论 朗金土压力理论是在研究半无限大土体中一点处于极限平衡状态时，根据极限 平衡条件推导出的理论解，为了满足土体的极限平衡条件，朗金理论假定了以下 重庆大学硕士学位论文3 挡土墙土压力探讨 几个条件： ( 1 ) 挡土墙后填土是匀质各向同性的无粘性土，填土表面为一平面的半无限 体，土压力方向与填土表面平行。 ( 2 ) 墙体在土压力作用下将产生足够的位移和变形，使得墙后填土达到极限 平衡状态。 ( 3 ) 主动或被动状态只是存在于破裂棱体之内，即局部土体中出现极限状态， 而破裂棱体之外仍处于弹性平衡状态。 ( 4 ) 土体发生剪切破坏时，破裂面为平面。 ( 5 ) 伸张与压缩对土的影响很小，忽略竖直方向上土的变形对土压力的影响。 ( 6 ) 挡土墙墙背垂直、光滑、即墙背倾角、墙背与填土无摩擦作用。 作用于垂直面上的主动土压力为： 1 一 e o = 博z k 。 k d = t a n 2 ( 4 5 。一罢) z 其中：e 总的主动土压力 e 朗金主动土压力系数 作用于垂直面上的被动土压力为： 1 e p = 三皿z k p k p = t a n 2 ( 4 5 0 + 罢) 二 其中：e 总的主动土压力 芷朗金被动土压力系数 3 3 2 库仑土压力理论 库仑土压力理论研究挡土墙后滑动楔体的静力平衡条件，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，即可以求出土压力。当挡土墙向产生向背离填土的方向位 移或变形，滑裂土体将向挡土墙方向滑动，此时滑裂填土对挡土墙的压力，称为 主动土压力，当挡土墙向填土方向产生位移或变形，滑裂土体将沿着滑动面向上 挤出，此时滑裂土体对挡土墙的压力，称为被动土压力。库仑土压力理论的基本 假定有： ( 1 ) 墙背面填土为匀质的无粘性散粒体； ( 2 ) 当墙体产生位移或变形后，墙背面填土中形成滑裂土体，滑裂土体视 为刚性： 重庆大学硕士学位论文 3 挡土墙土压力探讨 ( 3 ) 滑动面为一个通过墙踵的平面，滑动面上的摩擦力是均匀分布的； ( 4 ) 填土表面为水平面或倾斜面： ( 5 ) 挡土墙墙面为一平面，也是一个滑动面，填士与墙面之间存在摩擦 力，摩擦力沿墙面的分布是均匀的： ( 6 ) 土压力问题是一个二维的问题( 平面问题) ，可以取单位墙长来进行 计算。 作用于墙背的主动土压力为： 1 e 。= 膨2 k a 3 4 影响土压力计算的主要参数 由于岩土的性质变异性很大，由室内实验得到的各种土对挡土墙的土压力分布 情况都各不相同。室内模型试验资料表面，由库仑或朗金土压力理论计算出的土 压力分布，与实际分布差别较大。许多挡土墙的破坏，都不是真正沿着通常验算 的滑裂面破坏，究其原因是挡土墙的土压力也受到以下几个方面的因素影响： 3 4 1 粘聚力 在实际工程中，挡土墙墙后的填料一般都是就地取材，大部分是粘性材料，而 库仑公式是针对散粒土进行计算的，故不宜直接采用库仑公式计算粘性土主动土 压力。在我国工程实践中，为了考虑粘土粘聚力c 对土压力数值的影响，在应用 库仑公式时，常将内摩擦角增大，即采用所谓的“等代摩擦角p 。”来综合考虑粘 性土的摩擦角p 以及粘聚力c 的影响，根据换算时的条件假定不同，通常有如下几 种方法： 经验法：一般粘土、料质粘土取= 3 0 0 3 5 0 ，或秸聚力c 每增加l o k p a p 。增加3 0 7 0 。 根据土的抗剪强度相等推出。a r c t a n ( t a n t p + c t r h ) ( 9 按与朗金土压力相等的原则推出 = 9 0 0 一2 a r c t a n t a n ( 4 5 0 - 妒2 ) - 2 c 朋 ( d 按朗金土压力力矩相等的原则推出 1 0 重庆大学硕士学位论文 3 挡土墙土压力探讨 c d = 9 0 0 - 2a r c t a n ( 4 5 0 q 2 _ c c o t p j 从规范查出相应的值妒。 根据所采用的换算方法不同，其计算结果相差甚大。上述换算结果都是由某一 个单一条件相等而得出，例如未能考虑挡土墙的边界条件( 如填土表面倾角口和 墙背倾角t ；t 等) 对妒。的影响，这不能反映出土压力计算中各项复杂因素之问的关 系，往往导致“低墙保守，高墙危险”的情况出现。故不宜采用“等代内摩擦角” 的换算方法，最好按实际的c 计算粘性土的主动土压力。由于目前计算机技术与 计算方法的日益发展，采用迭代优化的方法可以很方便的解决这样的问题。 3 4 2 土压力分布 土压力沿墙高的分布规律是：当填土表面为平面时，库仑土压力分布与朗金理 论的一样，呈三角形分布，如图3 2 b 所示。然而，多数试验的观测结果表明， 刚性墙背的土压力分布呈曲线形，其上半部近于直线，土压应力的最大值出现在 下半部，并在接近墙踵处趋干零，如图3 2 c 所示。墙背的土压力分布特性与墙 身位移条件有关，墙身位移的形式有以下四种：( 1 ) 刚性墙绕墙趾或墙踵转动：( 2 ) 绕墙顶转动；( 3 ) 绕挡墙基地面滑动；( 4 ) 以上位移形式的综合。在第一种位移 条件下，土压力接近三角形分布( 直线分布) ，而在其余各种位移条件下，则呈曲 线分布。实际上挡土墙的位移是因土压力的作用和地基不均匀沉降所造成的，常 为各种形式所产生的位移的综合，故墙背土压力的分布多呈曲线形。一些大型模 型试验结果表明： 1 ) 曲线形分布的实测土压力总值与按库仑理论计算的土压力总值近似相等： 2 ) 在平面填土的情况下，曲线分布的土压力总值作用点距墙趾的高度约为 ( 0 4 0 4 3 ) h ： j = 一 _ a - 王吲 b c | 图3 2 土压力分布 f i g3 2 t h ed i s t r i b u t i n go f o i lf o r c e 重庆大学硕士学位论文3 挡土墙土压力探讨 根据这些研究结果，为了使挡土墙设计理论符合实际受力条件：有的轻型挡土 墙( 如锚定板挡土墙) 的上压力分布图采用倒梯形，即上部0 5 h 高度为三角形， 下部0 5 h 高度为矩形，其形心距底部约为0 4 h ，如图3 2 d 所示。 3 4 3 破裂面形状 库仑土压力理论假定在极限状态时所产生的破裂面为平面，这一假定大大简 化了计算，但是与实际不符。试验和理论分析均表明，破裂面并非平面而是曲面， 而填土为粘性土时曲面则表现得更显著，在断面上呈对数螺旋形状。由于假定破 裂面为平面给库仑理论计算结果带来一定误差，使主动土压力的计算值偏小。此 外，计算结果还表明，破裂面的弯曲程度随墙背倾角n 和墙背摩擦角6 的增大而 增大，当a 和6 小于1 5 0 时，库仑理论带来的计算误差一般不超过1 0 ，当墙背倾 角过大时，尤其是仰斜墙背，按库仑理论设计是不安全的。而且，由于库仑理论 破裂面的平面假定，使得破裂棱体平衡所必需的力系对于任何一点的力矩和应等 于零这个条件不能满足。同样，在依据库仑理论计算主动土压力时，也存在这类 误差，不过表现得没有这么显著。 3 4 4 墙背摩擦角 墙背摩擦角与填土的物理、力学性质( 缈值愈大，6 值也愈大) 、墙背的粗糙 程度( 墙背愈粗糙，6 值也愈大) 以及墙背接触面上填土的含水量等因素有密切 关系，另外还与墙移动方式和排水过程有关，而与墙背的倾斜角和墙顶填土表面 形状关系不大。现在已有大量试验证实了上述观点，试验测得的墙背摩擦角均大 于3 4 p d ，有的甚至大于4 5 p d 。一般情况下，墙背摩擦角根据墙背粗糙程度和排 水条件确定，以往在应用库仑理论时，假定墙背摩擦角等于墙背倾角a ，即6 只 随a 的变化而变化，而与其它因素无关。这不仅与实际情况不符，而且计算结果 误差也较大，如一般重力式挡土墙墙背坡度大多为1 ：0 。2 5 ，即a 一1 4 0 ，而填土 等效内摩擦角为3 5 0 ，石砌污工墙身的j = 2 34 2 0 ，两种取值相差达9 。1 8 ，根 据两种取值所设计的墙身截面相差1 0 2 0 。 3 5 锚杆式挡土墙的设计计算特点 锚杆式挡土墙结构中的锚杆体是一种安设在岩土层深处的受拉杆件，它的一端 与工程构筑物相连，另一端锚固在岩土层中，必要情况下对其施加预应力来承担 土压力、水压力以及风荷载所产生的压力作用，从而有效的承担结构荷载，防止 构筑物产生过大的变形而发生破坏。 3 5 1 锚杆的概念 锚杆通常包括锚固体( 或称为内锚头) 、拉杆及锚头( 或称为外锚头) 三个基 本组成，他们组成了一个锚固体系来承担岩土体所施加的荷载，将破坏岩土体施 1 2 重庆大学硕士学位论文 3 挡土墙土压力探讨 加于挡土墙上的下滑力传递到稳固的岩土体上，从而保证了构筑物和边坡的稳定。 这三部分的作用如下：1 ) 锚头是构筑物和拉杆的连接部分，将来自构筑物的力有 效地传给锚杆。通常锚固是偏离水平线向下倾斜的，它与作用在挡土墙上的侧向 土压力不在同一个方向上，因此，构件本身的性质和锚杆的空间位置，对于锚头 的受力有着很大的影响。2 ) 锚杆中的拉杆位于锚杆装置的中心线上，将来自锚头 的拉力传递给锚固体。因此拉杆的抗拉强度是拉杆设计的主要参数。3 ) 锚固体位 于锚杆的尾部和稳定的岩土体中，将来自拉杆的拉力通过摩阻力传递到稳固的岩 土层。因此锚固体的可靠性直接决定着整个锚固工程的可靠度，锚固体的设计是 否合理关系到锚固工程的安全可靠度。 3 5 2 锚杆的锚固机理 由于锚杆的锚固体是和复杂多变的岩土体相结合，每个锚固工程都有各自不同 的地质环境，而且锚固体埋设在岩土体中，这对观测和研究锚固的力学行为和锚 固作用原理带来了很大困难。现有的大多数的锚杆支护作用和效果的试验都是在 限定条件下和理想化了的模型基础上进行的。和实际工程情况都存在着较大的不 同。目前有以下几种被普遍认同的锚固作用机理： 1 ) 悬吊作用理论锚杆支护通过锚杆将软弱、松动、不稳定的岩体悬吊在深 层稳定的岩土体中，滑落岩土体的重力或下滑力通过锚杆传递给稳固的岩土体。 这里锚杆相当于悬吊拉杆，如图3 3 ： 坚硬圄岩 图3 3 锚杆的悬吊作用 f i g 3 3t h eh a n ge f f e c to f t h ea n c h o r 3 5 3 组合粱作用原理 组合梁是比较早就提出来的一种模型，它把薄层状岩体看成一种梁( 简支梁或 悬臂梁) ，当没有设置锚杆时，它们只是简单的重叠在一起，由于层间剪力太小， 在荷载作用下，每个梁均产生各自的变形上下缘分别处于受压和受拉状态。当用 锚杆将它们固定成组合梁时，各层梁之间便会产生相互挤压，产生层间摩擦力， 这种效应提高了组合梁的整体抗弯强度。 重庆大学硕士学位论文3 挡土墙土压力探讨 口+ 毒- e ：争一 吾雪 图3 4 组合梁前后的挠度以及应力对比示意 f i g3 4t h e b e n da n df o r c eo f t h eb e a m 3 5 4 挤压加固作用原理 兰格( t a l a n g ) 通过光弹试验证实了锚杆的挤压加固作用。当在弹性体上安 装具有预应力的锚杆时，发现在弹性体内便形成以锚杆两头为顶点的锥形体压缩 区，若将锚杆以适当间距排列，使得相邻锚杆的锥形体压缩区相重叠，便形成一 定厚度的连续压缩带。 图3 5 连续压缩带示意图 f i g 3 5 , c o m p r e s ss t r a p 糟 这些锚固作用原理在实际的工程实践中并不是孤立存在的，往往是几种作用同 时存在并综合作用，只不过在不同地质条件下某种作用占主导地位罢了。 3 5 5 锚杆式挡土墙后土压力的特点 锚杆式挡土墙作为一种柔性结构，它可以允许微量的变形，可使沿墙的侧向上 压力进行重新分布，从而使得这种结构的侧向上压力有很大的不确定性。从理论 上分析和从实测结果来看，影响锚杆式挡土墙后土压力的分布因素非常复杂。它 1 4 誉 重庆大学硕士学位论文3 挡土墙土压力探讨 包括被挡土的特性、挡土结构的相关刚度、土与挡土墙接触面的性质、挡土墙位 移大小与方向、锚杆层数以及弹性大小、是否采用逆做法施工、墙后岩土类别和 软硬等情况等等。不同条件下，其土压力分布图形有很大的区别。即使在静载作 用下，锚杆式挡墙和土的相互作用问题也是很复杂的，因而通过简化假设使问题 容易处理。所以结合实际工程经验和理论分析，在具体的工程设计时都根据勘测 资料将土压力简化为随深度成线性增加的三角形应力图形或者呈梯形分布。国家 规范建筑边坡工程技术规范( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 针对实际工程设计情况做了相 应的简化规定。 重庆大学硕士学位论文4 锚杆式挡土墙计算机辅助设计数学模型与计算方法 4 锚杆式挡土墙计算机辅助设计数学模型与计算方法 4 1 土压力计算模型 当前挡土墙的土压力计算都采用著名的库仑土压力公式与朗金土压力公式，一 般认为，库仑土压力理论计算主动土压力比较接近实际，但是计算被动土压力误 差较大；朗金土压力理论计算主动土压力偏于保守，但计算被动土压力反而偏小。 在实际计算时一般都采用库仑公式计算主动土压力，用朗金公式计