（道路与铁道工程专业论文）锚杆挡土墙在边坡防护中力学机理的研究.pdf

西南交通大学硕士研究生学位论文第1 页 摘要 挡土墙是公路工程中广泛采用的一种构造物。由于我国整体上地形复杂，特别是西 部多为山区，地形地质地貌极为复杂，在此修建公路一般都存在着有高填挖边坡路段、 特殊地基路段、靠近地震断裂带等危险路段，沿线边坡易发生岩石崩塌、滑坡、泥石流 等地质灾害，易对公路造成严重损害。随着我国高等级公路建设的飞速发展，特别是高 等级公路建设向中西部地区的推进，路基挡土墙愈来愈显得重要，应用愈来愈多，而且 其结构形式日新月异，设计理论也在不断发展。 传统公路路堤挡土墙如重力式、半重力式、悬臂式、扶壁式等形式的挡土墙在这些 地方使用常常受到一定条件的限制，后来发展了锚杆式、加筋土、柱板式等轻型支挡结 构。这些支挡工程施工简便且节省工程造价，突破了一些传统挡土墙的应用限制。但由 于其应用时间不长，相关研究还不够深入，设计计算理论不完善，有待于进一步研究。 锚杆挡土墙是利用锚杆技术形成的一种挡土结构物。锚杆是一种新型的受拉杆件， 它的一端与工程结构物联接，另一端通过钻孔，插入锚杆，灌浆，养护等工序锚固在稳 定的地层中，以承受土压力对结构物所施加的推力，从而利用锚杆与地层间的锚固力来 维持结构物的稳定。 挡土墙侧向压力的大小与岩土力学性质、墙高、支护结构形式及位移方向和大小等 因素有关。由于锚杆挡土墙构造特殊，侧向压力的影响因素更为复杂。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。其影响因素有墙后填土的特性，墙土接触 面的性质，锚杆挡土墙结构刚度、变形的大小、锚杆的层数及弹性大小、锚杆是否施加 预应力、锚杆挡土墙是否采用逆作法的施工方法等都直接影响土压力的大小和分布。不 同条件下分布图形可能是三角形、梯形或矩形，仅用侧向压力随深度成线性增加的三角 形应力图形已不能反映许多锚杆挡土墙侧向压力的实际情况。有鉴于此，本文将开展如 下研究工作： ( 1 ) 分析考虑锚杆挡土墙在非极限位移模式下墙后填土主动土压力的分布情况； ( 2 ) 利用通用有限元程序a n s y s 建立了有挡土板的边坡模型，并分析了三种不同 挡墙位移模式下的土压力分布及变化； ( 3 ) 应用m a t h c a d 编制改进计算程序，在改进计算墙后土压力情况下，根据三弯 矩方程理论，计算分析挡墙本身肋柱结构内力的实际分布情况，为实际工程设计提供参 考。 关键词：锚杆挡土墙；非极限主动状态；有限元；m a t h c a d ： 西南交通大学硕士研究生学位论文第1i 页 曼窒皇曼曼曼皇曼曼曼曼鼍曼鼍曼皇曼皇皇曼鼍曼量量! 量曼曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皂曼曼寞_ 一一 一-一i i i i 皇曼皇号鼍 a b s t r a c t t h er e t a i n i n gw a l li sw i d e l yu s e di nh i g h w a ye n g i n e e r i n ga sar e c o n s t r u c t i o n b e c a u s e c h i n e s eo v e r a l lt o p o g r a p h yi sc o m p l i c a t e d ，e s p e c i a l l yt h ew e s t e r nm o u n t a i n o u st e r r a i n , i s e x t r e m e l yc o m p l e xg e o l o g i c a l ，h e r e i nc o n s t r u c t sr o a d sc o n s t a n t l ye x i s t sd a n g e r o u ss e c t i o n s s u c ha sh i g hf i ua n de x c a v a t i o ns l o p es e c t i o n s ，s p e c i a ls e c t i o n s ，c l o s et ot h eq u a k ez o n e f o u n d a t i o ns e c t i o n s ，e t c a l o n gt h es l o p er o c ko c c u re a s i l yr o c ks l i d e ，l a n d s l i d e sa n dd e b r i s f l o w so fg e o l o g i c a ld i s a s t e r s ，a n d b a d l yd a m a g er o a d s w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to f h i g h w a yc o n s t r u c t i o ne s p e c i a l l yp r o p u l s i o no ft h em i d w e s t ，t h er e t a i n i n gw a l le m b a n k m e n ti s b u l k e da n du s e dw i d l y , a n di f ss t r u c t u r en e v e r - e n d i n gc h a n g e sa n di m p r o v e m e n td e s i g n t h e o r yi nd e v e l o p m e n t t r a d i t i o n a lr o a de m b a n k m e n tl i k eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l ，g r a v i t y , c a n t i l e v e r , w a l la n d o t h e rf o r m so fr e t a i n i n gw a l li nt h e s ep l a c e su s eo f t e nr e s t r i c t e d , l a t e rd e v e l o p e dl i g h tr e t a i n i n g s t r u c t u r e ss u c ha sa n c h o rt y p e ，r e i n f o r c e d ，c o l u m nb o a r dr e t a i n i n gs t r u c t u r e s t h e s er e t a i n i n g s e a s yc o n s t r u c ta n ds a v ec o s t , b r e a k h r o u g ht h ea p p l i c a t i o no fs o m et r a d i t i o n a lr e t a i n i n gw a l l b u tb e c a u s eo fi t sa p p l i c a t i o nf o ras h o r tt i m e ，r e l e v a n tr e s e a r c hi ss t i l ll a c k i n g ，d e s i g na n d c a l c u l a t i o nt h e o r yi sn o tp e r f e c t ，w em u s tb ef o rf u r t h e rr e s e a r c h u s i n gt h ea n c h o rb o l tr e t a i n i n gw a l li st h et e c h n o l o g yo ft h ef o r m a t i o no fas o i lr e t a i n i n g s t r u c t u r e s a n c h o ri san e w k i n do ft h et e n s i o nm e m b e r , o n ee n do fi ti sl i n k e dt o g e t h e rw i t h e n g i n e e r i n gs t r u c t u r e s ，a n o t h e re n dt h r o u g hd r i l l i n g ，i n s e r t ，g r o u t i n gb o l t ，c u r i n gp r o c e s si nt h e s t a b i l i t yo ft h ea n c h o r a g e ，t oi n h e r i tt h ee a r t hp r e s s u r ee x e r t e do ns t r u c t u r e s ，t h et h r u s t ，t h u su s e b o l ta n df o r m a t i o no ft h ea n c h o r i n gf o r c et om a i n t a i nt h es t a b i l i t yo fs t r u c t u r e s t h es i z eo ft h e l a t e r a lp r e s s u r er e t a i n i n gw a l li sr e l a t i v e 晰t 1 1s o i la n dr o c km e c h a n i c sp r o p e r t i e s ，w a l l ， s u p p o r t i n gs t r u c t u r ef o r ma n dd i s p l a c e m e n td i r e c t i o na n ds i z e d u et ot h es p e c i a ls t r u c t u r eo f r e t a i n i n gb o l t ，t h ei n f l u e n c ef a c t o r so ft h el a t e r a lp r e s s u r ei sm o r ec o m p l e x a sak i n do f f l e x i b l es t r u c t u r e ，a n c h o re a r t h r e t a i n i n gw a l lm a ya l l o wt h et r a c e so ft h ed e f o r m a t i o no ft h e w a l l ，c a nm a k el a t e r a lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o no na g a i n ，t h u sm a k et h es t r u c t u r eo ft h el a t e r a l p r e s s u r ea r eo fg r e a tu n c e r t a i n t y t h e o r e t i c a la n a l y s i sa n de x p e r i m e n t a lr e s u l t sf r o me f f e c t a n c h o re a r t h r e t a i n i n gw a l lp r e s s u r ed i s t r i b u t i o nf a c t o rw o u l dv e r yc o m p l i c a t e d t h ei n f l u e n c e f a c t o r sa r et h ef i l l e ds o i la f t e raw a l l ，w a l ls u r f a c e s ，t h ep r o p e r t i e so fs o i lr e t a i n i n gw a l l s t r u c t u r es t i f f n e s sa n db o l tt h es i z eo ft h ed e f o r m a t i o no ft h eb o l t ，l a y e rn u m b e ra n ds i z e ， e l a s t i c ，a n c h o rp r e s t r e s sa n c h o ri sw h e t h e rt h er e t a i n i n gw a l lb yt h ec o n s t r u c t i o nm e t h o d se t c u n i a x i a ld i r e c t l ya f f e c tt h es i z ea n dd i s t r i b u t i o no fs o i lp r e s s u r ep l a y d i s t r i b u t i o nc h a r tm a yb e t r i a n g l e ，t r a p e z i u mo rr e c t a n g l ei nd i f f e r e n tc o n d i t i o n s ，u s i n go n l yt r a p e z o i do rl a t e r a lp r e s s u r e i n c r e a s el i n e a r l y 、析t ht h ed e p t ho ft h et r i a n g l es t r e s sc a n n tr e f l e c tt h em a n yg r a p h i c so f r e t a i n i n gb o l t1 a t e r a lp r e s s u r es i t u a t i o n i nv i e wo ft h i s ，t h i sa r t i c l ew i l lb ec a r r i e do u tr e s e a r c h w o r ka sf o l l o w s ： ( 1 ) a n a l y s i n ga n dc o n s i d e r i n gt h e l i m i t so fr e t a i n i n gb o l ti nw a l ld i s p l a c e m e n tm o d e s a f t e rf i l l i n ga c t i v ee a r t hp r e s s u r ed i s t r i b u t i o n ； ( 2 ) u s i n gt h ea n s y s f i n i t ee l e m e n tp r o g r a me s t a b l i s h e ds l o p es o i lr e t a i n i n gp l a t ea r e a n a l y z e d ，a n dt h em o d e lo ft h r e ed i f f e r e n tm o d e so fs o i lr e t a i n i n gw a l ld i s p l a c e m e n tp r e s s u r e d i s t r i b u t i o na n dc h a n g e ； ( 3 ) a p p l i c a t i o nm a t h c a dp r e p a r ei m p r o v e m e n tp r o g r a mi nt h ew a l l ，a c c o r d i n gt o c i r c u m s t a n c e sw o u l ds t r e s sc a l c u l a t i o nt h e o r y , t h r e em o m e n te q u a t i o no fr e t a i n i n gs t r u c t u r e a n a l y s i so f i n t e r n a lr i b b e di t s e l f a c t u a ld i s t r i b u t i o n , a n dd i r e c tt h ea c t u a le n g i n e e r i n gd e s i g n k e yw o r d s ：a n c h o r e dw a l l ；n o n l i m i ta c t i v es t a t e ；f e m ；m a t h c a d ； 西南交通大学 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。本人授权西 南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。 本学位论文属于 1 保密口，在年解密后适用本授权书； 2 不保密西，适用本授权书。 ( 请在以上方框内打“) 学位论文作者签名：f 哥f 茸 日期： 2 。7 j 指导教师签名： 日期：参驴7 v 西南交通大学硕士学位论文主要工作( 贡献) 声明 本人在学位论文中所做的主要工作或贡献如下： 根据建立的边坡a n s y s 有限元模型，在对挡土板进行位移约束后，计算出的三种 位移模式，以位移量值为标准，绘制相应的水平土压力曲线以及水平土压力系数曲线图， 并将相应土体参数下的库仑理论土压力曲线绘制在相同坐标系下，进行分析对比指出了 在不同位移模式下随着位移量的增加，各曲线的变化趋势和规律与传统库仑理论的不同 点。并应用m a t h c a d 软件根据三弯矩方程理论编制了在不同墙背土压力分布情况下的 锚杆挡土墙结构内力计算程序。 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是在导师指导下独立进行研究工作所得的成果。 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 研究成果。对本文的研究做出贡献的个人和集体，均已在文中作了明确说明。本人完全 了解违反上述声明所引起的一切法律责任将由本人承担。 学位论文作者签名：f 习，巨寄 日期：j 。，。7 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概述 支挡结构是岩土工程的主要组成部分之一，是山区基本建设中为保证山体和工程建 筑物及运营安全常采用的一种工程措施，在铁路、公路路基工程中被广泛应用于稳定路 堤、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，加固 或拦挡不良地质体。一般山区的地质地貌、边界条件复杂多变，在不同工程建筑条件下， 设计最经济合理的支挡结构形式较平原地区更为复杂，因此需要更多的结构形式来满足 多变的土压力分布和其他计算参数的变化而引起的支挡结构本身部件内力的变化。为适 应发展趋势，近2 0 年来，我国岩土工程中的支挡技术发展很快，支挡结构形式己从单纯 依靠墙身自重来平衡边坡土压力和滑坡下滑力的重力式挡土墙，发展为采用支撑、土筋 复合结构以及锚固技术等多种新型、轻型支挡新技术，例如悬臂式、扶壁式、锚杆式、 加筋土式、锚定板式等新型挡土墙以及抗滑桩、桩板式墙、土钉墙、预应力锚索等新型 的支挡结构。 支挡结构中的挡土墙是用来支承路基填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的 一种永久或临时人工构造物，可以是一种墙或者类似于墙的结构物。在路基工程中，挡 土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少土石方工程量和占地面积，常用于整治塌方、滑 坡等路基病害。由于各型结构的挡土墙的实际应用在支挡结构中占有很大比例，与此同 时目前在很多挡土墙结构形式中却还存在相当多的具体问题需要进一步的深入研究解 决，因此挡土墙的研究应用仍然将是今后地形复杂地区高等级公路的路基支挡加固的主 流发展趋势，有必要加强相关理论研究来指导实际工程的设计施工。挡土墙是指用来支 撑、加固支承路基填土或山坡土体、防止填土或土体坍塌、变形失稳的一种构造物。 根据挡土墙稳定的机理不同，挡土墙又有很多形式，主要有重力式挡土墙、衡重式 挡土墙、薄壁式挡土墙、锚碇板式挡土墙、加筋土挡土墙等。 一般情况下路基遇到如下情况可考虑修建挡土墙： ( 1 ) 陡坡地段； ( 2 ) 高填方地段； ( 3 ) 可能发生塌方变形及滑坡的地段； ( 4 ) 风化较为严重的岩质路堑边坡地段； ( 5 ) 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段； ( 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、减少拆迁或少占农田的地段； ( 8 ) 为保护重要建筑物、生态环境或其他特殊需要的地段。 西南交通大学硕士研究生学位论文第2 页 曼寰曼曼! 曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼邑曼鼍曼曼曼曼曼曼曼鼍曼皇曼曼曼曼曼曼曼皇曼曼曼鼍曼! - - - -=i m m ：m m = 。= 。= l = = = = = = = = 曼l 曼蔓曼 1 2 挡土墙有关理论国内外发展历史现状及趋势 1 2 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、现代，挡土墙更是广泛地应用于各种土木和建筑工程中，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、环保工程发展而迅速发展 和变化丰富起来的。 重力式挡土墙是最古老的结构形式，因其料源丰富、取材方便、形式简单、施工简 便，所以仍然是目前应用最广泛的结构形式。为了适应地基承载力要求和地形条件，在 重力式挡土墙基础上，发展形成了半重力式和衡重式挡土墙。半重力式挡土墙可利用展 宽墙趾和墙踵来减小基底应力，降低地基承载力的要求；衡重式挡土墙可利用衡重台以 上的填土重力，节省部分墙身圬工，而且墙身建筑高度大，适用于地面横坡较大地段。 实际上，半重力式和衡重式均属于重力式的范畴。 悬臂式和扶壁式挡土墙在国外应用十分广泛，但在我国应用尚未普及，不过随着高 等级公路向中西部地区推进，其应用将会越来越多。 加筋土式挡土墙利用的是加筋土技术。1 9 6 5 年法国在比利牛斯山的普拉聂尔斯修建 了世界上第一座加筋土挡土墙，获得成功后，很快在欧洲范围内得到了普及，随后加拿 大、日本、美国等相继应用。 在2 0 世纪5 0 年代之前，锚杆技术只是作为施工过程的一种临时措施；2 0 世纪5 0 年代中期以后，西方国家在隧道工程中开始采用小型永久性的灌浆锚杆和喷射混凝土代 替衬砌结构；2 0 世纪6 0 年代以后，锚杆技术迅速发展并广泛应用于土木工程的许多领 域中。作为轻型的支挡结构，锚杆挡土墙现已取代笨重的重力式圬工挡土墙，并广泛应 用于公路、铁路、煤矿和水利等支挡工程中。 1 2 。2 挡土墙发展现状 一项技术或一种结构形式在一个国家或地区应用发展的程度，可以大致从其现行规 范、规程和应用手册看出。挡土墙作为一种结构形式，在我国仍未得到充分发展，相关 的规范、技术手册、应用软件和程序仍较少，相应的标准图集也少，表明整个土建领域 对其重视程度仍不够，需进一步发展。 国内关于挡土墙方面的研究和探讨文章相对较少，仅仅散见于各种期刊中，有关专 著和成熟产品、工艺、图集更少，吴家强等曾利用经验公式进行数值迭代优化，在一定 西南交通大学硕士研究生学位论文第3 页 曼- - ：；= 罩= = = =： - - =：=：= m = = m = 量曼曼皇皇蔓宴曼曼鼍曼毫皇皇蔓鼍璺曼皇舞蔓蔓皇曼曼曼曼皇曼皇! 曼皇! 曼量 程度上实现了重力式挡土墙的截面优化设计，王渭漳曾就重力式挡土墙设计中的安全性 和经济性问题进行比较与探讨，陈金训对高挡土墙的断面作了些比较和优化，并列举 了几个工程实例。这些均是对重力式挡土墙的优化设计和探讨。 加筋土挡墙在上世纪8 0 年代后期和9 0 年代前期，在我国曾作为新技术、新工艺进 行过推广，并被迅速使用，交通部也出了配套的两本设计施工规范，曾兴起过加筋土挡 墙热。相关的论文译著不少，如范跃武译的加筋土的应用与发展( 1 9 8 9 ) ，李燕文、 周宽华、陆景富合著的单面加筋土挡墙的应用( 1 9 9 1 ) ，黄良机、姚代禄合著的加 筋土挡墙的有限元分析( 1 9 9 1 ) ，唐善祥的加筋土技术在我国的应用与发展( 1 9 9 1 ) ， 范永丰、王辉合著的开封黄河公路大桥北引道软土地基处理及加筋土挡墙的施工 ( 1 9 9 2 ) ，石名磊的加筋挡墙土压力及摩阻系数的探讨( 1 9 9 3 ) ，从时间上看均是那个时 期对加筋土技术的介绍、推广、应用和总结1 7 j 。 近年，对用其它材料修建挡土墙和修建新型挡土墙，国内同行也都作了有益探讨。 如黄晓华曾研究将预应力锚索格构梁、预应力锚索抗滑桩、锚喷挂网支护和树根桩挡土 墙等轻型挡土墙用于公路边坡病害治理和老路改造上。李强、周志刚、郑健龙等曾研究 将高分子合成材料土工格栅作为一种新的尝试应用于柔性桥台挡土墙结构中。庄维健 对新型挡土墙结构连拱空箱式挡土墙结构作了有益的探讨，并作成了工程实例。范永 丰与迟岩冰等人在洛三高速公路设计中就是将锚杆应用于高、大钢筋混凝土挡土墙结构 的一个很好实例【j j 。 同时，随着新型结构的研究发展，出现了一些复合式挡墙，如竖向预应力的锚杆 挡土墙、重力式锚杆挡土墙、悬臂式挡土墙等。 竖向预应力锚杆挡土墙是重力式挡土墙与竖直向设置的预应力锚杆组合形成的一种 新型支挡构造物，锚杆竖向锚固于地基中，并砌筑于墙身内，最后张拉锚杆，利用锚杆 的弹性回缩对墙身施加预应力来提高挡土墙的稳定性。1 9 7 5 年我国铁路部门首先应用于 成昆铁路狮子山滑坡病害的整治工程中，之后在其它滑坡治理工程中也陆续使用。重力 式锚杆挡土墙是在重力式挡土墙的基础上，利用锚杆技术而形成的另一种新型支挡构造 物。此种挡土墙的墙身是用混凝土浇筑或浆砌片石砌筑的。利用锚杆一端砌筑于重力式 墙身内，另一端锚固于墙后稳定的地层中，靠墙身自重和锚杆的锚固力共同来维持挡土 墙的稳定。以锚杆的锚固力代替部分挡土墙圬工重力，同时可降低挡土墙对地基承载力 的要求。1 9 9 7 年洛三高速公路应用了重力式锚杆挡土墙。 在传统挡土墙结构形式基础上，还研究开发了新结构形式，如u 形挡土墙和倒y 形 挡土墙。u 形挡土墙在结构上类似悬臂式挡土墙，它把侧壁和底板连成整体，构成字母 “u ”形。u 形挡土墙底板比传统挡土墙宽，可看成弹性地基梁。倒y 形挡土墙是日本 神户大学田中博士发明的，首先把混凝土预制成1 - - - 4 m 不同尺寸的砌块，再将预制砌块 组合铺筑在碎石基础上，回填碎石构成挡土墙。倒y 形挡土墙在力学上具有抗倾覆、抗 西南交通大学硕士研究生学位论文第4 页 l ii ii ii i i i i iiiim 滑动性能强的特点，另外还具有排水性好，防止地下水侵蚀的优点| 4 1 。 1 2 2 1 现阶段我国挡土墙的设计、施工规范 在公路建设工程中，挡土墙结构是介于桥梁结构和路基土石方结构中间的一种重要 结构形式，在我国现行公路规范分类中，相关设计施工规范主要有公路路基设计规范 ( j t gd 3 0 2 0 0 4 ) ，公路桥涵设计通用规范( j t gd 6 0 - - - - 2 0 0 4 ) ，公路钢筋砼及预应力砼 桥涵设计规范( j t gd 6 2 2 0 0 4 ) ，公路桥涵地基与基础设计规范( j t gd 6 3 2 0 0 7 ) ，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 路加筋土工程施工技术规范( 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 f f 0 1 9 9 8 ) ，建筑边坡工程技术规 范( g b5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) ，建筑地基基础设计规范( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) ，锚杆喷射混凝土 支护技术规范( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) ，土层锚杆设计与施工规范( c e c s 2 2 ：9 0 ) ，铁路 路基支挡结构设计规范( t b1 0 0 2 5 2 0 0 6 ) ，铁路工程抗震设计规范( g b5 0 1 1 1 - 2 0 0 6 ) ， 铁路路基设计规( t b1 0 0 0 1 2 0 0 5 ) ，铁路特殊路基设计规范( t b1 0 0 3 5 2 0 0 6 ) ，铁 路路基施工规范( t b l 0 2 0 2 2 0 0 2 ) 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1 5 1 6 。 1 2 3 挡土墙的未来发展趋势 在研究开发新的结构形式的同时，开发应用新材料、新工艺也是挡土墙发展的新趋 势| 7 】o 加筋土挡土墙常用的筋材是条带式，而网状加筋土和土工合成材料平面加筋可有效 提高填土与加筋之间的摩擦作用，从而增强挡土墙的稳定性。此外，由于填土的固结沉 降，改变了加筋的受力条件，还使得加筋拉力和墙面板基础压力增大，所以一些国家在 墙面板与加筋连接部位安装了可上下滑动的机构来调整墙面板和填土之间的不均匀沉 降。 随着聚合物的广泛应用，泡沫聚苯乙烯及泡沫砂浆等轻质填料也已开始应用。由于 泡沫砂浆是由水泥砂浆掺入发泡剂而制成，可通过改变发泡率的大小非常灵活地设计成 单位体积质量较小的复合材料，而且由于它是无机材料，所以不存在耐久性等问题。泡 沫聚苯乙烯可直接作为填料，也可以制成块状作为填料，其密度仅为土的百分只几，这 对减小构造物的土压力特别有效。挪威于1 9 7 2 年就已经开始使用，日本也用它来处置滑 坡等工程。 近年来，随着社会经济的发展和人民生活水平的提高以及对环境保护的日益重视， 工程技术人员开始研究挡土墙与周围景观的协调，研究开发了生态挡土墙。生态挡土墙 西南交通大学硕士研究生学位论文第5 页 曼皇曼皇曼曼曼! 曼曼鼍曼皇! 皇皇i：1 = m ：。= i - - - - 鼍曼皇曼皇蔓! 蔓曼曼鼍曼曼曼曼皇曼曼曼曼皇皇曼皇! 曼曼曼曼曼鼍曼皇皇曼曼曼曼曼鼍鼍 是在人们环保意识日益加强的环境下应用诞生的，它不仅要满足挡土墙的使用功能，而 且还要考虑到与周围环境的协调，要在墙面景观和绿化砌块上采取措施。这方面的发展 和研究工作在发达国家尤为重视。近几年，在我国南方和东南沿海的一些地区，也开始 兴建这种环保挡土墙。 挡土墙工程应尽可能做到与自然环境相协调，在设计和施工中也应采取各种措施， 创造与环境和谐的氛围。例如，应用形式设计手段丰富墙面的质感、色彩，改变造型单 调的墙面构造或类型设计，做到统一中寓有变化，防止产生视觉疲劳；利用泄水管或预 制墙体的合理搭配，变墙面的平面构成为立体构成，增强墙体的空间感；利用植物工程 使墙体掩映在绿色植被中，融合于自然山林的景观之内等。总而言之，应采取有效的环 保措施，提高挡土墙环境质量。 美国同行咖m e m l l ，在水土保持杂志( e r o s i o nc o n t r o l ) 上的论文“挡土墙， 不仅仅是另一种块体砌墙”，副标题是：“巨大的公路挡土墙比漂亮地矗立在那儿还可以 做得更多”一文中，论述了四个问题：( 1 ) 砌筑块体的设计；( 2 ) 块体的安装；( 3 ) 场地研究； ( 4 ) 未来趋势。 在未来趋势中，他提到各种机构需要承包人减少投资费用，同时改进提高美学效果。 在选择墙面结构时，美学效果应起到更大的作用。土木工程界的人，总是在寻找费用上 有竞争力的产品，并将其安装在每一个需要的地方，同时视觉效果不难看。最好的趋势 是给公路和高速公路一种更自然的外观代替混凝土灰冷的外观。 这个行业面临的挑战是和各种机构共同努力，教育业内人士怎样改进他们的产品和 规范，推动预制节段拼装挡土墙继续向前发展，使这个行业的发展进入到增长模式。 1 3目前常用的挡土支挡结构的介绍 ( 1 ) 重力式挡土墙 由于我国的一些地区石料来源丰富，就地取材方便，再加上施工方法简单，因此， 在过去很长一段时间内，石砌的重力式挡土墙是我国岩土工程中广泛采用的主要支挡结 构。重力式挡土墙，当墙背只有单一坡度时，称为直线形墙背；若多于一个坡度，则称 为折线形墙背。直线形墙背可做成俯斜、仰斜、垂直三种，墙背向外侧倾斜时称为俯斜， 墙背向填土一侧倾斜时称为仰斜，墙背垂直时称为垂直；折线形墙背有凸形折线墙背和 衡重式墙背两种。这种挡土墙形式简单，主要依靠墙身自重保持稳定，其断面尺寸较大， 墙身较重，对地基承载力的要求较高。设计一般采用库伦土压力理论。当墙体向外变形 墙后土体达到主动土压力状态时，假定土中主动土压滑动面为平面并按滑动土楔的极限 平衡条件来求算主动土压力。在侧向土压力作用下，重力式挡土墙的稳定性主要靠自身 的自重来维持，墙身一般采用浆砌片石来砌筑，有时也用混凝。根据挡土墙的设置位 置不同，分为路肩墙、路堤墙、路颦墙和山坡墙等。设置于路堤边坡的挡土墙称为路堤 西南交通大学硕士研究生学位论文第6 页 墙；墙顶位于路肩的挡土墙称为路肩墙；设置于路堑边坡的挡土墙称为路堑墙；设置于 山坡上，支承山坡上可能坍塌的覆盖层土体或破碎岩层的挡土墙称为山坡墙。在挡土墙 横断面中，与被支承土体直接接触的部位称为墙背；与墙背相对的、临空的部位称为墙 面；与地基直接接触的部位称为基地；与基底相对的、墙的项面称为墙顶；基底的前端 称为墙趾；基底的后端称为墙踵。 ( 2 ) 卸荷板式挡土墙 衡重式挡土墙较以往的重力式挡土墙可节省圬工2 0 , - - , 3 0 ，但当挡墙较高时，墙身 截面还是很大，因此，又出现了一种改进型的结构形式一卸荷板式挡土墙。卸荷板式挡 土墙是指在墙背设置卸荷平台或卸荷板，达到减少墙背土压力和增加稳定力矩，以填土 重量和墙身自重共同抵抗土体侧压力的挡土结构在地基承载力较高的情况下，卸荷板式 挡土墙由于卸荷板的作用，使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，可节省墙体圬工，从而节省工程投资。 前苏联、日本等国家在港工建筑物中对有卸荷板或卸荷平台的挡土结构研究较多，国内 在港工建筑工程方面的应用也较早，主要用在重力式码头及岸壁结构。 ( 3 ) 加筋土挡土墙 加筋土工程起源于法国，亨利维特尔于1 9 6 3 年提出加筋土结构新概念，1 9 6 5 年在 法国建起了世界上第一座加筋土挡墙。尔后，加筋土挡墙在世界各国迅速发展。我国从 7 0 年代初就开始了加筋土挡土墙的研究工作。1 9 7 9 年云南省煤矿设计院在云南田坝矿区 建成了我国第一座加筋土挡土墙储煤仓，该挡墙采用钢筋钢筋混凝土墙面板，素混凝土 块穿钢筋作拉筋。该挡墙的建造成功，推动了加筋土挡墙在我国的推广运用。2 0 世纪8 0 年代，先后在公路、水运、铁路、水利、市政、煤矿、林业等部门运用这项技术，加筋 土工程的设计计算理论和施工技术也日臻成熟。结构中己广泛采用钢筋混凝土、复合土 工带、土工格栅等材料作为拉筋，墙面板除采用钢筋混凝土面板外，也出现了采用土工 合成材料的无面板包裹式加筋土挡土墙。 其主要特点是由墙面板、拉筋和填土三部分组成，借助于拉筋与填土间的摩擦作用， 把土的侧压力传给拉筋，从而稳定土体。既是柔性结构，可承受地基较大的变形；又是 重力式结构，可承受荷载的冲击、振动作用。施工简便、外形美观、占地面积少，而且 对地基的适应性强。适用于缺乏石料的地区和大型填方工程【8 j 。 ( 4 ) 锚定板挡土墙 锚定板挡土结构是一种适用于填方的轻型支挡结构，可以用作挡土墙、桥台、港口 护岸工程。2 0 世纪7 0 年代，铁路系统首先把锚定板结构作为支挡结构运用于铁路路基 工程，目前在铁路部门已广泛应用，公路、水利、煤矿等部门也在立交桥台、边坡支挡、 坡脚防护等多种工程中应用。 这种结构由锚定板、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 西南交通大学硕士研究生学位论文第7 页 ! i ，m ，n - _ m 1 _ 、- i i i 二；1 1 1 1 1 1 1 曼 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，在这个整体结 构的内部，存在着作用于墙面上的土压力、拉杆的拉力和锚定板的抗拔力等相互作用的 内力，这些内力必须互相平衡，才能保证结构内部的稳定。同时，在锚定板挡土墙的周 围边界上，还存在着从边界外部传来的土压力、活载以及结构自重所产生的作用力和摩 擦力，这些外力也必须互相平衡，以保证锚定板挡土墙的整体稳定性，防止发生滑动或 蠕动。 锚定板挡土墙基底应力小，圬工数量少，不受地基承载力的限制，构建轻简，可预 制拼装、机械化施工。适用于缺乏石料的路堤墙，墙高时可分级修建。由于锚定结构是 我国修建铁路支挡工程中发展起来的一种新结构，墙面、拉杆、锚定板以及其间的填土 组成一种复合结构，但其受力比较复杂，尚有待在实践中进一步研究、验证。 ( 5 ) 土钉墙 土钉挡墙作为一种挡土技术，是在2 0 世纪5 0 年代的土层锚杆技术和2 0 世纪6 0 年 代的加筋土技术的基础上发展起来的，是与新奥法( n 删) 和加筋土技术的发展紧密 相关的。原德意志联邦共和国、法国和美国几乎在同一时期各自独立地开始了土钉墙的 研究和应用。土钉技术在许多方面与隧道新奥法施工类似，可视为是新奥法概念的延伸。 2 0 世纪6 0 年代初期出现的新奥法，采用喷射混凝土和粘结型锚杆相结合的方法，能迅 速控制隧洞变形并使之稳定。特别是2 0 世纪7 0 年代及其稍后的时间内，先后在德国法 兰克福及纽伦堡地铁的土体开挖工程中应用获得成功，这对土钉墙技术的出现产生了积 极的影响。 法国、德国、美国、英国等国还十分重视土钉墙的工作性能的试验研究，包括分析 方法和程序开发、大型足尺土钉墙试验与模型试验、离心机试验、实际工程长时间的土 钉内力实测与土钉墙变形实测等，获得了许多宝贵资料。 土钉墙由被加固土体、放置在土中的土钉体和护面板组成，天然土体通过土钉的就 地实施加固并与喷射混凝土护面相结合，形成一个类似重力式的挡土墙，以此抵抗墙后 传来的土压力和其他作用力，从而使得挖方坡面稳定。土钉依靠与土体接触面上的粘结 力、摩阻力和周围土体形成复合土体，土钉在土体发生变形的条件下被动受力，通过其 受拉作用对土体进行加固，而土钉问土体的变形则由护面板予以约束1 9 l 。 ( 6 ) 桩板式挡土墙 桩板式挡土墙由钢筋混凝土锚固桩及桩间的挡土板两部分组成。利用桩深埋部分的 锚固段的锚固作用和被动土抗力，从而维护挡土墙的稳定。桩板式挡土墙适宜于土压力 大，墙高超过一般挡土墙限制的情况，地基强度的不足可由桩的埋深得到补偿，可作为 路堑、路肩和路堤挡土墙使用，也可用于处治中小滑坡，多用于岩石地基，基岩的饱水 无侧限抗压强度须大于i o m p a 。由于土的弹性抗力较小，设置桩板式挡土墙后，桩顶处 可能产生较大的水平位移或转动，因而般不宜用于土质地基。若需用于土质地基，一 西南交通大学硕士研究生学位论文第8 页 般应在桩的上部( 一般在桩顶下0 2 9 h 处) 设置锚杆或锚索，以减小桩的位移和转动，提 高挡土墙的稳定性1 1 1 】【1 2 j 。 1 4 锚杆挡土墙 2 0 世纪四、五十年代，美国、法国、原德意志联邦共和国等国家就开始利用锚杆加 固水电站边坡、隧道及洞口边坡等。例如，1 9 4 5 年，法国修建某大型混凝土建筑物时， 发现附近的悬崖出现移动，为了保证其稳定，采用锚杆加固边坡。2 0 世纪5 0 年代中期， 在隧道衬砌中，开始采用小型永久性灌浆锚杆，随后，锚杆挡土墙和锚杆护壁在西方国 家得到广泛运用。我国2 0 世纪5 0 年代开始引进锚杆技术，最初在煤炭系统中使用，随 后又在水利、铁道、建筑、国防工程中逐渐推广。1 9 6 6 年铁路部门在成昆铁路上首次将 锚杆挡土墙用来加固边坡，成昆铁路共修建小锚杆( 锚孔直径为4 0 , - 5 0 m m ) 挡土墙1 4 处、大锚杆( 锚孔直径为1 0 0 - - - 1 5 0 m m ) 挡土墙3 处，总长度为1 0 2 9 m 。锚杆类型为灌 浆楔缝式、灌浆钢筋束式等，最大墙高为1 6 m 。继而在川黔、湘黔、太焦、京九、南昆 铁路等线上推广运用锚杆挡土墙，例如，衡( 阳) 广( 州) 复线旧横石车站的整体肋板 式锚杆挡土墙( 长1 1 9 m ，高l o m ) 等，使用效果都很好。1 9 9 0 年铁道部将锚杆挡土墙 纳入铁路路基支挡结构设计规则中，并编制了相应的标准图供设计中运用，加速了 这种结构在铁路中的推广使用。建筑、冶金等行业7 0 年代末和8 0 年代初在高层建筑的 深基坑支护中大量采用了锚杆加固技术。 锚杆技术的优点是对边坡的扰动较小；预应力锚杆可控制结构的变形。近年来，锚 杆技术发展迅速，在边坡支护、围岩锚定、滑坡整治、洞室加固、高层建筑基础锚固等 工程中广泛应用，具有实用、安全、经济的特点。肋柱式锚杆挡土墙多用于一般地区较 完整岩石地段的边坡支挡工程，也可作为土质边坡、基坑开挖和地下工程的临时支护3 l 。 锚杆挡土墙具有以下特点： ( 1 ) 结构质量轻，使挡土墙结构轻型化，与重力式挡土墙相比，可以节约大量的 圬工和节省工程投资； ( 2 ) 利于机械化、装配化施工，可以减轻笨重的体力劳动，提高劳动生产率； (