（水利工程专业论文）超限钢筋混凝土扶壁式挡墙的研究与应用.pdf

山东大学硕士学位论文 摘要 我们国家，很多工程项目建设在山地和丘陵地区，这些场地地形 起伏较大，为了满足工业生产的需要，l o m 2 5 m 的填方边坡在实际工 程中经常遇到。本文探讨了挡土墙的作用原理、应用研究现状及发展 趋势。对于建设中遇到的填方区高大边坡工程，选择高度超过规范的 钢筋混凝土扶壁式挡土墙分析研究，并进行优化设计分析，使扶壁式 挡土墙适用范围扩大，结构的材料强度充分发挥，以达到安全适用和 经济效益最佳结合点的目的。 首先，确定侧向土压力。根据扶壁式挡土墙具体情况确定所承受 的荷载，采用工程中普遍使用的朗肯或库伦土压力理论来计算侧向土 压力。通过大量的理论分析，指出适合各种状况的侧向土压力计算方 法。其次，确定扶壁式挡土墙各个构件的计算模型和计算荷载，由此 进行整体稳定分析和构件内力分析，验算挡土墙的稳定性并计算出结 构内力。通过大量的比较计算分析，结合工程实践，总结出钢筋混凝 土扶壁式挡土墙的优化设计步骤，找出影响墙身截面形状和尺寸的因 素，提高设计效率，取得良好的经济效益。最后指出有待进一步研究 的问题 关键词：扶壁式挡土墙高度超规范土压力优化设计分析 山东大学硕士学位论文 a b s t r 氏c t i nc h i n a ，t h e r ea r eal o to fp r o j e c t si nt h em o u n t a i n o u sr e g i o n s i n t h es a m ep r o j e c t ，t h es o m ep l a c e so fi sh i g h ，t h es o m ep l a c e si sl o w ，t h e e l e v a t i o nd i f f e rv e r yg r e a t l y f o rt h es a k eo ft h ei n d u s t r y s m o o t h l y p r o g r e s s ，w eu s u a ll yn e e dt oc o n s t r u c tb u il d i n gs l o p e ，t h ed r o ph e i g h t o ft h eb u i l d i n gs l o p ei s1 0m e t e rt o2 5m e t e rs o m e t i m e s i nt h et e x t w e d i s c u s ss o m ep r o b l e mf o r t h er e t a i n i n gw a l l ，i n c l u d i n gt of u n c t i o n p r i n c i p l e ，t h ec o n d i t i o no fa p p l i c a t i o ns t u d ya n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n d s o ft h er e t a i n i n gw a l l w eb u i l dc o u n t e r f o r tr e t a i n i n gw a l la tt h eb u i l d i n g s l o p e ，t h ew a l le x c e e dc r i t e r i o ni nt h es i d eo fh e i g h t w er e s e a r c ha n d o p t i m i z et h ew a l lf o re x t e n d i n gt h ea p p l y i n gs c o p e i nt h i sw a y ，t h e m a t e r i a ls t r e n g t ho ft h es t r u c t u r ei sf u l le x e r t i v e ，a n do b t a i nt h e s a f e t ya p p l ya n de c o n o m i cp e r f o r m a n c et h eb e s t r e s u l tf o rc o m b i n e f i r s t ，w em u s tw o r ko u tt h es i d e s o l lp r e s s u r ea tc o u n t e r f o r t r e t a i n i n gw a l l i nc o u r s eo fw o r k i n g ，w ee m p l o yt h et h e o r i e sf o rt h es i d e s o i1p r e s s u r e ，t h et h e o r i e sw e r et h o u g h to u tb yc a c o u l o m ba n d w j m r a n k i n e f i n da 1 1k i n d so fm e t h o dt oc o m p u t et h es i d e s o i l p r e s s u r e ，t h r o u g hag o o dd e a lo fs t u d yt ot h e m t h en e x ti no r d e r ，m a k e s u r ec a l c u l a t i o nm o d e la n dl o a do ft h ew a l l ，r e s e a r c hs t a b i l i t yo ft h e w a l lt ob eaw h o l e ，a n da n a l y s et h ec o n d i t i o no fe a c hp i e c e t h r o u g ha g o o dd e a lo fc o m p a r i n ga n dc o m p u t i n gt ot h e m , f i n dt h em e t h o dt od e s i g n t h ew a l la n dt h ef a c t o ro fa f f e c t i n gt h e i rs i z e ，i m p r o v ee f f i c i e n c yo f w o r k i n g ，a n da t t a i ne c o n o m i cb e n e f i t e n d ，p o i n to u tt h ep r o b l e mt h a tn e e d t ob er e s e a r c hi nt h ef u t u r e k e yw o r d s ：c o u n t e r f o r tr e t a i n i n gw a l l ，o u t r u nt h ed e p t hr e s e a r c ho fn o r m ， s o l lp r e s s u r e ，e x c e l l e n tt u r nt h ed e s i g na n a l y s i s 原创性声明 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己经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：生! ：! 塑日期： ”力7 - ，7 。j 。一 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或 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 人授权山东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、缩印或其他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：二咀导师签名： 山东大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 本课题的来源、意义、目的与发展 ，我们国家，很多工程项目建设在山地和丘陵地区，这些场地地形起伏较 大，为了满足工业生产的需要，最大限度的减少耕地的占用，更有效的节约 和利用有限的土地资源，往往需要在起伏较大的场地上进行整平工作，建筑 场地边坡的高度动辄超过l o m ，1 0 m 2 5 m 的填方边坡在实际工程中也经常遇 到。莱芜钢铁集团矿山建设公司6 0 万吨年链篦机一回转窑球团工程中挡土最 大高度1 6 m ，莱芜钢铁集团银山型钢股份有限公司高炉工程中挡土最大高度 1 8 m ，莱芜钢铁集团l a i s m e l t 厂区挡土最大高度1 2 m ，莱芜钢铁集团银山型钢 股份有限公司备用输焦工程填方区挡士最大高度2 0 m ，上述已经建成使用，莱 芜钢铁集团水渣微粉工程中挡土最大高度1 8 m ( 在建) 。在这些地区，根据地 形和工业生产的需要，往往在边坡顶部区域设计了厂区的主要运输道路，采 用坡度较缓的自然放坡等方式将多占用大量的土地资源，生产厂区土地资源 非常有限，场地的限制要求边坡工程尽可能少占用或不占用平面空间。同时， 这些填方地区，很多地方岩石面距挡土墙较远且风化严重，无法采取锚杆 ( 索) 挡土墙、岩石锚喷等边坡支护手段。以前的填方区工程多数采用 一般重力式毛石或素混凝土挡土墙，石料用量惊人，施工质量很难控制，施 工速度较慢。 根据国家现行建筑边坡工程技术规范g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 的要求，钢筋混 凝土扶壁式挡土墙的高度不宜超过1 0 m 。在高度超过1 0 m 的填方区建筑边坡 工程的建设中，尝试采用高度超限的扶壁式挡土墙，可以很好的解决工程建 设场地中遇到的场地限制、施工繁琐、质量不易控制等很多困难。依照国家 现行的极限状态设计的理论原则，根据土力学、结构力学、混凝土结构等基 本理论，对钢筋混凝土扶壁式挡土墙的挡土原理及工程应用进行探索和分析， 采用高度超限的扶壁式挡土墙，最大高度可达到2 5 m 。经过几年实际工程的应 用和监测，证明其安全可靠，经济效益和社会效益显著。 1 2 挡土墙的作用、分类及应用现状 1 2 1 挡土墙的作用 山东大学硕士学位论文 挡土墙是用来支承填土或山坡土体，防止填土或土体变形失稳的一种构 筑物。目前，挡土墙不仅广泛应用于道路建设和工业与民用建设，同时应用 于水坝建设、河床整治、港v i t 程、水土保持山地规划、山体滑坡及泥石流 防治等领域。在路基工程中，挡土墙可用以稳定路基和路矩边坡，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。在山区的工业与民用建设中，挡土墙可以因地制宜，将上坡分割成 阶梯状平整场地，方便人们的生产和生活，节约耕地。 随着工程技术的发展，挡土墙的形式日趋增多，应用范围日渐扩大。归 纳起来，其主要作用为：( 1 ) 节省占地。充分利用挡土墙结构的自稳定性和 抗剪切、抗倾覆、抗滑动能力强的特性，使边坡坡角a 介于9 0 。与0 ( 土体破 裂角1 之间，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，节省开挖和填方的工作量。( 2 ) 美化环境。在不同的位置，结 合挡土墙多样的材料和形式，设计出各种图案，在挡土的同时，起到美化环 境的作用。( 3 ) 保护人们的生命和财产安全。在有泥石流地区或山体不稳定， 有落石及滑坡的场合，建设能阻碍落石及滑坡的挡土墙。 1 2 2 挡土墙的形式、特点及适用范围 根据挡土墙横断面的几何形状及其受力特点，国内外常用的挡土墙形式 有： 1 、重力式挡土墙。主要依靠墙身自重承受土压力，保持平衡。它取材 容易，形式简单，施工简便。多用浆砌片石，墙高较低时可以干砌，在缺乏 石料地区可用混凝土浇注。其断面尺寸较大，墙身较重，对地基承载力的要 求较高。适用于挡土高度较小、石料丰富、地质条件较好的山区。 2 、衡重式挡土墙。上下墙背间有衡重台，利用衡重台上填土重力和墙身 自重共同作用维持其稳定。其断面尺寸较重力式挡土墙小，且因墙面陡直、 下墙墙背仰斜，可降低墙高和减少地基开挖量，但地基承载力较重力式挡土 墙要求更高。多用在地基承载力较好、挡土高度稍大的山区。 3 、悬臂式挡土墙。钢筋混凝土结构，由立壁、墙趾板和墙踵板三个悬臂 部分组成，墙身稳定主要依靠墙踵板上的填土重力来保证。断面厚度较小， 但墙较高时，立壁下部的弯矩大，钢筋与混凝土的用量大，经济性差。多用 于墙高不大于6 m 的填方地区，适用于石料缺乏的地区和承载能力较差的地 2 山东大学硕+ 学位论文 基。 4 、扶壁式挡土墙。钢筋混凝土结构，由墙面板u r 壁) 、墙踵板、墙趾板 和扶肋( 扶壁) 组成，即沿悬臂式挡土墙的墙长，每隔一定距离增设扶壁，把 墙面板与墙踵板连接起来。适用于缺乏石料的地区和高度较大的填方地区， 墙较高( 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。在地下挖狭长深槽，槽内充满泥浆 同时浇注水下钢筋混凝土墙，靠墙自身的强度或横撑保证体系稳定。从其工 程分类上讲，虽不属于挡士墙范畴，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。适用于软土地基密集的建筑群中高层建筑的深坑基坑开 挖以及临时支护、防渗。 6 、土钉式挡土墙。它由被加固土体、锚固于土体中的土钉群和面板组成， 形成类似重力式的挡土墙。利用土钉对天然土体就地实施加固，并与喷射混 凝士护面板相结合，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。 7 、锚杆式挡土墙。它由肋柱、钢筋混凝土墙面板和锚杆组成。锚杆一端 锚固在稳定的地层中，另一端通过肋柱和墙面连接，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，有锚固条件，缺乏石料的地 区或挖基困难的地段，对地基承载力要求不高。 8 、锚定板式挡土墙。锚定板、拉杆、钢筋混凝土墙面和填土组成。结构 特点和锚杆式挡土墙类似，锚杆端部增设锚定板，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。 适用于缺乏石料和有锚固条件的填方。 9 、排桩式挡土墙。它由钢筋混凝土锚固桩和挡土板组成。利用深埋桩的 锚固作用和桩间挡土板抵抗侧向土压力，从而维护挡土墙的稳定，土压力较 大，地上悬臂高度不宜超过5 m 。开挖面小，施工较为安全。适用于对桩顶变 位要求不高、土质较好的地段。 山东大学硕e 学位论文 l o 、加筋土挡土墙。它是由墙面板、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。结构简单、外形美观、占地面积少，而且对地基的适用性强。但该结构 形式颇费人工，需回填和施工结合进行，适用于缺乏石料的地区的大型填方 工程。国内自八十年代中期逐渐发展起来，目前己经有比较成熟的设计规范、 施工规范和验收规范、并有不少厂家在生产加工各种形式的拉筋带。 1 l 、复合挡土墙。由拱形砌体和钢筋混凝土柱组成。所谓复合，其一是 指挡土墙由钢筋混凝土桩与砌体两种不同的材料组合而成；其二是指由竖直 钢筋混凝土桩与拱形砌体共同承担土体荷载，桩、拱复合受力，共同作用。 复合挡土墙的工作原理：常规的平背式挡土墙是在水平土压力的作用下产生 水平推力使砌体受拉，而砌体的抗拉强度较低，砌块的力学性能得不到充分 的利用。复合挡土墙的拱形砌体在水平土压力作用下产生拱轴压力，砌体抗 压强度较高，可以做得较薄，使砌块材料的力学性能得到充分发挥。同时， 桩、拱复合是一种空间结构，截面惯性矩和垂直抗弯刚度远大于平背式挡土 墙，受力性能好，变位小。 1 2 、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同定或铺钢丝网i 临时固定，再现浇网格式 钢筋混凝土劲肋骨架固定山体。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 3 、水泥土挡土墙。利用水泥、石灰等材料作为固化剂，通过深层搅拌 机械强制搅拌或高压喷射注浆法，使软土硬结成整体桩，充分利用原位土形 成重力式挡土墙。适用于地基承载力小于1 5 0 k p a 的软土地基及基坑支护。 1 4 、现浇混凝土表面全部美化的墙式结构挡土墙。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，由于它比普通现浇混凝土墙式 挡土墙造价高，工艺复杂，一般高度在3 m 6 m 内。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。 4 山东大学硕士学位论文 1 3 钢筋混凝土扶壁式挡土墙的优点 钢筋混凝土扶壁式挡土墙受力清晰，结构简单。比较其它形式的挡土墙， 扶壁式挡土墙有以下优点： 1 、挡土高度大，适用范围广。钢筋混凝土扶壁式挡士墙能更好的利用 材料的物理力学性能，充分发挥钢筋的抗拉性能和混凝土的抗压性能，挡土 墙的高度可以做的很高，最大高度可达到2 5 m 。通过调整扶壁式挡土墙墙趾 板的悬挑长度，可以调整挡土墙的基底压力近似均匀分布，最大限度的减小 挡土墙的基底压力的最大值，从而降低对地基承载力的要求，适应各种不良 地基的情况。锚杆式挡土墙和锚定板式挡土墙需要良好的锚固条件，将挡土 墙的土压力传递到稳定的锚固土体中，一般只适合地质条件较好的挖方或填 方很少的工程。重力式挡土墙受材料性能限制，挡土高度一般不能超过l o m 。 2 、节省大量石料，环境效益好。扶壁式挡土墙通过底板上的大量填土增 加墙体自重，相对砌体挡土墙能节约大量石料，减少开山采石，保护环境。 3 、施工速度快，大大缩短建设工期。由于钢筋混凝土扶壁式挡土 墙主要工程就是钢筋混凝土浇注工作，不像加筋土挡土墙等需要挡土墙墙身 和回填同时进行交叉进行，扶壁式挡土墙施工过程不受其它条件的限制，通 过机械化施工能大大缩短工期。 4 、可靠度较高，质量容易控制。钢筋混凝土工程在我国的应用非常 广泛和成熟，质量保证指标容易控制，属于相对简单的工种，一般的施工队 伍都能保质保量的完成。加筋土挡土墙和复合挡土墙等施工工艺相对复杂， 需要经验丰富的专业队伍。 1 4 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也比较活跃，特别是山区公路和铁 路的大量修建再加上城市边坡等建设，使人们不得不关注于挡土墙结构的设 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。基础设施建设的加快，山区道路建 设和山区城市建设越来越重要。在建设中，不可避免的要支护边坡，做挡土 山东大学硕士学位论文 墙结构使其稳定。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。目前，国内正流行砌石重力式挡土墙、现浇和预制混凝 土挡土墙、加筋土挡土墙等。部分城市立交路己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。 国内目前对钢筋混凝土扶壁式挡土墙的研究和应用较少，特别高度较大 的填方区建筑边坡工程中的应用较少。在国家现行建筑边坡工程技术规范 g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 中，出于经济和实践的局限，限定钢筋混凝土扶壁式挡土墙挡 土高度不宜超过1 0 m 。在我们国家以前建设工程中，高度较大的挡土墙主要 用在公路和铁路两侧，但挡土高度一般都在1 0 m 以下。长沙有色冶金设计院 主编的国家建筑标准设计图集挡土墙0 4 j 0 0 8 ) ) 中钢筋混凝土挡土墙的高度 限定在6 m 以内。扶壁式挡土墙超过1 0 m 时的工程应用和研究较少，特别是 在软土地基中的应用。 1 5 本文的主要工作 本文探讨了挡土墙的作用原理、应用现状、研究现状及发展趋势，对于 建设中遇到的填方区高大边坡工程，选择可靠度较高、经济性较好、高度超 过规范的钢筋混凝土扶壁式挡土墙分析研究。从侧向土压力产生的机理入手， 分析工程中可能出现的各种工况，论述各种工况下的侧向土压力的计算方法， 剖析扶壁式挡土墙的工作原理，并进行优化设计分析，使扶壁式挡土墙适用 范围扩大，结构的材料强度充分发挥，达到安全适用和经济效益最佳结合点 的目的。同时，指出钢筋混凝土扶壁式挡土墙的应注意的问题。 钢筋混凝土扶壁式挡土墙的设计分析步骤大致如下： 首先，确定侧向土压力。根据扶壁式挡土墙具体情况确定所承受的荷载， 采用工程中普遍使用的朗肯和库伦土压力理论来计算侧向土压力的大小和作 用点。岩土侧向土压力的j 下确分析是挡土墙研究的基础，本文通过大量的理 论分析，总结出适合的侧向土压力计算方法。 其次，根据地基承载力的大小确定扶壁式挡土墙各个构件的计算模型和 计算荷载，由此进行整体稳定分析和构件内力分析，确定挡土墙的稳定性并 6 山东大学硕士学位论文 计算出结构内力。本文通过大量的比较计算分析，结合工程实践，总结出钢 筋混凝土扶壁式挡土墙的优化设计步骤和影响墙身截面形状和尺寸的因素。 最后，根据结构构件的内力确定扶壁式挡土墙的配筋并验算裂缝开展宽 度。这部分内容相对简单，本文未作详细介绍，实际应用中可参照普通的钢 筋混凝土构件设计的相关书籍。 7 山东大学硕士学位论文 第二章挡土墙土压力计算 挡土墙的主要荷载是侧向土压力，没有特别说明，本章所说的土压力均 指侧向土压力。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 b ) 发表了 以滑裂土体整体极限平衡为条件的著名土压力理论，其后于1 8 5 7 年朗肯 f 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 0 0 、皮克 ( b p e c k ) 、毕晓普( a b b i s h o p ) 、罗威( p w r o w e ) 等，对侧向土压力的计算 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。 2 1 土压力概述 2 1 1 土的破坏原理 土是由矿物颗粒所组成的，并由孔隙中的水和胶结物质连结在一起。土 颗粒之间的连结强度远远小于颗粒本身的强度，因此土在力的作用下，土颗 粒与土颗粒之间将会产生错动，引起一部分土体相对于另一部分土体的滑动。 土体的滑动是由于滑动面上的剪应力超过土的抗剪强度产生剪切破坏所造成 的，这就是土的破坏特征，也是土的强度特征。这也就是说土的破坏是剪切 破坏，土的强度是指土抗剪切破坏的强度。所以土的抗剪强度是指土在抵抗 剪切破坏时所能承受的极限剪应力。 在土中一点处，若某方向平面上所产生的剪应力t 等于土的抗剪强度z f ，即t = of ，则该点就处于破坏的临界状态；若该平面上的剪应力t 大于士 的抗剪强度tf ，即t f ，则该点就沿这一平面破裂，而处于破坏状态；若 该平面上的剪应力t 小于土的抗剪强度tf ，即t tf 此时该点不可能沿这 一平面产生剪切破坏，而处于稳定状态。随着作用力的增大，土中剪切破坏 的点也随之增多，这些破坏点组成一个剪切破坏区，也称为塑性变形区。当 土中剪切破坏区的范围扩大的边界面，而破坏区边界面上形成连续的滑动面 时，土体就丧失整体稳定性，即破坏区将沿滑动面产生整体滑动。 8 山东大学硕士学位论文 2 1 2 作用在挡土墙上的土压力 土压力是土力学中的一个重要课题，从1 8 世纪开始就有许多学者对此进 行了研究，提出了土压力的计算理论和计算方法，其中最著名的是1 7 7 3 年库 伦提出的土压理论和1 8 5 7 年朗肯提出的土压理论，这两个土压力理论得到了 广泛的应用，至今也是工程建设中进行土压力计算的基础。作用在挡土墙上 的土压力，其大小和分布与许多因素有关，例如： ( 1 ) 挡土墙的形式和墙体的刚度； ( 2 ) 挡土墙表面的倾斜度及其租糙程度； ( 3 ) 挡土墙的变形和位移； ( 4 ) 填土的性质( 如土的均匀性，土的物理力学性质等) ； ( 5 ) 填士表面荷载的情况； ( 6 ) 地下水的情况。 挡土墙形式不同，作用在其上的土压力的大小和分布也不相同，库伦土 压力理论和朗肯土压力理论主要适用于刚性挡土墙。柔性挡土墙由于受到墙 体本身变形的影响，土压力及其分布与刚性挡土墙有很大区别。挡土墙表面 的粗糙度和倾斜度将直接影响到作用在墙面上的土压力的大小和作用方向， 作用在光滑墙面上的土压力要比作用在粗糙墙面上的土压力小，前者土压力 的作用方向与墙面的法线一致，而后者则与墙面法线成某一角度( 等于墙面与 填土的摩擦角) 。此外，墙面的俯仰角愈大，则作用在墙面上的土压力也愈大。 契波塔廖夫对填土为砂土，填土表面水平，墙面竖直的挡土墙进行了研究， 结果表明，填土与墙面的摩擦角6 对主动土压力系数k a 的影响比较小，但 对被动土压力系数k p 的影响就比较大。填土的不均匀性不仅影响到墙面上 土压力的大小，而且也影响到土压力沿墙面的分布。砂土的土压力较秸性土 大，而填土的抗剪强度指标愈大，土压力则愈小。填土表面作用荷载时，将 在挡土墙墙面上产生一附加的土压力。附加土压力的大小及其沿墙面的分布， 与荷载的大小及其在填土表面的分布有赢接关系。荷载大，附加土压力也大， 荷载在填土表面分布不同，附加土压力在墙面上的分布也不同。地下水将改 变填土的物理力学性质，因而也影响到士压力的大小。通常地下水位以下土 的容重y 、内摩擦角巾和粘聚力jc 。将比地下水位以上的土小，因而对于同 一种土，无地下水时的士压力将比有地下水时的土压力大，但有地下水时挡 9 山东大学硕上学位论文 土墙墙面上将增加一个孔隙水压力，这种孔隙水压力，对于砂性填土，大致 等于静水压力。挡土墙的位移和变形与土压力的大小有直接关系。通常，当 挡土墙墙体产生足够的位移，而使墙背面填土处于极限平衡状态对，土压力 的分布为三角形：当墙体位移并未达到使墙背面填土处于极限平衡状态时，土 压力的分布为曲线形。 2 1 3 土压力的分类 如前所述，作用在挡土墙上的土压力与墙体的位移和变形有关，墙体静 止不动，不产生任何位移和转动，挡土墙墙背的填土处于弹性平衡状态，此 时填土对挡土墙所产生的土压力称为静止土压力p o 。若墙体向背离填土方向 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 填土方向的墙踵旋转，使墙体产生背离( 远离) 填土方向的变形时，土压力由 原来的静止土压力逐渐减小，墙后填土逐渐失去原来的弹性平衡状态，滑动 面上的剪应力等于土的抗剪强度，墙后填土达到主动极限平衡状态，此时作 用在挡土墙上的土压力称为主动土压力p 。若墙体向着填土方向平移和转动， 产生向着填土方向的位移或变形，使墙背填土逐渐压密而失去原来的弹性平 衡状态，当位移达到一定数量，滑动面上的剪应力等于土的抗剪强度，墙背 填土处于被动极限平衡状态，此时填土作用在挡土墙上的土压力，称为被动 土压力p 。因此，挡土墙上的土压力可分为三类，即静止土压力p o ，主动土 压力p 。和被动土压力p 口。在这三类土压力中，主动土压力最小，静止土压力 居中，被动土压力最大，即： p a p o p p ( 2 1 ) 土中侧向压力p x 与竖向压力p ：的比值，即k = p x 心，称为土的侧向压力系数， 也简称为土压力系数。因此，相应三种状况下的土压力系数静止土压力系数 l ( o 、主动土压力系数k a 和被动土压力系数岛满足下式： k 。 o ) ； 4 滑动破裂面为通过墙踵的平面。 图2 4 库伦主动土压力计算图式 一昏j口，-oi 山东大学硕t 学位论文 2 3 2 库伦主动土压力计算 如图2 4 所示，墙背与垂直线的夹角为p ，填土表面倾角为，墙高为 ，填土与墙背之间的摩擦角为艿，土的内摩擦角为矿，土的凝聚力c - - - 0 ，假 定滑动面b c 通过墙踵。滑裂面与水平面的夹角为“，取滑动土楔a b c 作为 隔离体进行受力分析( 图2 4 b ) 。 当滑动土楔a b c 向下滑动，处于极限平衡状态时，土楔上作用有以下 三个力： 1 土楔a b c 自重肌当滑裂面的倾角口确定后，由几何关系可计算土 楔自重； 2 破裂滑动面b c 上的反力尺，该力是由于楔体滑动时产生的土与土之 间摩擦力在b c 面上的合力，作用方向与b c 面的法线的夹角等于土的内摩 擦角。楔体下滑时，胄的位置在法线的下侧。 3 墙背a b 对土楔体的反力p ，与该力大小相等、方向相反的楔体作用 在墙背上的压力，就是主动土压力。力p 的作用方向与墙面a b 的法线的夹 角万就是土与墙之间的摩擦角，称为外摩擦角。楔体下滑时，该力的位置在 法线的下侧。 土楔体a b c 在以上三个力的作用下处于极限平衡状态，则由该三力构 成的力的矢量三角形必然闭合。已知缈的大小和方向，以及r 、p 的方向， 可给出如图2 4 c 所示的力三角形。按正弦定理： p s i n ( a 一) s i n 【1 8 0 0 一( 妒+ 口一) 】 则尸；罢掣 ( 2 1 2 ) s m g j 十“一p j 多c 中= 9 0 。一( j + d 由公式( 6 2 2 ) 可知：p 是a 的函数，不同的口对应着不同的p 值。滑 动面b c 是假设的，因此a 角是任意的。a 角改变时，尸值也随之变化。 当 口= 9 0 。+ p 时，w - - - - 0 ，则p ：0 ；而当a = 妒时，和r 重合，亦是p = 0 。 所以当。在矿和9 0 。+ f 之间变化为某一口。值时，p 必有一最大值。对应于 最大j p 值的滑动面才是所求的主动土压力的滑动面，相应的与最大p 值大小 相等、方向相反的作用于墙背上的土压力才是所求的总主动土压力r 。 根据上述概念，当取竺：o 时，p 有最大值。求得p 为最大值的。o ，从 1 6 山东大学硕士学位论文 而可导出求总主动土压力的计算公式： 耻抄= 可c o 葡s 2 ( 妒- e ) c o s 2 朗啦+ 占l + ，f 竺竿岽型 冬i =：i，日2k。(2-13) 式中：，墙后填土的容重( k n m 3 ) ； 阱一墙的高度： 瞄一库伦主动土压力系数，是矿、s 、芦、j 的函数； r 墙背倾角( 墙背与铅直线的夹角) ，以铅直线为准，顺时针为负， 称仰斜；反时针为正，称俯斜； 万墙背与填土之间的摩擦角，由试验确定。无试验资料时，一般取 万= 0 一知，也可参考表2 1 中的数值； 矿墙后填土的内摩擦角； ，填土表面的倾角。 当墙背直立( = o ) ，墙面光滑( 6 = 0 ) ，填土表面水平( p = o ) 时， 主动土压力系数为k 。= t a i l 2 ( 4 5 。一荽) ，与r a n k i n e 主动土压力系数相同。式( 2 1 3 ) 成为： 只= 三2 也= ；2t 。a n 2 ( 4 5 。一争 该式为r a n k i n e 主动土压力公式。由此可知，r a n k i n 主动土压力公式是 c o u l o m b 公式的特殊情况。 沿墙高度分布的主动土压力强度助可通过对式( 2 一1 3 ) 微分求得： p a ：孥：y z k ： ( 2 1 4 ) d z 表2 1 土对挡土墙墙背的摩擦角 挡土墙情况摩擦角 6 墙背平滑、排水不良 ( 0 0 3 3 ) 由 墙背粗糙、排水良好 ( o 3 3 一o 5 ) 由 墙背很粗糙、排水良好 ( 0 5 一o 6 7 ) 由 墙背与填土间不可能滑动( o 。6 7 一1 o ) 夺 1 7 山东大学硕：b 学位论文 由此可知，主动土压力强 度沿墙高呈三角形分布，主动 土压力沿墙高和墙背的分布 图形如图2 5 所示。主动土 压力合力作用点在离墙底的 h 3 高度处，作用方向与墙面 的法线成6 角，与水平面成 6 + e 角。 卜墨目 ( a )( b ) 图2 - - 5 主动士压力强度分布图 2 3 3 库伦被动土压力计算 当挡土墙在外力作用下被推向填 土，沿着滑裂面b c 形成的滑动楔体 a b c 向上滑动，处于极限平衡状态时， 同样在楔体a b c 上作用有三个力w 、p 和r ( 图2 6 ) 。楔体a b c 的重量w 的 大小和方向为已知，p 和r 的大小未知， 由于土楔体上滑，p 和r 的方向都在法 线的上侧。与求主动土压力的原理相似， o = 委z 埘 图2 6 库伦被动土压力强度分布 用数解法可求得总被动土压力。 c o s 2 似+ ) c o s ze c o s 2 ( e - 8 ) 1 愿焉磊 2 = ；2 k ， ( 2 1 5 ) 式中髟称为库伦被动土压力系数，局为咖、e 、6 、b 的函数；其余 符号的意义与公式( 2 - - 1 3 ) 相同。 被动土压力强度脚沿竖直高度h 的分布，可以通过对b 微分求得，即 p p i 誓叩kp (2-16) 被动土压力强度沿墙高也呈三角形线性分布( 图2 6 b ) 。总被动土压力 的作用点在底面以上3 处，其方向与墙面法线成6 角，与水平面成一6 角。 上述库伦土压力计算公式只适用于c = 0 且填土表面为平面的情况。对于 ti万i上 山东丈学硕士学位论文 墙后填土为曲线斜面或不规则形状表面的情况，或填土表面有局部荷载作用 及填土为粘性土的情况，则前述的库伦公式不能适用，这种情况下可用图解 法求土压力。库尔曼( c c u l m a n n ) 图解法是以库伦理论为基础，用楔体试 算法求土压力的一种方法。因其概念明确、使用简单，在工程中得到广泛应 用。 ( 一) 基本原理 如图2 7 a 所示，假定滑动楔体a b c i 上作用的反力p ，、冠仍符合库伦 规则，根据力的平衡条件，绘出矢量三角形( 图2 7 b ) ，并将矢量三角形顺 时针旋转9 0 。一由，使怒的作用方向与滑面重合。旋转后的重力职作用方 向与水平线的夹角为由角。根据彤的大小和只的方向，则可由矢量三角形 而求得只的大小。假定多个不同的破裂滑动面，求出各土楔对应的土压力 只值。对应于楔体下滑，求出的各b 值中的最大值p 仃。，即主动土压力匕， 在楔体向上滑动条件下，求出的各p i 值中的最小值尸蔬，即被动土压力r 。 ( a )( b ) 图2 7 库尔曼图解原理 a w 顺时针转( 9 0 。一由) 的方向；b p 顺时针转( 9 0 。一由) 的方向 ( 二) 基本方法 1 如图2 8 所示的挡土墙和土坡，过b 点作b l 线，使b l 与水平面 成由角，b l 线为重力顺时针旋转9 0 。一由后的方向； 2 以b l 为基线顺时针方向旋转世- - - - - 9 0 。一8 一e ，作b f 线，b f 即旋 转变化后的土压力p 的方向； 1 9 一 垄碍彬垂驻 山东大学硕士学位论文 3 任意假定一个破裂面 a c l ，计算滑动土楔的重量， 按一定比例在b l 线上标定b d l = w i ： 4 过d l 点作b f 的平行线 e l d l ，按与b d i - - - - w t 同样的比例 可以确定er d l = p i 的大小； 5 重复和的步骤可以确 定。e 2 d 2 - - - - p 2 ，e 3 d 3 - - - - p 3 ，； 图2 8 库尔曼图解法 6 连接e l 、e 2 、e 3 ，可得一曲线，称为库尔曼土压力轨迹线，它 表示在各不同假想滑裂面的情况下，墙背a b 上受到的土压力大小的变化情 况； 7 在土压力轨迹线上作一条平行于b l 的切线，切点为e ，过切点e 作 b f 的平行线e d ，按同一比例尺确定p 4 - - e d 。 8 连接b e ，并延长至坡面c ，则b c 就是实际破裂面； 9 求a b c 土楔的形心点m ，过m 点作与b c 平行的直线交墙背于n 点， 则n 点可近似作为总主动土压力巴的作用点。 2 4 静止土压力计算 如果挡土墙不向任何方向发生位移或转动，此时作用在墙背上的土压力 称为静止土压力，用p 0 表示。如建筑物地下室的外墙面，由于楼面的支撑作 用，外墙几乎不会发生位移，则作用在外墙面上的填土侧压力可按静止土压 力计算。静止土压力强度珈，如同半空间直线变形体在土的自重作用下，无 侧向变形时的水平侧应力盯。图2 9 ( a ) 表示半无限土体中深度z 处土单 元的应力状态。已知其水平面和垂直面都是主应力面，作用于该土单元上的 竖直向应力就是自重应力，则竖直向和水平向应力可按计算自重应力的方法 来确定。设想用一挡土墙代替单元体左侧的土体，若墙背垂直光滑，则墙后 土体中的应力状态并没有变化，仍处于侧限应力状态( 图2 9 b ) 。竖直向应 力仍然是土的自重应力，而水平向应力a 。由原来表示土体内部应力变成土对 墙的应力，按定义即为静止土压力强度珊， 山东大学硕士学位论文 p o = = k o y z ( 2 1 7 ) 式中称为静止土压力系数，静止土压力强度伽的单位为k p a 。 可掘吾隧 l i l ”l 托) 图2 - - 9 静止土压力计算 静止土压力沿墙高呈三角形分布，作用于墙背面单位长度上的总静止士 压力p 0 为 e o = r p 。d z = 扣珂2 式中h 为墙高( m ) 。p o 的作用点位于墙 ， 底面往上三何处，见图2 - - 9 ( c ) ，其单 位为k n m 。2 若将处在静止土压力状态下的士单。 元的应力状态用摩尔圆表示在r 一( 1 r 坐 标上，则如图2 9 ( d ) 所示。可以看 出，这种应力状态离破坏包线还很远， 属于弹性平衡应力状态。 ( 2 一1 8 ) i 蕊 冬y 态y 莎 k o 与土的性质、密实程度、应力历 图2 1 0 岛与超固结比o c r 的关系 史等因素有关，一般取：砂土硒- - - 0 3 5 - - 0 5 0 ，粘性土g o = o 5 0 , 4 ) 7 0 ，毕肖 普( b i s h o p ，1 9 5 8 ) 通过试验指出，对于正常固结粘土和无粘性土，娲可近 似地用下列经验公式表示。 k o = 1 一s i n ( 2 1 9 ) 式中矿为土的有效内摩擦角。显然，对这类土，岛值均小于1 0 。 对于超固结土 j ( 0 c ) = k o ( c 1 一( o c g ) ” ( 2 2 0 ) 式中：肠f 0 驴的情况； 山东大学硕士学位论文 3 地面倾斜，墙背倾角 ( 4 5 。一刍的坦墙； z 4 l 型钢筋混凝土挡土墙； 5 墙后填土为粘性土或无粘性土。 ( 二) 库伦理论的适用条件 下述情况宜采用库伦理论计算土压力： 1 需考虑墙背摩擦角时，一般采用库伦理论； 2 当墙背形状复杂，墙后填土与荷载条件复杂时； 3 墙背倾角f 4 5 。一要时( 图 z 3 - 2 ) ，使墙后土体可出现对称的主动滑动线网的情况。滑动土楔不再沿墙背 滑动，墙后土体中将出现两个滑动面，这时可根据库伦土压力理论计算两个 山东人学硕士学位论文 滑动面之间的滑动楔体的侧向土压力。具体计算原理和步骤见第二章。国内 外的科学试验证明，这样得至的理论值和工程实际符合的较好，能相对真实 的反映作用在挡土墙上的土压力。 3 1 2 按假想墙背法计算侧向土压力 当墙踵下边缘与立板上边缘连线的倾角占 4 5 0 一要时( 图3 - 2 ) ，不能形 z 成第二滑动面。这时，先用墙踵下边缘与立板上边缘连线作为假想墙背1 ， 根据库伦土压力理论计算侧向土压力，然后用通过墙踵下边缘的竖向面作为 假想墙背2 ，根据朗肯土压力理论计算侧向土压力，如图3 3 a 。具体计算方 法见 ( a ) 扶壁式挡士墙横断面( b ) 扶壁式挡七墙立板倾角 图3 - 3 3 1 3 侧向土压力确定 在工程应用中，应根据挡土墙的具体形式和墙后填土的性质确定作用在 挡土墙上的侧向土压力，难以判定实际工程符合哪种情况时，应对可能出现 的各种情况分别进行分析计算，取其中最不不利的侧向土压力作为设计值。 3 2 墙身构造及截面尺寸的拟定 3 2 1 墙身构造设计 国家现行建筑边坡工程技术规范g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 第1 1 1 1 条指出扶壁 式挡土墙高度不宜超过l o m 。根据实际工程的经验，扶壁式挡土墙墙高可以 达到2 0 m ，建议不超过2 5 m 为宜，扶壁式挡土墙过大时投资会快速增加，工 程应用中应避免采用。扶壁式挡土墙最小高度一般应超过6 m ，高度较小时宜 山东丈学硕士学位论文 采用悬臂式挡土墙，没有必要增加扶壁，增加施工的难度。扶壁式挡土墙分 段长度不应大于2 0 m ，分段之间设伸缩缝。扶肋问距应根据经济性要求确定， 一般为1 3 1 2 墙高，墙高较大时可取1 4 墙高，每段中宜设置三个或三个 以上的扶肋，扶肋厚度一般为扶肋间距的1 8 1 6 ，但不应小于0 3 m 。可以 采用随高度逐渐向下加厚的变截面，也可以采用相同厚度以方便施工。墙面 板厚度和墙踵板厚度与扶肋间距成正比并应根据计算确定，墙面板顶端和底 板( 墙趾板和墙踵板统称底板) 不得小于o 2 m ，墙面板可以采用随高度逐