（道路与铁道工程专业论文）高陡路基稳定性及支挡结构研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第l 页 摘要 随着国民经济建设的发展，我国铁路和公路建设有了飞速的发展，并 不断向丘陵、山区延伸，从而路基边坡稳定问题日见突出。路基是否稳定 关系到工程是否能够顺利进行和安全使用，为满足高速( 快速) 铁路线形 要求，在地形起伏较大的丘陵山区，将会遇到大量的支挡结构。 桩基托梁挡土墙支挡结构是一种新型的支挡结构，它主要用于河岸严 重冲刷、陡坡岩堆、稳定性较差的陡坡覆盖土、基岩埋藏较深、与既有线 紧邻等地段路基。目前这种结构应用较为广泛，但是其设计理论相对滞后 于工程应用，随着国家西部大开发战略的实施，更多的铁路、公路和水电 等基础设施项目陆续投入建设，桩基托梁挡土墙支挡结构也将大量应用， 所以本文结合实际工点对桩基托梁挡土墙结构进行了研究。 首先，对实际高陡路基工点，采用土工商业软件g e o s l o p e 中用于边 坡稳定性分析计算的s l o p e w 模块，对工点典型断面路基稳定性在采取桩 基托梁挡土墙前后稳定性进行了分析，对工点的放坡填筑路基和桩基托梁 挡土墙路基两种方案进行比选。 其次，分析现有桩基托梁挡土墙内力计算理论，对实际工点桩基托梁 挡土墙支挡结构进行实例分析。求出桩基托梁挡土墙内力分布情况。 然后，采用商业有限元软件a b a q i7 s 对桩基托梁挡土墙结构中的托梁、桩 基等构件进行了数值分析：分析了挡墙刚度对托梁的影响：分析了桩项荷载 ( 竖向压力、水平推力、弯矩) 、软弱地层变形模量、嵌固段岩土体的变形模 量、桩身弹性模量、软弱地层厚度、嵌固深度等8 个主控因素对桩基内力和位移 的影响。 。 最后，对实际工点桩基托梁挡土墙支挡结构，建立三维空间数值模型 进行有限元分析，对桩基托梁挡土墙的位移变化趋势，应力分布情况及其 墙后土压力的大小和分布情况进行研究，分析了桩基托梁挡土墙力学作用 机理，并结合实际工点桩基托梁挡土培进行了现场测试研究，以期对工程 设计施工效果进行验证从而为类似的工点的设计施工提供参考 关键词：高陡路基；边坡稳定：桩基托梁挡土墙：数值分析 第1 l 页西南交通大学硕士研究生学位论文 a b s t a c t w i mt h ed e v e l o p m e n to f n a d o n a le c o n o m i cc o n s t r u c t i o n t h ec o n s t r u c t i o no f r a i l w a ya n dh i g h w a yi sd e v e l o p i n gq u i c k l ya n di t sc o v e r a g ee x t e n d st oh i l l sa n d m o u n t a i n sw h i c hb r i n g so u ts i l _ b g r a d es l o p es t a b i l i t yp r o b l e m s t h es t a b i l i t yo f s u b g r a d ec o n c e r n st h es m o o t h n e s sa n du s es a f e t yo ft h ee n g i n e e r i n g t om e e tt h e a l i g n m e n td e m a n do fh i g l is p e e d ( f a s t ) r a i l w a y , al o to fs u p p o r t i n gs t r u c t u r e sw i l l b en e e d e di nu n d a l a t i n gh i l l sa n dm o u n t a i n s 皿er e t a i n i n gw a l lo ns u p p o r t e db e a m so fp i l ef o u n d a t i o ni san e wt y p eo f s u p p o r t i n gs t r u c t u r em a i n l yu s e di ns u b g r a d c sw h e r er i v e r b a n k sa r es e v e r e l y e r o d e d ，w h e r et h e r oa r es t e e ps l o p e sa n dr o c kh e a p s 、r h e 佗t h c l ei sc o v e rs o i l 0 1 1t h es t e e ps l o p e sw i t hp o o rs t a b i l i t y 、w h e r et h eb e d r o c ki sd e e p l ys e a t e da n d i ns e c t i o n sw h i c ha a d j a c e n tt o e x i s t i n gl i n e s n o w a d a y s t h i ss t r u c t u r ei s w i d e l yu s e da l t h o u g hi t sd e s i g nt h e o r yc a nn o tk e e pu pw i t hi t se n g i n e e r i n g a p p l i c a t i o n w i mt h ed e v e l o p m e n to ft h ew e s tr e g i o n s w i mt h ec o n s t r u c t i o no f m o r oi n f r a s t r u c t u r e se g r a i l w a y s 、h i g h w a y sa n dw a t e rc o n s e r v a n c i e s ，t h i sk i n d o fr e t a i n i n gw a l lw i l lb em o r ep o p u l a r s ot h i sp a p e rd o e , sar e s e a r c ho nt h i s r e t a i n i n gw a l lb a s e da tap r a c t i c a ls i t e f i r s t l y , t h es t a b i l i t i e so fs u b g r a d es l o p ew i t l lo rw i t h o u tt h er e t a i n i n gw a l lo n s u p p o r t e db e a m so fp i l ef o u n d a t i o na r eb o t ha n a l y z e db yu s eo fs l o p e ，w m o c i u l ei nt h eg e o t e e h n i c a lb u s i n e s ss o f t w a r eg e o s l o p ew h i c hi su s e dt o a n a l y z et h es l o p es t a b i l i t yo nt h eb a s i so fo n eh i g h s t e e ps u b g r a d es i t e t w o a c h e r n e so faf i l l i n gs u b g r a d ew i t h o u ta n yp r o t e c t i o na n dt h eo n ew i t hr e t a i n i n g w a l lo ns u p p o r t e db e a m so f p i l ef o u n d a t i o na r ec o m p a r e d s e c o n d l y , t h er e t a i n i n gw a l lo ns u p p o r t e db e a m so fp i l e f o u n d a t i o na ta p r a c t i c a ls i t ei sa n a l y z c dt ow o r ko u tt h ed i s t r i b u t i o no f i n t e m a lf o r c e si nt h ew a l l a c c o r d i n gt ot h ea n a l y s i so f t h ee x i s t i n gc o m p u t a t i n gt h e o r i e so f i n t e r n a lf o r c e si n s u c hr e t a i n i n gw a l l s t h e n , n u m e r i c a la n a l y s i so fs u p p o r t e db e a ma n dp a r t so fp i l ef o u n d a t i o ni n t h ew a l ii sc a r d e do u ta d o p t i n gt h ef i n i t ee l e m e n tb u s i n e s ss o f t w a r e - a b a q u s i t a n a l y z e st h ei n f l u e n c eo ft h er e t a i n i n gw a l ls t i f f i a e s so ns u p p o r t e db e a ma n d c a l c u l a t e sh o wt h ee i g h tm a j o ra s p e c t si n c l u d i n gt h el o a d so nt h et o po ft h ep i l e ( v e r t i c a lp r e s s u r e 、h o r i z o n t a lt h r u s t 、b e n d i n gm o m e n t s ) 、d e f o r m a t i o n m o d u l u so fs o f tl a y e r 、d e f o r m a t i o nm o d u l 璐o fi n l a i dr o c k s 、d a s t i cm o 血l 岫o f t h ep i l e 、t h ed e p t ho fs o f tl a y e ra n di n l a i dd e p t ha f f e c tt h ei n t e r n a lf o r c e sa n d 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 il 页 d i s p l a c 豇n e n t so f t h ep i l ef o u n d a t i o n f i n a l l y ，t h ef i n i t ee l e m e n ta n a l y s i so f t h er e t a i n i n gw a l lo ns u p p o r t e db e a m s o fp i l ef o u n d a t i o no i lt h ee s t a b l i s h m e n to fat h r e e - d i m e m i o n a ln u m e r i c a lm o d u l e i sp 盯f o r m t mt os t u d yt h ed i s p l a c e m e n tc h a n g i n gt r e n do ft h er e t a i n i n gw a l l 、 t c t r e s sd i s t r i b u t i o na n dt h ev a l u ea n dd i s t r i b u t i o no fs o i lp r e s s u r eo nt h eb a c ko f t h ew a l l 1 r i 坞m e c h a n i c sf u n c t i o nm a c h a n i s mo ft 1 1 er e t a i n i n gw a l lo ns u p p o r t e d b e a m so fp i l ef o u n d a t i o ni so b t a i n e d i ta l s os t u d i e st h ef i e l dt e s to far e t a i n i n g w a l lo ns u p p o r t e db e a m so fp i l ef o u n d a t i o na to n es i t et ov e i l f yt h ed e s i g na n d c o n s t r u c t i o ne f f e c t s , w h i c hc 姐p r o v i d es o m er e f e r r e n e ef o rs i m i l a rd e s i g na n d c o m t r u c t i o n k e y w o r d s ：h i 曲- s t c m ps u b g r a d e ；s l o p es t a b i l i t y ；r e t a i n i n gw a l lo n 剐卿p o n e d b e a m so f p i l ef o u n d a t i o n ；n u m e r i c a la n a l y s i s 西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 第1 章绪论 1 1 研究背景与意义 随着国民经济建设的发展和西部大开发的进行，我国铁路和公路建设 有了飞速的发展，并不断向丘陵、山区延伸，跨越不同的地质地貌，众所 周知，交通工程是一种线( 带) 状构造物，一条线路少则十几公里，多则 上百公里，甚至上千公里，受线形、纵坡等技术标准的限制，不可避免的 出现了大量的高填深挖路基，。从而路基边坡稳定问题日见突出，随着边坡 面积的激增，边坡病害和破坏亦愈加严重。边坡破坏所带来的影响，除了 自身的稳定问题造成塌方而堵塞交通，影响行车安全外，破坏造成坡前堆 积，也会严重影响路基排水或损坏临近构造物。边坡问题得不到解决，就 根本谈不上目前越来越受重视的交通工程景观建设。然而由于对边坡的设 计、施工缺乏综合考虑和合理依据而为公路工程埋下隐患，造成边坡失稳 破坏的例子常有发生( 尤其在山区) ，这不仅延误通车，而且给国家造成巨大 的经济损失。因此，边坡的稳定性研究对于铁路、公路建设运行具有非常 重要的意义。 边坡治理是一项技术复杂、掩工困难的灾害防治工程。在铁路、公路 路基工程中，支挡结构被广泛应用于稳定路基、路堑、隧道洞口以及桥梁 两端的路基边坡等，主要用于承受土体侧向土压力。在水利、矿场、房屋 建筑等工程中，支挡结构主要用于加固山坡、基坑边坡和河流岸壁。当以 上工程或其它岩土工程遇到滑坡、崩塌、岩堆体、落石、泥石流等不良地 质灾害时。支挡结构主要用于加固或拦挡不良地质体。支挡结构是岩土工 程中的一个重要组成部分，随着我国国民经济的提高与基本建设的不断发 展，以及支挡结构技术水平的提高和减少环境破坏、节约用地观念的加强 等，支挡结构在岩土工程中的使用越来越广泛，特别是在铁路、公路路基 及建筑基础工程中所占的比重也越来越大【1 1 。经过多年的工程实践和理论研 究，支挡结构的发展应用较迅速，抗滑桩、桩基托梁挡土墙、锚定板式挡 土墙等新型支挡结构在工程实践中大量应用。 桩基托梁挡土墙是铁路交通等工程建设中广泛应用的一种支挡结构形 式。桩基托梁挡土墙是挡土墙结构发展而来的，挡土墙是用于支承路基填 土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。在路基工程中， 第2 页西南交通大学硕士研究生学位论文 挡土墙可用以稳定路基和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，防止 水流冲刷路基，并经常用于整治坍方、滑坡等路基病害1 2 l 。衡重式挡土墙是 一种改进形式的重力式挡土墙，其作用机理与其它重力式挡土墙相同，都 是依靠自身重量来维持稳定，其优点是利用衡重台上的填土和全墙重心后 移来增加挡土墙的稳定性。减小断面尺寸，也有利于减小主动土压力，增 大抗倾覆能力，墙胸陡，下墙背倾斜。可减小基础开挖，在山区或基础开 挖难度较大的地区应用较广泛，通常在挡土墙下设置托梁和桩基，利用托 梁将挡土墙上所受作用力传递给桩基，来满足对地基承载力的要求，这样 就形成了桩基托梁挡土墙结构。因此桩基托梁挡土墙常常作为一种支挡结 构体系出现在工程实际中【3 j ，桩基础一方面可以满足上部结构对地基承载力 的要求，另一方面可以起到加固边坡的作用。 桩基托梁挡土墙结构设计理论的发展关键是正确计算作用在挡土墙的 土压力以及正确分析挡土墙、托梁和桩基三者之间的传力机理。目前在常 规设计中土压力一般取极限状态下的主动土压力，而结构之间作用主要通 过力学简化来完成的，但由于结构之间的力的传递受众多因素影响，如填 土材料、桩的种类及托梁厚度等，力学简化计算出的结果往往与实际测量 结果偏差较大 随着国家西部大开发战略的实施，更多的铁路、公路和水电等基础设 施项目陆续投入建设，桩基托梁挡土墙支挡结构也将大量应用，必须对桩 基托梁挡土墙设计理论进行深入研究，为以后的设计计算提供参考资料 1 2 边坡稳定性分析研究概况 边坡稳定性分析是土木工程领域一大主要课题，其研究始于2 0 世纪2 0 年代以前。到目前为止，边坡稳定性分析评价方法经历了三个阶段，即传 统的定量分析评价方法阶段、数值分析方法阶段和目前采用的综合评价方 法阶段【4 1 。 边坡稳定分析的核心包括两个方面的内容：一是对给定的滑动面进行 边坡稳定分析计算，确定与该滑动面相对应的安全系数：二是在所有可能 的滑动面中，不断重复上述步骤，寻找临界( 最危险) 的滑动面，即最小 安全系数对应的滑动面。 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 1 2 1 边坡稳定分析方法 边坡稳定分析方法主要是指对给定的滑动面求解安全系数的过程。下 面简单介绍一下边坡稳定分析的方法。 1 极限平衡法 极限平衡法假设边坡出现滑动面且处于极限平衡状态，然后将边坡离 散成有垂直边界的土条，假设土条为刚体( 即不考虑土条的变形) ，建立 土条的静力平衡方程，通过求解静力平衡方程得到边坡的安全系数。在过 去将近一个世纪中，这一方法逐步从一种经验性的简化方法发展成一个具 有完整理论体系、较为成熟的分析方法。由于极限平衡法物理意义明确， 计算结果可靠，到目前为止，它仍是边坡稳定分析的主要方法之一，已被 广大工程技术人员广泛地采用。但是，由于问题常常是超静定的，所以需 要引入一些假设，不同学者通常采用不同的假设，形成了常见的如b i s h o p 。 j a n b u , s p e n c e r ，m o r g e n s t e m - p r i n c e 等不同的极限平衡法。 2 塑性极限分析 塑性极限分析考虑理想塑性的应力应变关系，最早f h d r u c k e r 和p r a g e r 于1 9 5 2 年提出。利用塑性极限分析法研究边坡的稳定性时，不研究边坡变 形的全过程，而是假设土体为刚塑性体，即当边坡中的应力小于屈服应力 时，土体就像刚体一样不变形；而当应力达到屈服应力时，土体就像理想 塑性体那样产生塑性流动，坡体的局部或全部进入塑性状态，边坡就丧失 了稳定性。边坡的稳定分析主要建立在上、下限定理的基础上。 ( 1 ) 下限定理：在所有与静力容许的应力场相对应的荷载中，极限 荷载最大。 ( 2 ) 上限定理：在所有与机动容许的速度场相对应的荷载中，极限 荷载最小。 因此，塑性极限分析法的关键是构造静力容许的应力场和机动容许的 速度场。塑性极限分析法的理论基础是塑性力学的塑性位势理论。在塑性 分析中，塑性上、下限定理具有十分重要的地位。从理论上讲，由平衡条 件、屈服条件、流动法则以及相应的边界条件，足以确定应力场、速度场 和破坏荷载，但是由于实际问题的复杂性，要求全面满足静力方程、运动 方程以及相应边界条件的解答几无可能。相对极限平衡法而言，塑性极限 分析法理论基础严密，计算成熟，能够考虑坡体材料的应力应变关系对边 第4 页西南交通大学硕士研究生学位论文 坡稳定性的影响在边坡稳定分析中，上、下限定理可以建立在安全系数 的基础上，即： ( 1 ) 下限定理：在所有与静力容许的应力场相对应的安全系数中， 实际的安全系数最大 ( 2 ) 上限定理：在所有与机动容许的速度场相对应的安全系数中， 实际的安全系数最小。 但是，塑性极限分析方法得出的只是安全系数的一个范围，而且只能 得出非常理想条件下边坡稳定的解析解；在上、下限解相同时，才可以认 为得到了精确解答，而在一般情况下坡体到底是否稳定较难明确判定。 3 强度折减法( 数值方法) 随着计算机软件、硬件的飞速发展，采用理论体系更为严格的方法进 行边坡稳定分析己经成为可能。强度折减法全面满足了静力许可应变相容 和应力应变之间的本构关系；同时，因为是采用数值分析方法，可以不受 边坡几何形状不规则和材料不均匀的限制，是分析边坡应力、变形和稳定 性比较理想的方法。与极限平衡法相比，强度折减法有如下优点： ( 1 ) 能够对具有复杂地貌、地质的边坡进行计算； ( 2 ) 能够考虑土体的应力应变关系，不必引入过于简化的假设条 件，保持了严密的理论体系； ( 3 ) 能够模拟土坡的失稳过程及其滑动面形状：破坏“自然”地发生在 土体抗剪强度不足以抵抗剪应力的地方： ( 4 ) 能够模拟土体与支护的共同作用； ( 5 ) 求解安全系数时，可以不需要假设滑动面位置和形状，也无需 进行条分计算； ( 6 ) 能同时计算渗流作用，得到边坡稳定分析中很重要的参数：孔 隙水压力，对于土体变形和渗流作用的耦合计算有很大的优势。 但是强度折减法中边坡失稳的判别标准也是一个被广泛关注的问题。 目前主要有两类：一是以强度折减法数值计算不收敛作为边坡失稳的标 志：二是以广义塑性应变或者等效塑性应变从坡脚到坡顶贯通作为边坡失 稳的标志。另外，强度折减法计算一般会耗费较多的时间，对分析人员的 理论水平也有较高的要求。 4 极限平衡法与有限元耦合分析法 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 极限平衡法与有限元耦合分析法，利用有限元分析获得边坡整体的应 力场；然后在应力场已知的条件下，对边坡进行条分后对土条界面上的应 力进行积分，得到各土条界面上不做任何假设的条间力，然后利用极限平 衡理论进行安全系数的求解。 可见，耦合分析法不再做任何条间力的假设，保持了理论的严密性； 同时，求解安全系数时采用极限平衡理论，避免了有限元计算中如何确定 边坡失稳标准这个问题。因此，极限平衡法与有限元的耦合法较好解决了 极限平衡法和有限元法各自的缺点。 1 2 2临界滑动面的搜索 临界滑动面的搜索是边坡稳定分析研究中另一个十分重要的问题。在 实际工程中，边坡稳定分析的最终目的可归结为对应最小安全系数的滑动 面的求解问题。在利用极限平衡法进行边坡稳定分析时，需要预先假设滑 动面的位置。对于给定的滑动面，基于各种假设条件的条分法才能够给出 边坡的稳定性系数( 即安全系数) 。但是边坡实际的滑动面是未知的，为 了获得边坡最小安全系数，就必需假设许多可能的滑动面，进行大量的试 算，对应于最小安全系数的滑动面才被认为是临界滑动面，即最危险滑动 面。 为了快速、准确地获得边坡的最小安全系数，临界滑动面的搜索方法 是一个关键问题。如果我们不能在众多的可能滑动面中找出安全系数真正 最小的临界滑动面，那么有关该边坡稳定性的讨论将是不正确的。自2 0 世 纪8 0 年代以来，有很多学者致力于研究临界滑动面的搜索技术，它们提出 了各种不同的搜索方法。 1 枚举法 这是最原始、最简单的方法，但也是最方便、意义最明确的方法。基 本思想是根据一定的模式，比较不同自变量的目标函数，经过比较筛选， 最终找到最小值及与其相对应的临界滑动面。例如，任一圆弧滑动面可以 用其圆心坐标( x ，y ) 和半径r 确定，其相应的安全系数f 可表达为f = t l x ，y ，订。这是一个三个自由度的问题，安全系数f 是一个关于x ，y ，r 的三维数组，可以通过变换不同的( x ，y ，r ) ，最后找到与最小安全系数 对应的圆心坐标( x ，y ) 和半径r 。 2 数学规划法 第6 页西南交通大学硕士研究生学位论文 这种方法将滑动面蝣) 看成一个变量，再将安全系数f 看成是滑动面y ( x ) 的泛函。数学规划方法搜索临界滑动面主要有线性非线性规划法和动态规 划法。在2 0 世纪8 0 年代，国内外采用数学规划方法搜索临界滑动面的研究 较多。不同的研究者采用的搜索移动方法和具体问题采取的措施各不相 同，如：阎中华【5 j 采用了0 6 1 8 法，孙君实【6 】采用了复型法。此方法由于需要 对目标函数进行求导运算，所以使计算过程变得异常复杂。当土层比较复 杂时，实践表明搜索结果将变得异常粗糙，而且容易陷入局部极值点。所 以，该方法目前适用于均质土坡、上部荷载和地下水条件较简单等情况。 曹文贵等f 7 】基于j a n b u 法，利用动态规划理论( 多阶段决策的优化理论) 解 决了非圆临界滑动面的确定及相应安全系数的求解问题。 3 随机搜索方法 随机搜索方法分为随机产生方法和随机修改方法。随机产生方法就是 由计算机随机地产生大量的假设滑动面，分别对其进行安全系数的计算和 比较，认为其中安全系数最小的滑动面即为临界滑动面。s i e g e l i s 采用了这 种方法。随机修改策略是在现有最优解基础上进行微小的随机修改，然后 把新滑动面与原滑动面进行比较，找到两者中相对较优的解答。然后在这 个新的最优解基础上依次搜索下去，直至满足相应的收敛标准。g r e c o 9 采 用了这种方法。从搜索效率上来讲，随机修改方法比随机产生方法要高。 4 非数值方法 这类方法是在近期计算机发展基础上形成的，称为非数值方法。这类 方法被广泛应用于管理科学、计算机科学、分子物理学及超大规模集成电 路设计中，用于解决组合优化问题。非数值分析利用计算机具有容量大、 计算速度快的优点，通过大量随机采样来找到目标函数的最优值。随着数 学理论和计算机的快速发展，近期在临界滑动面的搜索领域涌现了诸如模 拟退火【1 0 1 ，遗传算法 1 1 , 1 2 】，神经网络【1 3 】和蚂蚁算法等方法，显示了良好的 应用前景。这些新理论和方法大大推动了边坡稳定的研究进展，但由于它 们仍处于探索阶段，仍然存在很多不足，如：滑坡系统参数的选择往往受 到实际监测资料的限制，资料自身的误差影响滑坡过程中的非线性方程的 建立；对于滑坡的自组织特征，由于边坡系统内部和外部之间的相互作用 和耦合机制不清楚，难以建立模型来分析和研究，只能通过系统的一些宏 观参数的数值分析来研究系统的复杂性 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 1 3 挡土墙的分类及发展 1 3 1 挡土墙分类 工程中采用的挡土墙类型很多，通常按结构型式、建筑材料、墙背形 状、墙在断面上所处的位置、施工方法及环境条件等进行分类【l5 1 。 按结构型式挡土墙可分为重力式( 包括衡重式) 挡土墙和轻型挡土 墙。 根据建筑材料的不同，挡土墙可分为石砌挡土墙、混凝土挡土墙和钢 筋混凝土挡土墙等。 根据挡土墙墙背的倾斜方向，挡土墙可分为俯斜、仰斜和垂直挡土墙 三种。如图1 1 所示，墙背向外侧倾斜时称为俯斜；培背向填土一侧倾斜时 称为仰斜；墙背竖直时称为垂直。墙背只有单一坡度时，称为直线型墙 背；若多于一个坡度，则称为折线型墙背。 俯斜仰斜 垂直 图1 1 俯斜、仰斜和垂直挡土墙 根据挡土墙在路基横断面上的位置，可分为路肩墙、路堤墙和路堑 墙。当墙顶置于路肩时，称为路肩式挡土墙；若挡土墙支撑路堤边坡，墙 顶以上尚有一定的填土高度，则称为路堤式挡土墙；若挡土墙用于稳定路 堑边坡，则称为路堑式挡土墙。 此外，还有整治滑坡的抗滑挡土墙，车站内的站台墙、拦石墙等。 1 3 2 常用挡土墙类型介绍 一直以来我国铁道工程中应用较多的是重力式挡土墙，近几十年来， 发展了许多采用钢筋混凝土构件组成的轻型挡土培，如钢筋混凝土悬臂式 第8 页西南交通大学硕士研究生学位论文 挡土墙、加筋土挡土墙、锚定板挡土墙、锚杆( 索) 挡土墙、对拉式挡土 墙及带卸荷板式挡土墙等” 1 射，其基本型式及特点见下列图文 ( 1 ) 重力式挡土墙( 见图1 - 2 ( a ) ) 图1 2c a ) 重力式挡土墙图1 2 ( b ) 衡重式挡土墙 1 ) 依靠墙身自重承受土侧压力； 2 ) 以前一般用浆砌片石砌筑，现在按规范大部分采用混凝土灌注； 3 ) 型式简单、取材容易、施工简便； 4 ) 适用于一般地区、浸水地区、地震地区的边坡支挡工程。当地基承 载力较低时或地质条件较复杂时应适当控制墙高。 ( 2 ) 衡重式挡土墙( 见图1 2 ( b ) ) 1 ) 利用衡重台上的填土重量及墙体自重共同抵抗土压力以增加墙身的 稳定性： 2 ) 由于墙胸坡陡、下墙背仰斜，在陡坡地区可降低墙高，减少基坑开 挖面积； 3 ) 以前主要用于地面横坡较陡的路肩墙和路堤墙，也可用于拦挡落石 的路堑墙。现在一般用于路肩或拦挡落石的路堑地段。 ( 3 ) 卸荷板式挡土墙( 见图1 - 2 ( c ) ) 1 ) 在衡重式挡墙的墙背设置一定长度的水平卸荷板，卸荷板上的填料 作为墙体重量，而卸荷板又减少了衡重式挡墙下墙的土压力，增加全墙的 抗倾覆稳定性： 2 ) 地基强度较大地段、墙高大于6 m 时，卸荷板式挡土墙与衡重式挡 墙相比显示出优越性，铁路系统目前在铁路路基支挡结构设计规范【1 9 】 西南交通大学硕士研究生学位论文第9 页 中规定本结构使用范围为墙高大于6 m 、小于1 2 m 的路肩墙。 图1 2 ( c ) 卸荷板挡土墙图i - 2 ( d ) 托盘式挡土墙 ( 4 ) 托盘式挡土墙( 见图l - 2 ( d ) ) 1 ) 在挡墙顶部设置钢筋混凝土的托盘及道碴槽，承受线路上部建筑和 列车的重量； 2 ) 在山区地面陡峻地带或受既有线建筑物影响横向空间受限制时，设 置托盘式挡土墙可降低墙高、缩短横向距离； 3 ) 要求挡墙的地基承载力较高。 ( 5 ) 悬臂式挡土墙( 见图l - 2 ( e ) ) 1 ) 采用钢筋混凝土材料，由立臂、墙趾板和墙踵板三部分组成，墙的 断面尺寸较小； 2 ) 墙高时立臂下部弯矩较大； 3 ) 宜在石料缺乏，地基承载力较低的填方地段使用： 4 ) 墙高不宜大于6 m ，当墙高大于4 m 宜在墙面板前加肋。 第1 0 页西南交通大学硕士研究生学位论文 墙 图1 2 ( e ) 悬臂式挡土墙图1 2 ( f ) 扶壁式挡土墙 ( 6 ) 扶壁式挡土墙( 见图1 2 ( f ) ) 1 ) 当悬臂式挡墙的立臂较高时，沿墙长方向每隔一定距离加一道扶壁 把墙面板和墙踵板连接起来，以减少立臂下部的弯矩； 2 ) 扶壁式挡墙宜在石料缺乏，地基承载力较低的地段使用，墙高不宜 大于l o m 。装配式的扶壁式挡土墙不宜在不良地质地段或设计地震动峰值加 速度为0 2 9 ( 原八度) 及以上地区采用。 ( 7 ) 锚杆( 索) 挡土墙( 见图1 2 ( g ) ) 1 ) 锚杆( 索) 挡土墙是由钢筋混凝土肋柱、墙面板或锚杆( 索) 组 成。靠锚杆( 索) 拉力来维持稳定，肋柱、挡板可预制。有时，根据地质 和工程具体情况，也采用无肋柱式锚杆( 索) 挡土墙： 2 ) 锚杆( 索) 挡土墙适用于一般地区岩质或土质边坡加固工程( 铁路 支挡规范规定目前仅使用于岩质路堑边坡) ，可采用单级或多级，在多级 墙的上下级之间应设平台，每级墙高不宜大于8 m ，总高度宜控制在1 8 m 以 内。 ( 8 ) 锚定板挡土墙( 见图1 2 ( h ) ) 1 ) 锚定板挡土墙是由钢筋混凝土墙面板和锚杆及锚定板共同组成，靠 固定在稳定区的锚定板提供的抗拔力来维持墙体的稳定。有时，根据地质 和工程具体情况，也采用无肋柱式锚定板挡土墙； 2 ) 锚定板挡土墙适用于一般地区，置于路肩或路堤坡脚，墙高不大于 l o m 的，设计时可采用单级或双击。在双级墙的上下级之阔应设平台。单级 西南交通大学硕士研究生学位论文第”页 墙高不宜大于6 m ，双级墙总高度宜控制在l o m 以内。 镥杆( 囊) i l l l i l i l i l 锚定板 图1 - 2 ( g ) 锚杆( 索) 挡土墙图l - 2 ( h ) 锚定板挡土墙 ( 9 ) 加筋土挡土墙( 见图1 2 ( i ) ) 1 ) 加筋土挡土墙是由堵面系、拉筋和填土共同组成的挡土结构，由拉 筋和填土问的摩阻力维持堵体的稳定。墙面板宜采用钢筋混凝土板，拉筋 宜采用钢筋混凝土板条、刚带、复合拉筋带或土工格栅。目前也有采用土 工合成材料作拉筋的包裹式( 无面板) 加筋土挡墙； 2 ) 加筋土挡土墙适用于石料缺乏地区，由于其为柔性结构，对地基承 载力的要求不高，能适应地基轻微的变形。一般对墙高没有限制，但铁路 工程中加筋土挡墙尚限于用作一般地区的路肩墙，在铁路一级干线上加筋 土挡墙的高度不宜大于l o m ，大于1 0 m 或用在其它地区时按特殊设计考虑。 ( 1 0 ) 土钉墙( 见图1 2 ( i ) ) 1 ) 土钉墙一般由土钉及墙面系( 钢筋网和喷射混凝土构成的面层) 组 成，靠土钉拉力维持边坡的稳定； 2 ) 土钉墙可用于一般地区及破碎软弱岩质边坡加固工程，在地下水发 育或边坡土质松散时不宜采用。单级土钉墙墙高宜控制在1 2 m 以内，多级土 钉墙上下墙之间应设置平台，每级墙高不宜大于l o m ，总高度宜控制在2 0 m 以内。 第12 页西南交通大学硕士研究生学位论文 钉 图1 2 ( i ) 加筋土挡墙图i - 2 ( j ) 土钉墙 ( 1 1 ) 桩板式挡土墙( 见图1 2 ( k ) ) 1 ) 桩板式挡土墙是一种在桩之间设置挡板来稳定土体的挡土结构； 2 ) 桩板式挡土墙可用于一般地区、浸水地区和地震区的路堑和路堤支 挡，也可用于滑坡等特殊路基的支挡工程：桩的自由臂长度不宜大于1 5 m ， 桩间距宜为7 8 m 。当桩的地面以上长度大于1 5 m 或桩侧土压力较大时，可 在桩上部加设锚索( 杆) 组成预应力锚索( 杆) 桩。 倦儆储 一 一 一 一 、橱筋矗 一 疆土簟 ：一 一一一 口 ， 图1 2 ( k ) 桩板式挡土墙图l - 2 ( 1 ) 桩基托梁挡土墙 ( 1 2 ) 桩基托梁挡土墙( 见图l 一2 ( 1 ) ) 1 ) 桩基托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； 2 ) 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，采用桩基础将基地置于稳定地层。挡土墙墙 高控制在l o m 以下，托梁底一般置于原地面 ( 1 3 ) 对拉式挡土墙( 见图1 2 ( m ) ) 西南交通大学硕士研究生学位论文第13 页 培面系 ! 、 、n n 杆 1 ) 对拉式挡土墙由墙面系和拉 杆组成，在线路两侧设置墙面系，中 间填土，用拉杆连接两侧墙面系； 2 ) 对拉式挡土墙两侧墙面所受 侧压力相互平衡，相互支撑； 3 ) 对拉式挡土墙节约用地，在 城市交通工程中应用较广。 图1 - 2 ( m ) 对拉式挡土墙 1 4 静荷载作用下挡墙土压力研究现状 作用在挡土培上的荷载主要有土压力e i ( 一般忽略墙面埋入土中部分 所受被动土压力) 、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。土压力是作用在挡土堵上的主要力系【l 副。正确求解作用在墙背 上的土压力( 包括土压力的大小、方向与分布规律) 是挡土墙设计的关 键。 土压力计算是一个经典而复杂的土力学问题，其涉及到墙后土体、墙 身及地基三者的共同作用。土压力不仅与墙身几何尺寸、墙背粗糙程度及 填土的物理力学性质、填土面形状及超载有关，还与墙本身及地基土的刚 度、填土施工方法等有关，对用于深基坑的柔性支挡结构，更应考虑土压 力与墙体的变形关系【2 0 l 。故精确的土压力计算方法不仅应考虑三者的耦合 作用，更应视其为_ 空间问题 2 1 1 ，但通常情况下因挡土墙长度远大于其高 度，故工程中一般将士压力计算按平面问题处理。 经典的库仑( c o u l o m b ，1 7 7 6 ) 土压力理论和朗肯( w j m r a n k i n e ， 1 8 5 7 ) 土压力理论，因其计算简单和力学概念明确，一直为工程设计所采 用。 库伦基于挡土墙后滑动楔体达到极限平衡的状态，用静力平衡方程解 出作用于墙背的土压力。其基本原理与假定为： ( 1 ) 墙后填土为均质无粘性散粒体； ( 2 ) 墙后填土因墙体位移而形成一破裂棱体，并沿墙背( 实际或假 设) 和破裂面滑动： ( 3 ) 破裂面为通过墙踵的一平面 ( 4 ) 当墙后土体开始滑动而处于极限平衡状态时，破裂棱体在自重、 第14 页西南交通大学硕士研究生学位论文 墙背反力( 与土压力大小相等、方向相反) 及破裂面反力的作用下维持平 衡： ( 5 ) 视墙体及破裂棱体均为刚性体，在外力作用下不发生变形。 朗肯土压力理论认为：作用在垂直墙背上的土压力，是相当于达到极 限平衡状态( 主动或被动) 的半无限体中任一垂直截面上的应力。其基于 以下几个假定： ( 1 ) 墙后填土为一平面的半无限体，土压力方向与地表面平行； ( 2 ) 墙后填土因侧向伸张或压缩而达到主动或被动应力极限平衡状 态，且主动或被动极限状态只存在于破裂棱体中，破裂棱体之外仍为弹性 平衡： ( 3 ) 墙背竖直、光滑； ( 4 ) 破裂面为平面，且忽略土体竖向变形。 朗肯土压力理论是由应力的极限平衡来求解的，而库仑土压力理论是 从挡土墙结构后填土的滑动硬体处于极限状态时的静力平衡条件出发，求 解主动或被动土压力的。 经典土压力理论都基于以下假定：挡土结构视为刚性体，土体是理想刚塑 性体，服从m o h r o c o u l o m b 准则。依照经典土压力理论，得到的是极限平衡 状态下的土压力值，土压力为直线分布。经典土压力理论存在着两个明显 的弱点：一是要求土体变形达到极限状态的临界条件；二是经典土压力理 论没有考虑挡墙的变位方式对土压力的影响。 1 4 1 刚性挡墙土压力研究现状 挡墙墙背土压力的大小及土压力沿培背的分布是广大相关科研工作者 及工程建设者关注的两个主要问题。 库仑和朗肯两种经典理论均假定滑裂面为一平面，而工程实际中特别 是复杂地质情况下，滑动面往往为复杂曲面，由此导致的计算误差往往偏 大或偏j 、1 2 2 , 2 孤。 库仑土压力理论将土视为理想塑性体，提出摩尔库仑破坏准则，并将 破裂面假定为直线平面。此后，不少研究者又假定破裂面为圆弧面、对数 螺旋曲线面等，将破坏土体分为双三角区、对数一三角区，圆弧一三角区、 三角一圆弧一三角区、三角一对数一三角区等复杂形状，并结合塑性理论求得 破坏区的应力场和速度场，从而实现对土压力的计算【卅，其结果比较表 西南交通大学硕士研究生学位论文第15 页 明，这种做法更具合理性。 s a n g c h u lb a n g 在库仑理论基础上，采用假定位移的方式，通过静力平 衡条件求解主动土压力2 5 1 。随后，b b 索科洛夫斯基b 6 1 把处于极限状态下 的散粒体静力学问题归结为对微分方程的积分，从而建立了散粒介质理 论。 在库仑理论的基础上，王云球 2 7 a 盯、朱桐浩2 9 州、周述之p ”采用几何 变换的技巧导得了粘性土主动土压力的计算公式，改变了以往利用库仑理 论计算粘性土土压力时采用等值内摩擦角的方式，发展成为我国的“广义 库仑理论” 王贻荪、赵明华p 2 1 又提出了对滑动楔体倾角求导的一般方法，得到了 最复杂条件下的主、被动土压力解答。 许多学者，如j a n b u 3 引、r a h a r d j o 和f r e d l u n d 3 4 l 、张天宝【3 5 1 、z c h e r t 和 s l ip 们、朱大勇【3 7 1 等用边坡稳定性分析的条分法对土压力进行了研究， w f c h e n 3 s 】则应用极限分析法对土压力进行了系统的研究，获得了不同情 况下的土压力理论解。 b i a r e zj 在1 8 7 6 年首次提出考虑墙体变形来确定土体处于弹性平衡状态 时挡墙上的土压力。 d g 弗雷德隆德和h 拉哈尔佐在考虑了孔隙水压力的影响后对非饱和 土的土压力问题进行了研究，提出了“延伸的朗金土压力理论”，使土压 力的研究拓展到一个新的领域口9 1 。 土压力理论研究中的另一重点是其沿挡墙墙背的分布问题 4 0 1 。库仑与 朗金两种理论均针对刚性挡墙提出，其假定土压力为沿墙深增加的三角形 线性分布模式。事实上，由于影响土压力分布及其大小的因素太多。导致 理论计算值与现场实测结果往往差异较大。近年来国内外挡土培土压力实 测结果均表明，墙背土压力的实际分布与墙体位移模式、堵后填土性质等 密切相关，如挡墙绕墙顶与绕墙趾转动两种情况时的土压力分布就截然不 刚4 1 朋】，对于边坡与深基坑支护中较常用的锚杆式、板桩式等柔性支挡结 构，其墙后土压力更是呈非三角形的复杂分布，故其设计计算需引起重 视，不能简单套用传统的分布模式。 t e r z a g h i 通过大规模的模型试验( 1 9 3 2 ，1 9 3 4 ，1 9 3 6 ) 附嘶，获得了极 限状态和挡土结构变形之间的关系，并指出只有当土体水平位移达到一定 值，土体产生剪切破坏时，c o u l o m b 和r a l k j n e 土压力值才是正确的。并进 第18 页西南交通大学硕士研究生学位论文 一步证实( t e r z a g h i 和t s c h e b o t a r i o f f ，1 9 6 2 ) 4 7 1 ：当挡土结构绕墙趾转动 时，主动土压力