（岩土工程专业论文）加锚悬臂式挡墙理论分析与工程应用研究.pdf

、：、 一： 、t ， 原创性声明 i i i i ii ii i ii i i i f 1 1 1 , 1 1111i y 1718 7 21 本人声明，所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究 工作及取得的研究成果。尽我所知，除了论文中特别加以标注和致谢 的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不 包含为获得中南大学或其他单位的学位或证书而使用过的材料。与我 共同工作的同志对本研究所作的贡献均已在论文中作了明确的说明。 作者签名：至塑：茏日期：翌! ! 年上月型日 学位论文版权使用授权书 本人了解中南大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校 有权保留学位论文并根据国家或湖南省有关部门规定送交学位论文， 允许学位论文被查阅和借阅；学校可以公布学位论文的全部或部分内 容，可以采用复印、缩印或其它手段保存学位论文。同时授权中国科 学技术信息研究所将本学位论文收录到中国学位论文全文数据库， 并通过网络向社会公众提供信息服务。 作者签名：芝丕象 导师签名 日期：丝蛑月斗目 硕- l ：学位论文摘要 摘要 随着经济的发展和技术的进步，支挡结构已从传统的重力式挡土 墙发展为多种新型轻型支挡结构。诸如悬臂式、扶壁式、锚杆、锚定 板、加筋土等轻型挡土墙以及土钉墙、锚索等新型支挡结构已在工程 建设中得到了广泛应用。 悬臂式挡墙是目前最常用的轻型挡土墙之一，它具有轻型柔性的 力学特点、断面简单、施工方便等工程特点。以往的研究仅限于悬臂 式挡墙这一单一结构形式，而对其与其它支挡结构的组合形式未作深 入研究。本文将探索一种新型的复合式悬臂式挡墙结构加锚悬臂 式挡墙。 文章先介绍悬臂式挡墙和锚杆支护的构造及设计计算理论，然后 结合工程实例，对其进行结构稳定性验算。计算表明，悬壁式挡墙单 独工作时，抗倾覆稳定性和地基承载力满足要求，抗滑稳定性却不能 满足要求，故应对其采取加锚措施。文章通过a d i n a 对该工程分三种 工况进行数值模拟，对比分析墙项、底板的水平位移和填土面的竖向 位移，结果表明，在悬臂式挡墙立板上加设锚杆后，挡墙的抗倾覆稳 定性和抗滑稳定性均得到了较大的提高，且满足规范要求；锚杆在立 板上的设置高度对挡墙的稳定性能也有较大的影响。最后，结合监测 数据，结果显示，该工程在施工过程中及施工完成后的一年时间里， 挡墙项面、填土、周围土体监测点的水平偏移及地表沉降均满足边坡 工程的变形控制要求。 本文提出的加锚悬臂式挡墙，为边坡工程、基坑工程提供了一种 新的支护方案。不仅结构进一步轻型化，而且从整体协同作用上，也 提高了挡墙的结构稳定性能( 包括抗滑稳定性和抗倾覆稳定性) ，具有 一定的工程应用前景。 关键词：结构稳定性，土压力，加锚悬臂式挡墙，抗滑稳定性， 抗倾覆稳定性，协同作用，数值模拟 硕十学位论文a b s t r a c t a b s t r a c t w i t ht h ee c o n o m i cd e v e l o p m e n ta n dt h et e c h n o l o g i c a lp r o g r e s s ，t h e r e t a i n i n g s t r u c t u r eh a v e b e e nd e v e l o p e df r o mt h et r a d i t i o n a l g r a v i t y r e t a i n i n gw a l li n t on e wl i g h tr e t a i n i n gs t r u c t u r e s u c ha sc a n t i l e v e r , s u p p o r t i n gw a l l ，a n c h o r , a n c h o rp l a t e s ，r e i n f o r c e de a r t hr e t a i n i n gw a l l s ， s o i ln a i l i n g ，c a b l ea n do t h e rn e wr e t a i n i n gs t r u c t u r e ，w h i c hh a sb e e nw i d e l y u s e di nt h ee n g i n e e r i n gc o n s t r u c t i o n c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l li so n eo ft h em o s tc o m m o n l yu s e dl i g h t r e t a i n i n gw a l l s ，w h i c ho w n st h em e c h a n i c a lc h a r a c t e r i s t i c so fs o f tl i g h t ， a n dt h ee n g i n e e r i n gc h a r a c t e r i s t i c so fs e c t i o ns i m p l ea n dc o n v e n i e n t c o n s t r u c t i o n h o w e v e lp r e v i o u ss t u d i e sl i m i t e dt ot h es i n g l ec a n t i l e v e r r e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e ，w h i l en o td e e p l yc o n s i d e rt h ec o m b i n a t i o nw i t h o t h e rr e t a i n i n gs t r u c t u r e s t h i sp a p e rw i l le x p l o r ean e wt y p eo fc o m p o s i t e c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l l 一一a n c h o r - c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l l t h i sp a p e ri n t r o d u c e st h es t r u c t u r e ，d e s i g na n dc o m p u t a t i o nt h e o r yo f t h ec a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l la n da n c h o rf i r s t l y , t h e nc h e c k st h es t r u c t u r a l s t a b i l i t yb a s e do na ne n g i n e e r i n ge x a m p l e i tw a sp r o v e dt h a tw h e n c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l lw o r k e da l o n e ，s t a b i l i t ya g a i n s to v e r t u m i n ga n d b e a r i n gc a p a c i t ym e tt h ed e m a n d s ，w h i l et h ea b i l i t yo fa n t i s l i d i n gd i d n t m e e tt h er e q u i r e m e n t st h r o u g ht h et h e o r e t i c a lc a l c u l a t i o n ，s oi tw o u l db e a n c h o r e dt ot a k ea d d i t i o n a lm e a s u r e s i nt h i s p a p e r , t h en u m e r i c a l s i m u l a t i o n sw e r et a k e nf o rt h et h r e ec o n d i t i o n so ft h ep r o j e c tb ya d i n a t h r o u g hc o m p a r a t i v ea n a l y s i st h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h et o pa n d b o t t o mo ft h ew a l la n dt h ev e r t i c a ld i s p l a c e m e n to ft h ef i l l e ds u r f a c e ，i t w a ss h o w e dt h a tt h er e t a i n i n gw a l l o v e r t u r n i n gs t a b i l i t ya n ds l i d i n g s t a b i l i t ya r eg r e a t l yi m p r o v e da n dm e e tr e g u l a t o r yr e q u i r e m e n t s ，a f t e rt h e c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l lb o a r dh a db e e ne s t a b l i s h e da d d i t i o n a lb o l t ；b o l t s e th e i g h ti nt h el e g i s l a t i v eb o a r do fr e t a i n i n gw a l ls t r u c t u r e sa l s eh a v e g r e a ti n f l u e n c eo np e r f o r m a n c e f i n a l l y , b a s e so nt h ep r o j e c tm o n i t o r i n g d a t a ，i ts h o w e dt h a tt h eh o r i z o n t a ld i s p l a c e m e n to ft h et o po ft h ew a l l ， 硕上学位论文 a b s t r a c t f i l l e d s o i l ，a n dt h em o n i t o r i n gp o i n tm e tt h ed e f o r m a t i o nc o n t r o lo f e n g i n e e r i n ga n de x p e r i e n c er e q u i r e m e n t s ，t h eg r o u n ds e t t l e m e n ta l s od i d a n c h o r - c a n t i l e v e rr e t a i n i n gw a l l ，w h i c hw a sa d v a n c e di nt h i sp a p e r , i san e ws u p p o r tm e t h o df o rs l o p ee n g i n e e r i n ga n df o u n d a t i o ne n g i n e e r i n g t h i ss t r u c t u r ei sn o to n l yl i g h t e r , b u ta l s oi m p r o v e st h es t r u c t u r a ls t a b i l i t y o ft h er e t a i n i n gw a l lf r o mt h es y n e r g ye f f e c to nt h ew h o l e ，s oi t sp r o s p e c t s a r ef o r e s e e a b l e k e yw o r d s ：s t r u c t u r a ls t a b i l i t y , s o i lp r e s s u r e ，a n c h o r - c a n t i l e v e rr e t a i n i n g w a l l ，t h ea b i l i t yo fa n t i s l i d e ，t h e a b i l i t y o fa n t i o v e r t u r n i n g ，s y n e r g y e f f e c t ， n u m e r i c a ls i m u l a t i o n i i 硕j j 学位论文目录 目录 摘要i a b s t r a c t i 第一章绪论1 1 1 支挡结构的作用及发展历史1 1 1 1 支挡结构的作用1 1 1 2 支挡结构的发展历史1 1 2 新型支挡结构的研究现状6 1 3 本文主要研究内容8 第二章加锚悬臂式挡墙的设计理论1 0 2 1 悬臂式挡墙设计理论10 2 1 1 悬臂式挡墙构造1 0 2 1 2 墙身内力计算l2 2 2 锚杆支护设计理论15 2 2 1 锚杆的锚固原理1 6 2 2 2 锚杆的构造1 7 2 2 3 锚杆复合内力18 2 2 4 锚杆长度计算19 2 2 4 锚杆截面面积计算2 1 2 3 挡土墙稳定性验算21 2 4 工程实例概况2 3 2 4 1 工程概况2 4 2 4 2 工程地质条件2 4 2 5 工程实例计算分析2 4 2 5 1 墙后土压力计算2 5 2 5 2 竖向荷载计算2 6 2 5 3 抗滑稳定性验算2 7 2 5 4 抗倾覆稳定性验算2 7 2 5 5 地基承载力验算2 8 2 5 6 计算结果分析2 8 硕 学位论文 目录 2 6 本章小结2 9 第三章有限元分析基础理论分析3 0 3 1 地应力分析3 0 3 2 非线性问题的求解3 l 3 2 1 增量法3 1 3 2 2 迭代法3 2 3 2 3 混合法3 4 3 3 材料本构模型3 5 3 3 1a d i n a 中的岩土材料模型。3 5 3 3 2m o h r o c o u l o m b 本构关系3 6 3 4 接触面设置。3 6 3 5 计算的基本步骤3 7 3 6 本章小结3 8 第四章加锚悬臂式挡墙工作性能数值模拟3 9 4 1a d i n a 简介3 9 4 2a d i n a 计算模型及初始地应力计算。4 0 4 3 工况一模拟及分析4 1 4 3 1 模型及说明4 2 4 3 2 计算结果分析4 3 4 4 工况二数值模拟及分析4 3 4 4 1 前期建模4 3 4 4 2 计算结果分析4 4 4 5 工况三数值模拟及分析4 6 4 5 1 前期建模4 6 4 5 2 计算结果分析4 6 4 6 结果对比分析。4 7 4 7 本章小结4 9 第五章加锚悬臂式挡墙支护工程变形监测5 l 5 1 变形监测的目的和意义5 1 5 2 变形监测的基本原则5 2 5 3 变形监测方案设计5 3 2 硕t 学位论文目录 5 3 1 监测项目的选择5 3 5 3 2 监测方法和监测仪器的选取5 3 5 3 3 监测点的布置5 4 5 3 4 监测周期及频率5 5 5 4 变形监测成果分析5 5 5 4 1 边坡坡体地表水平位移监测成果分析5 5 5 4 2 边坡坡体地表竖向位移监测成果分析5 6 5 4 3 挡土墙水平位移监测成果分析5 7 5 4 4 边坡周边建筑物竖向位移监测成果分析5 8 5 5 结论5 9 第六章结论与展望6 0 6 1 结论6 0 6 2 展望6 0 参考文献6 2 致谢6 5 攻读硕士学位期问参加的科研项目及论文发表情况6 6 硕一l ：学位论文 第一章绪论 第一章绪论 1 1 支挡结构的作用及发展历史 1 1 1 支挡结构的作用 支挡结构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 构造物。在路基工程中，支挡结构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，并经常用于整治塌方、滑坡等路基病害。在 山区公路和城市建设中，支挡结构的应用更为广泛。随着技术的发展，支挡结构 的形式同趋增多，应用范围日渐扩大。目前，不仅广泛应用于公路、铁路、城市 建设，同时应用于水坝建设，河床整治，港口工程，水土保持山地规划，山体滑 坡及泥石流防治等领域。 归纳起来，支挡结构的主要特剧l 】有： 1 ) 、节省占地。混凝土支挡结构，由于充分利用混凝土结构的自稳定性和抗 剪切，抗倾覆，抗滑动能力强的特性，使路堑和路堤的边坡角口介于0 与口( 土 体破裂角) 之问，并更接近于零。从而在满足使用要求的同时，达到减少永久性 占地或避免与重要建筑物干扰，节省路堑开挖和路堤填方的工作量。 2 ) 、与环境协调一致。利用混凝土结构的可塑性，设计出各种图案，在挡土 的同时，起到美化环境的作用。 3 1 、用于特殊场合。在有泥石流或山体不稳定的地区，遇刮风、下雨或融雪 等情况时，会有落石及滑坡产生的可能。而支挡结构能阻碍落石及滑坡、能稳定 山体，从而保障交通、临近建筑物、人民群众生命和财产的安全。 1 1 2 支挡结构的发展历史 一直以来土木工程领域中应用较多的是重力式挡土墙，近些年来，发展了许 多采用钢筋混凝土构件组成的轻型挡土墙【2 棚，如钢筋混凝土悬臂式挡土墙、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，其基本型式及特点1 5 】介绍如下： 1 ) 、重力式挡土墙( 见图1 1 ( a ) ) ( 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； 硕上学位论文 第一章绪论 ( 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 1 ( 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 ) 由于坡陡、下墙背仰斜，在陡坡地区可降低墙高，减少基坑丌挖面积； ( 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 路颦墙。现在一般用于路肩或拦挡落石的路堑地段。 a 图 b 图 图1 - 1 重力式挡土墙和衡重式挡土墙 3 ) 、卸荷板式挡土墙( 见图1 2 ) ( 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。 卸荷 图1 - 2 卸荷板式挡土墙 2 厶 口 硕上学位论文 第章绪论 4 ) 、悬臂式挡土墙( 见图1 3 ( a ) ) ( 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 时，宜在墙面板前加肋。 5 ) 、扶壁式挡土墙( 见图1 - 3 ( b ) ) ( 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。 墙趾 a 图b 图 扶壁 图1 - 3 悬臂式挡土墙和扶壁式挡土墙 6 ) 、锚杆( 索) 挡土墙睁】( 见图1 - 4 ( a ) ) ( 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颦边坡) ，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。 7 ) 、锚定板挡土墙( 见图1 4 ( b ) ) ( 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； 硕j ! 学位论文 第一章绪论 ( 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级。在双级墙的上下级之间应设平台。单级墙高不宜 大于6 m ，双级墙总高度宜控制在l o r e 以内。 _ 丁 、l 一 、 、 l _ l 锚杆( 索) 叫一- “l 墙面。1j ； 卜十一一 、l 辨二徽板 刀及一脓1 a 图b 图 图1 4 锚杆( 索) 挡土墙和锚定板挡土墙 8 ) 、加筋土挡墙【1 2 】( 见图1 - 5 ( a ) ) ( 1 ) 加筋土挡土墙是由墙面系、拉筋和填土共同组成的挡土结构，由拉筋 和填土间的摩阻力维持墙体的稳定。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 宣大于l o m ，大于l o m 或用在其它地区时按特殊设计考虑。 9 ) 、土钉墙( 见图l - 5 ( b ) ) ( 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。 1 0 ) 、对拉式挡土墙( 见图1 - 6 ) ( 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。 4 硕上学位论文第一章绪论 a 图 墙面系 图1 - 5 加筋土挡墙和土钉墙 b 图 图1 - 6 对拉式挡土墙 1 1 ) 、桩板式挡土墙( 见图1 - 7 ( a ) ) ( 1 ) 桩板式挡土墙是一种在桩之问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。 1 2 ) 、桩基托梁挡土墙( 见图1 - 7 ( b ) ) ( 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。 5 硕 ：学位论文第一章绪论 钢筋混 凝土桩 挡土墙 托梁 一一 一一 桩基 原始地表线 a 图b 图 图1 7 桩板式挡土墙和桩基托梁挡土墙 1 2 新型支挡结构的研究现状 高永涛、成子桥等提出并成功实施了集护坡与挡土为一体的支挡结构，将预 应力锚杆和锚定板技术进行了有效的组合。经理论探讨和工程实践形成了一项适 用于坡间挡土墙建造的新技术双锚支挡建造技术【1 3 】。余天庆、吴瑜锟等对 平均墙高9 5 m 的双面直立互锚式薄壁挡土墙的受力进行了现场原型观测，得出 + 结论挡土墙压力呈非线形分布，并在距墙顶大于4 m 时，实测土压力值大于 理论计算值【l4 1 。张新敏对滑坡体的受力分析及作用于支挡结构上的荷载研究， 得出结论：在滑坡体剩余下滑力较大情况下，应优先采用抗滑桩来提高滑坡体的 稳定性【1 5 】。 高翔、石名磊、刘松玉采用有限元分析的数学方法，应用弹性非线形邓肯一 张模型，研究出：筋材的刚度、间距，加筋体的形状以及局部超载的作用对加筋 支挡结构的侧向位移有显著影响，在加筋土工程设计时应把筋材刚度、间距、加 筋体的形状以及局部荷载的作用为主要因素加以控制【l 6 1 。 张留俊、黄晓明结合连云港至徐州高速公路的工程实例，对抗滑桩与粉喷桩 相结合在这方面的成功应用做了介绍f 1 7 】。潘卫平对密排灌注桩挡墙方案进行了 优化设计f 1 8 】。郑文鑫【1 9 1 结合福建省实践，提出了软土及粘性土中基坑维护构件 的合理i 、日j 距，并指出应用朗肯理论计算主动土压力和被动土压力的两个缺陷，认 为选择符合工程实际的主动土压力和被动土压力的计算方法是支挡结构设计的 关键。 杨广庆在f h w a 经验公式的基础上，提出一种改进的计算台阶式加筋挡土 墙下级墙墙体附加垂直应力墙背附加水平土压力的计算方法【2 0 】。桂树强，殷坤 龙，罗平从将预应力锚索抗滑桩作为支承支挡结构的地质与物理模型出发，建立 了力学与数学模型，得到了该模型的内力分布的解析解，为其结构设计奠定了基 6 硕士学位论文第一章绪论 础。将双参数法引入到土抗力模数或地基系数的计算并贯穿到整个结构计算中， 利用抗滑桩和锚索位移变形协调条件，计算出锚索的设计拉力。与采用普通的抗 滑桩进行技术与经济分析后，体现出这种抗滑结构的优越性【2 。 夏炎、蒋明星、尚兵指出目前水泥土桩墙支挡结构抗倾覆稳定验算中的不合 理现象，分析了这种支挡结构不同类型的倾覆失稳机理，在考虑墙体与土体之i 日j 的摩擦力和墙底土体性质的基础上，建立了新的抗倾覆稳定演算公式，并对影响 抗倾覆稳定的因素进行了分析【2 2 l 。 李建光、赵其华研究出：1 、在支挡结构侧向水平位移达到一定值时，淤泥 质亚粘土层有效应力会有突然增大现象。这一现象对支挡结构的稳定性有相当大 的影响。2 、由于支挡结构与土体的相互作用，随着支挡结构的侧向水平位移的 变化，土体中应力是一个动态值。因此，为了保持基坑稳定，在设计基坑支护结 构时应考虑土体中应力动态变化【2 3 l 。 孙远、许宏发、陈应才系统的研究了水泥土搅拌桩在重力式挡墙、排桩围护、 土钉墙和锚拉水泥土挡墙等基坑支护结构中的应用方法【2 4 1 ，并对各方法的结构 形式、设计方法、适用条件以及优缺点进行了评价。 郑颖人等采用有限元强度法对云南省元磨高速公路试验段岩质高边坡稳定 性进行了评价【2 5 1 ，通过有限元强度折减法得到了不同工况下的破坏模式和安全 系数，同时得到了框架竖肋的内力大小和分布，并与现场实测数据进行了对比， 其结果对预应力锚索框架设计具有一定的参考意义。 张禹对水泥土复合式支挡结构进行了探讨f 2 6 1 。此种支挡结构是一种新型结 构，同本称为s m w 工法。其原理是用水泥土作为防水帷幕，水泥土和钻 扎桩、树根拄、h 型钢，甚至毛竹等联合作用共同抵抗墙后的土压力。作者对其 设计计算方法和设计理论中的一些问题提出自己的看法。 熊巨华，杨敏，冯又全对一种新型的围护结构水泥土复台式围护结构， 提出了整套稳定性验算方法，最后结合工程实践，讨论了影响墙体稳定性的有 关因素，得出结论【2 7 】：( 1 ) 本文提出的稳定性验算方法已经在部分工程中得到 应用，证明是可行的，但还需要在更多的实际工程中进行验证。( 2 ) 设置支撑以 后可以明显改善墙体的稳定性。( 3 ) 抗倾覆稳定安全系数和抗滑移稳定安全系数 均随墙体入土深度的增加而增大，增大的趋势几乎是线性的，而且两者增大的幅 度也基本相同。( 4 ) 在有支撑的情况下，抗倾覆稳定安全系数和抗滑移稳定安全 系数均随墙体入土深度的增加而线性增大，抗倾覆稳定安全系数的增大幅度大于 抗滑移稳定安全系数的增大幅度。( 5 ) 随着支撑断面的增大，墙体抗滑移和抗倾 覆稳定安全系数也随之增大；当支撑断面较小时增大幅度也较小；当支撑断面 较大时，抗滑移和抗倾覆稳定安全系数增加很快。( 6 ) 地面超载对墙体抗倾覆稳 7 硕1 ：学位论文第一章绪论 定安全系数的影响要远大于对墙体抗滑移稳定安全系数的影响。( 7 ) 随着土体内 摩擦角的增大，墙体稳定安全系数也随之增大；土体内摩擦角越大，对墙体稳定 性的影响越大。( 8 ) 随着土体粘聚力的增大，墙体稳定安全系数也随之线性增大， 抗倾覆稳定安全系数和抗滑移稳定安全系数的增加趋势是一致的。 梁波、王家东、严松宏中从探索悬臂式挡墙新的构成形式出发，对如何既利 用悬臂式挡墙较高的抗倾覆能力和抗滑特性，又能在充分利用墙后填土的自重的 前提下提高其支挡的高度，提出了新结构多级垛式悬臂式挡墙【2 8 1 ，并对其 进行了探索和讨论。文中首次提出二级垛式悬臂式支挡结构，并通过数值分析研 究其受力变形特点。根据模拟的施工工况，采用弹塑性本构模型并考虑能够反映 土体与墙面相互作用的接触单元，分析了墙背变形和填土的受力。此外，通过其 力学特点分析和青藏铁路试验段的变形测试结果，探讨其在多年冻土地区的应 用。 王晓红结合工程实际介绍了一个在软弱地基上填土高度2 2 m 的新型加筋土 墙的设计【2 9 1 。软弱地基采用桩承加筋土挚层处理，新型加筋土墙为组合模块墙面 土工格栅加筋结构。组合模块墙面克服了传统拼装薄墙面“鼓肚”变形和墙背结点 处因应力集中拉筋容易断裂的缺点。 锚杆的数值计算，目i j 主流的方法还是采用有限元法【3 5 1 。早期的工作是将 锚杆简化为梁单元或精架元，这种处理方法较简单，但不能真实地反映锚杆的行 为，特别是锚杆与岩土体在接触面上的相互作用。为解决这一问题，一些研究人 员在锚杆与岩土体间的接触面上引入了接触单元【3 9 1 ，但这无疑增加了求解问题 的复杂性。锚杆问题的进一步研究是建立包含了锚杆刚度与粘结材料刚度的锚杆 单元。 a y d a n 3 6 】等人提出的一种修正的锚杆单元，该单元有四个结点，其中两个结 点与锚芯相连，另两个结点则与灌浆相连。但该计算模型未考虑锚芯与灌浆之间 的剪切滑动作用。 雷晓燕【4 0 。4 1 】在a y d a n 、d e s a i 等人工作的基础上，提出了一种考虑锚芯与灌 浆问剪切破坏作用的三维锚杆单元。 1 3 本文主要研究内容 本文将悬臂式挡墙与锚杆支护结合起来，提出一种新型挡墙加锚悬臂式 挡墙，如下图所示： 硕1 j 学位论文第一章绪论 卜 一一f 一图1 一1 0 加锚悬臂式挡墙示意图 本文通过实际工程的数值模拟、边坡支护施工监测，研究加锚悬臂式挡墙的 抗倾覆稳定性、抗滑稳定性，重点做以下的工作： 1 1 介绍悬臂式挡墙及锚杆支护的设计计算理论 本文研究的对象为加锚悬臂式挡墙，因此有必要对悬臂式挡墙和锚杆支护的 设计计算分别进行简单的介绍，并介绍挡墙结构的整体稳定性验算方法，为引入 新型的复合式挡墙加锚悬臂式挡墙作简单的铺挚。 2 1 理论计算分析 本文将结合工程实例进行挡墙结构的理论计算与分析，对其分别进行抗滑稳 定性、抗倾覆稳定性和地基承载力验算，最后得出计算结论。 3 1 有限元分析的理论基础及关键问题 本文将对有限元分析进行深入的研究，并结合数值分析软件a d i n a ，详细 介绍数值模拟的基础知识及操作过程中应注意的一些关键问题。 4 1 有限元模拟与分析 本文将利用a d i n a 模拟加锚悬臂式挡墙施工的全过程，为便于对比分析说 明，将分三类工况进行模拟。 5 ) 工程项目监测分析 本文将结合工程实例的监测项目，详细说明加锚悬臂式挡墙在施工过程中及 施工完成后的一年时间罩，墙体变化、填土、周围土体监测点的水平位移及地表 沉降是否满足边坡工程的变形控制要求。 9 硕七学位论文第_ 二章加锚悬臂式捎墙的设汁理论 第二章加锚悬臂式挡墙的设计理论 本章先分别介绍悬臂式挡墙和锚杆支护的设计理论，最后再介绍挡土墙稳定 性验算的方法。查阅各类规范，得知目前并没有加锚悬臂式挡墙的设计计算理论， 本章研究内容对加锚悬臂式挡墙的设计、施工取到一定的指导作用。 2 1 悬臂式挡墙设计理论 2 1 1 悬臂式挡墙构造 悬臂式挡土墙是由立板和底板两部分组成【5 】。为便于施工，立板内侧( 即墙 背) 做成竖直面，外侧( 即墙面) 可做成1 ：0 0 2 1 ：0 0 5 的斜坡，具体坡度值将 根据立板的强度和刚度要求确定。当挡土墙墙高不大时，立板可做成等厚度。墙 顶的最小厚度通常采用2 0 0 3 0 0 m m 。当墙高较高时，宜在立板下部将截面加厚。 墙底板一般水平设置。通常做成变厚度，底面水平，顶面则自与立板连接处 向两侧倾斜。墙底板是由墙踵板和墙趾板两部分组成。墙踵板顶面倾斜，底面水 平，其长度由全墙抗滑稳定验算确定，并具有一定的刚度。靠立板处厚度一般取 为墙高的l 1 2 1 1 0 ，且不应小于2 0 0 3 5 0 m m 。 墙趾板的长度应根据全墙的倾覆稳定、基底应力和偏心距等条件来确定，一 般可取为o 1 5 0 3 b ( b 为底板的宽度) ，其厚度与墙踵相同。通常底板的宽度 b 由墙的整体稳定来决定，一般可取墙高度h 的0 6 0 8 倍。当墙后为地下水位 较高，且地基承载力很小的软弱地基时，b 值可能会增大到l 倍墙高或者更大。 为提高挡墙抗滑稳定性能，底板设置凸榫防滑键，如图2 1 所示。 图2 - 1 加凸榫的悬臂式挡墙 1 0 硕t - 学位论文第二章加锚悬臂式挡墙的设计理论 为使凸榫前的土体产生最大的被动土压力，墙后的主动土压力不因设凸榫而 增大，必须将凸榫置于过墙趾与水平成4 5 。一汐2 角线及过墙踵与水平线成够角 线所包围的三角形之内，如图2 2 。 b t lb tb t 2 ： - - - h b - 一一一一一 、 一。， i v | l 、s 硼a e 1 2 i ： 、一-， b t 图2 - 2 凸榫计算简图 因此，凸榫的位置宽度与高度必须符合以下要求： b r 。t a n ( 4 5 。+ 0 2 ) b r 2 b 一缉i 一屏辟c o t 够, 凸榫前侧距墙趾的最小距离岛。： 辟l m i 。= b 一 凸榫高度： 辟：kleax-,u(b-br,)(p3+p2)2 p p ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 式中：p l 、p 2 、见墙趾、墙踵及凸榫前缘处基底的压力强度； p p 凸榫前的被动土压力强度，可取下式作近似计算； 砟= 三( ”p ：) t a n 2 ( 4 5 。+ 聊) ( 2 - 5 ) 凸榫宽度： 一，刁 广 硕十学位论文第二章加锚悬臂式挡墙的设计理论 岛鼯 ( 2 6 ) 式中：m 凸榫根部弯矩设计值； b 凸榫根部截面宽度，在挡土墙计算取每延长米，即b = l m ； y 。截面抵抗矩塑性系数，取1 5 5 ； z ，素混凝土扰拉强度设计值，可查规范中混凝土轴一t l , 抗拉强度设计值 7 ：值乘以系数0 5 5 确定。 2 1 2 墙身内力计算 1 ) 立板的内力 立板为固定在墙底板上的悬臂梁，主要承受墙后的主动土压力与地下水压 力。墙前的土压力多不考虑( 如图2 3 ) 。立板较薄，自重小而略去不计，立板按 受弯构件计算。各截面的剪力、弯矩按下列公式计算： r h o x 。 7 ( o + 日1 ) 足。 图2 - 3 立板受力及内力计算简图 应按承载能力极限状态下荷载效应的基本组合，采用相应的分项系数。 由可变荷载效应控制的组合： k ：= 1 27 z z k , + 1 4 h o y z k , m i ：= 1 27 6 z 3 x a + 1 4 i y z 2 x o oz 式中：k ：距墙顶z 处立板的剪力。 m 。：距墙项z 处立板的弯矩； z 计算截面到墙项的距离； y 填土的重度； 1 2 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 硕l 学位论文第二章加锚悬臂式挡墙的设计理论 列车、汽车等活载的等代换算土柱高； k 主动土压力系数。 由永久荷载效应控制的组合： 巧：= 1 3 5 l z 2 t + 1 4 x0 7 h o t z k a ( 2 - 9 ) m l ：= 1 3 5 乏z 3 k + 1 4 x 0 7 号z 2 k , ( 2 1 0 ) oz 取上述两种计算值最大者确定其为剪力、弯矩设计值。 2 ) 墙踵板的内力 墙踵板是以立板底端为固定端的悬臂梁。墙踵板上作用有第二破裂面( 或假 想墙背) 与墙背之间的土体( 含其上的列车、汽车等活载) 的重量、墙踵板自重、 主动土压力的竖向分量、地基反力、地下水浮托力、板上水重等荷载作用，如图 2 4 。 当计算墙踵板的内力时，应按荷载效应的基本组合设计值。 当无可变荷载和地下水时，在上压和墙体自重作用下，墙踵板内力计算值： 嘭= e 见z + l 气r c - p 一= + ( 7 q 一见z + 卫- ) 最7 2 b ( 2 1 1 ) 一( a 一仍) 最2 bl m 是= 彰 3 ( 见z + 岛o p z ) + ( 厂日一一肛：+ 卫- ) 色7 召( 2 - 1 2 ) 一( p l p 2 ) 吃bi 6 l p z i 一厂 y c h 。 ，l 以啊 l l p l j m 2 j n 匕。 叫一签c b l 图2 - 4 墙踵板内力计算 式中嘭距墙踵端部为色截面的剪力计算值； m 乏距墙踵端部为最截面的弯矩计算值； 鼠计算截面