（水利工程专业论文）软基水工仰斜式挡土墙结构优化设计研究.pdf

华中科技大学硕士学位论文 摘要 挡土墙是工程界普遍采用的结构型式，虽然近年来出现了挡土墙的新型式和新 做法，但石砌重力式挡土墙云仍然是工程中挡土墙的主要型式，因此对砌石重力式 挡土墙进行优化设计研究具有十分重要的意义。 水工挡土墙因其特殊的用途和特点，施工设计中有不同于其它行业挡土墙的特 殊要求。 软基仰斜式挡土墙在水利河道护岸工程中经常遇到，仰斜式挡土墙基底偏心应 力较大和软基土地基容许承载力偏小的矛盾以及挡土墙抗滑稳定不足是工程中难以 解决的难题。本文在对仰斜式挡土墙设计中有关计算参数的选择、土压力的分类与 计算公式的选用以及特殊条件下土压力的计算等应该注意的问题进行了研究，对水 工仰斜式挡土墙的设计条件、构造布置进行了论述，对河道护岸软基础上的仰斜式 挡土墙采用凸榫基础处理的方法，就其计算理论、设计验算中各荷载的具体处理方 法和稳定分析的具体内容进行了较为细致的研究，提出了解决软基础上的水工仰斜 式挡土墙难以解决的难题抗滑稳定不足的方法，并对有水情况下粘土等效内摩擦角 v d 、墙后主动土压力e 。、凸榫被动土压力e p 等在计算中取值提出了定性和定量的 分析。最后提出了结构优化以及解决最优化问题的有效方法之一的复形法的概念， 并利用复形法对软基础上的水工仰斜式挡土墙进行了结构优化设计，得出了符合实 际的效果，与其它重力式挡土墙型式进行比较，取得了明显的经济效益。 关键词：软基、仰斜式挡土墙、结构、优化设计、研究 华中科技大学硕士学位论文 a b s t r a c t r e t a i n i n g w a l l i sac o n s t r a c t i o nf r o mo f t h ew i d e s p r e a da d o p t i o ni ne n g i n e e r i n gf i e l d ， a l t h o u g ha p p e a r e dt h en e wf o r mo ft h ew a l li nr e c e n ty e a r st h en e ww a yo fd o i n g ，t h e g r a v i t yw a l lg u i l tw i t hs t o n ei ss t i l lt h em a i nf o r m ，a n dt h e r e f o r et h es t u d yo no p t i m i z a t i o n d e s i g no ft h eg r a v i t yw a l lb u i l tw i t hs t o n eh a sv e r yi m p o r t a n tm e a n i n g b e c a u s eo ft h es p e c i a lu s ea n df e a t u r e ，t h er e t a i n i n gw a l li sr e q u i r e de s p e c i a l l yi n w a t e rc o n s e r v a n c yd i f f e r e n t l yf r o mt h eo t h e ri n d u s t r yo nc o n s t r u c t i o nd e s i g n t h e m t a i n i n gw a l lr e c l i n i n go nt h es l i g h tb u i l to ns o f tf o u n d a t i o ni su s u a l l yu s e di n p r o t e c t i n gt h es t o n eo fr i v e r ，t h ec o n t r a d i c t i o nb e t w e e nt h el a c ko fi m p a r t i a l i t yi ns t r e s so f t h eb a s ea n dt h es m a l ls t r e s sa l l o w e db yt h ef o u n d a t i o na sw e l la st h el a c ko fs t a b i l i z a t i o n o ft h eb r e a s tw a l li sah a r dn u tt oc r a c ki nt h ee n g i n e e r i n g i nt h ep a p e r ，at e n o n b a s ei s a d d e du n d e rt h eb a s eo ft h er e t a i n i n gw a l l ，o nt h es t u d yo ft h e o r yu s e di nc a l c u l a t i o n ， m e t h o du s e dt od e a lw i t ht h el o a d ，e t c ，t h ew r i t e rg i v e saw a yt oc r a c kt h en u tm e n t i o n e d a b o v ep a r a g r a p h sa n dp r e s e n t saq u a l i t a t i v ea n a l y s i sa b o u tt h e m ，s u c ha st h ee q u i v a l e n t i n n e rf r i c t i o n a n g l e ( 1 l rd ) a n dt h ep a s s i v ep r e s so ft h ec l a y ( e p ) ，e t c i nt h ee n do ft h e p a p e r ，u s i n gm o d e mo p t i m i z a t i o nm e t h o d ，ad e s i g no ft h er e t a i n i n gw a l lr e c l i n i n go nt h e s l i g h ts l o p eb u i l to ns o f tf o u n d a t i o ni sd o n e ，t h er e s u l ti se c o n o m i c a l ，a n da c c o r d sw i t h t h ef a c t k e yw o r d s ：s o f tf o u n d a t i o n ，r e t a i n i n gw a l lr e c l i n i n go nt h es l i g h ts l o p e ，s t r u c t u r e ， o p t i m i z a t i o nd e s i g n ，s t u d y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我个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，除文中已经标明引用的内容外，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，均已在文中以明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。 学位论文作者签名： 隗枷年碥日 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，即：学校有 权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。本人授权华中科技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。 保密口，在年解密后适用本授权书。 本论文属于 不保密既 ( 请在以上方框内打“4 ”) 学位论文作者签名：叼彩 臣觌毋喝年ff 民 ；臣 上彤1 ，日弛鹏 名年臌彤 教p 导期指日 华中科技大学硕士学位论文 1 综述 挡土墙是用来支撑填土或坡地土体，防止填土或土体变形失稳的一种构造物， 其常作为挡墙、护墙( 护岸、护坡) 、建筑物的边墙、翼墙和连接墙，桥梁的桥台， 房屋地下室四周的边墙，抽水站和水电站前池的边墙等等，广泛应用于土木、建筑、 铁路、交通和水利、水电工程中，是工程建设中用途十分广泛的结构形式，在工程 建设中起着非常重要的作用。随着经济建设和科学技术的发展，挡土墙的新型式、 新做法不断出现，应用范围日益广泛，高度也从过去的几米发展到二十几米，例如 太焦铁路上修建的高2 4 米的锚定板式挡土墙，上部1 2 米为多层锚定板挡土墙，下 部1 2 米为锚杆板桩墙，该墙于1 9 7 4 年建成使用至今，使用情况良好；又如黄坛口 水电站曾采用2 4 米高的重力式挡土墙防止山体滑坡，均为挡土墙的设计和建设工作 提供了宝贵的经验。 近年来，随着我国国民经济的快速发展，国家基础设施建设规模的扩大，挡土 墙在各建设领域发挥了非常重要的作用，特别是在公路和水利建设方面，更是得到 了大规模的应用，公路方面，随着国内四通八达的高速公路网的建设，挡土墙常常 被用以稳定路基和路堑边坡，减少土石方和占地面积，防止水流冲刷路基，并经常 用于整治塌方、滑坡等路基病害，在山区公路中，挡土墙的应用更是极其广泛。路 基在遇到以下情况时可考虑修建挡土墙解决： ( 1 ) 陡坡地段； ( 2 ) 岩石风化的路堑边坡地段； ( 3 ) 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段； ( 4 ) 可能产生塌方、滑坡的不良地质地段； ( 5 ) 高填方地段； ( 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、减少拆迁和占农f 日的地段； 华中科技大学硕士学位论文 ( 8 ) 为保护重要建筑物、生态环境或其它特殊需要的地段； 以上情况均可用建设不同型式的挡土墙的方法加以维护，以达到不同的目的。 挡土墙在水利工程中的应用就更为广泛，同时水工中的挡土墙又同公路、建筑 工程中的挡土墙有着许多不同的特点和用途1 2 1 ，最为显著的不同点就是水工中的挡土 墙在满足挡土墙功能的同时，还有满足不同运用情况对水流条件的要求，挡土墙本 身在工作中所受到的荷载也与其它行业的挡土墙有很大区别，集中体现在水工挡土 墙在工作中要受到水压力和浮力的作用，同时墙后土压力在有水的情况下与其它行 业无水挡士墙有所区别。因此，水工中的挡土墙在设计和施工中都有不同于其它挡 土墙的要求，本文在充分考虑以上因素的情况下，重点对粘土地基上的重力式挡土 墙进行分析，结合实际工程对挡土墙墙身进行结构优化。 1 1 挡土墙在水工建筑物中的应用 挡土墙在水库枢纽、引水枢纽、水电站及各种水利建筑物工程中有着极为广泛 的应用，在几乎所有的水工建筑物设计中都会遇到挡土墙的设计内容。水工挡土墙 多在有水条件下应用，应用广泛和应用条件复杂是水工挡土墙的两个显著特点。 1 1 1 各种挡土墙在水工建筑物中的应用 ( 1 ) 水闸工程中的挡土墙 水闸在水工建筑物中数量较多，水闸的进、出口翼墙、岸墙( 图1 1 ) 都是由 不同型式的挡土墙构成。在中小型的水闸工程中，挡土墙的工程量可占整个水闸总 工程量的1 4 1 3 。 2 华中科技大学硕士学位论文 图i - - i 进水闸中的挡土墙 ( 2 ) 在水库枢纽工程中，土石坝与混凝土坝及溢流坝或溢洪道的连接结构图1 - - 2 ( a ) 1 都是由各种型式的挡土墙构成的。 ( 3 ) 水电站及各种船闸中的翼墙及岸墙【图1 2 ( b ) 】也都是由各种型式的挡 土墙构成的。 ( 4 ) 在内河及海上的各种码头工程中挡土墙是主要建筑物( 图1 3 ) 。 ( 5 ) 渠系建筑物中的桥、涵洞、倒虹吸、渡槽等进出口连接结构都是由各种型 式的挡土墙构成的( 图1 4 ) 。 ( 6 ) 水库库岸、河道、渠道边坡滑坡和崩塌的防治工程( 图1 5 ) 有时也采用 各种型式的挡土墙结构。 3 华中科技大学硕士学位论文 图 图l 一3 港口码头扳桩式挡土墙 - j 轿中的按j 靖 t b ) 藕锕进出口籀| ：墙 土墙 ( c ) 曩糟t 筑街中捎l ：墙 幽l t 榘系建筑物中的挡土壤 4 华中科技大学硕士学位论文 图l 5 渠边岸边挡土墙 1 1 - 2 水工挡土墙的运用和构造特点 水工挡土墙不但具有一般挡土墙的挡土作用，而且还具有与边坡连接、挡水、 导水和侧向防渗等多种功能。在运用和构造上主要有以下特点： ( 1 ) 在多种水位条件下工作 水工挡土墙在建成及运用期的墙前、墙后特征水位条件下工作时，作用于墙身 的静水压力、土压力、作用于基底扬压力、地基应力等都不相同，这就要求在设计、 校核、建设与建成后正常运用等各种情况下都能够满足整体稳定和各部结构的强度 要求。 ( 2 ) 导水挡水要求及平面布置 水工建筑物中的翼墙名称挡土墙，其实多半兼有挡水和导水作用，对进出口水 流条件都有一定要求。因此水工挡土墙的平面布置除考虑与两岸连接的挡土要求外， 还需要考虑水流条件。 ( 3 ) 浸水挡土墙及水对挡土墙的作用 水工挡土墙多在有水条件下运用，挡土墙浸水后，将受以下影响： a 、填土土料浸水后，因受水的浮力作用，土的重度降低，主动土压力将减少。 b 、砂性土的内摩擦角受水的影响不大，一般可认为浸水后不变，但粘性土浸水 后其粘性指标( 中和c ) 值将会降低，从而增加主动土压力。 c 、浸水挡士墙墙背和墙面受到静水压力作用，挡土墙前后水位一致时两者相互 平衡，而不一致有水位差时，则墙身受静水压力差的作用，浸水挡土墙基底将受扬 压力作用。 5 华中科技大学硕士学位论文 d 、墙外水位骤降，或者雨后雨水下渗，在墙后填料内出现渗流时，填料还将受 到渗流动水压力作用。 ( 4 ) 侧向防渗要求及回填土料 水闸等水工建筑物在上下游水头差作用下，水将沿建筑物基础底部和侧向向下 游渗透。为满足底板和侧向抗渗稳定要求，要求底部和侧向有足够的防渗长度。在 满足防渗长度以外的挡土墙可设置排水孔，其后设反滤，用以增加出口的抗渗强度 和降低墙后水位，进而起到减少静水压力的作用。 ( 5 ) 构造特点 水工挡土墙在构造上有以下特点： a 、墙身l 临水面多采用直立面、墙背多采用俯斜( 重力式挡土墙) 或近于直立( 悬 臂式挡土墙) ，墙前采用直立面是为了便于和闸室等主体建筑物的岸墙连接，便于止 水和获得好的水流条件。 b 、防渗止水。对有侧向防渗要求的挡土墙，各段挡土墙分缝之间应设置可靠的 垂直止水设备，如塑料和紫铜片止水，并应与墙前防渗底板之间的水平止水构成封 闭系统。 c 、墙前底板支撑结构。水工挡土墙为满足过流、防冲和防渗要求，墙前多设有 混凝土、钢筋混凝土刚性底板。这些墙前支撑结构有利于挡土墙的抗滑稳定。 d 、冻胀力及冰压力作用 寒冷地区的挡土墙，墙后回填冻胀性土，当填土含水量大于起始冻胀含水量， 且有地下水补给条件时，墙后将产生大于主动土压力几倍的水平冻胀力，在水平冻 胀力的作用下，常使挡土墙产生稳定和强度破坏。 e 、墙顶高程和基础埋深 水工挡土墙的墙顶高程应考虑两岸连接、墙前水位、风浪爬高、安全超高等条 件加以确定。基础埋置深度要考虑基础岩性、冻土层深度等条件加以确定。墙前无 可靠的防冲设施时，还应根据流速大小考虑冲刷深度。 6 华中科技大学硕士学位论文 1 2 挡土墙的结构型式 水工挡土墙有多种结构型式，其主要和常用的结构型式有重力式、衡重式、半 重力式、悬臂式、扶臂式、u 形槽结构、空箱式、板桩式等。 1 2 1 重力式挡土墙 重力式挡土墙用墙体本身重量平衡外力以满足稳定要求，多采用混凝土或浆砌 石建造。重力式挡土墙由于体积和重量较大，在土基上往往由于受地基承载力的限 制，不能太高，在岩基上虽然承载力不是控制条件，但高的重力式挡土墙由于断面 大，材料耗费多，也不经济，一般高度在6 米以下较为经济。由于重力式挡土墙多 就地取材，构造简单，施工方便，经济效果较好，故在小型建筑物，特别是在渠系 水工建筑物中应用较为广泛。 重力式挡土墙按其墙背的型式，主要分为俯斜式【图1 6 ( a ) 】、仰斜式【图1 - - 6 ( b ) 】和直立式【图1 6 ( c ) 】三种，俯斜式挡土墙墙后填土易压实，利于防渗， 且便于施工，仰斜式挡土墙可降低土压力，但墙后填土不易压实，不便施工。当墙 后允许开挖边坡较陡，或为获得好的水流条件，有时采用有俯斜到仰斜过渡的扭曲 翼墙。仰斜式挡土墙有时在渠道滑坡和崩塌防治工程中采用。 1 2 2 衡重式挡土墙 衡重式挡土墙( 图l 一7 ) 由上墙、衡重台和下墙三部分组成。多采用混凝土或 浆砌石建造。其稳定性主要是靠挡土墙自身重量和衡重台上的填土重量来满足。墙 背开挖，允许边坡较陡时，如坚硬粘土，其衡重台以下可直接在开挖边坡内浇筑混 凝土，以节省摸板费用。由于衡重台以下墙背为仰斜，其土压力值也大为减少。墙 背靠岩石修建的挡土墙，也常采用衡重式，衡重台以下由于墙背与岩石接触，此部 分不受土压力作用，其断面一般比重力式小。因此其应用高度较重力式大，特别是 修建在岩基上的衡重式挡士墙，由于容许承载力较高，有时挡土墙的高度可大于2 0 米。 1 2 3 半重力式挡土墙 7 华中科技大学硕士学位论文 半重力式挡土墙常采用混凝土建造( 图1 8 ) ，与重力式挡土墙比较有以下两个 特点：其一是立墙断面减少，前后底脚放大，其二是墙身和底脚混凝土强度满足要 求处不配筋或配置少量构造筋，在强度不满足要求处配少量受力钢筋。半重力式挡 土墙可分整体型半重力式【图1 8 ( a ) 】和轻型半重力式【图l 8 ( b ) 1 两种。半重力 式挡土墙断面一般比重力式挡土墙断面小4 0 5 0 ，因而可充分利用混凝土的抗 拉、抗压强度，与重力式挡土墙相比，同样高度的挡土墙其地基应力小，且分布较 均匀。因此在同样地基条件下其建筑高度可大于重力式挡土墙。 前置馨叠 麓锺 图l 一7 衡重式挡土墙 1 2 a 悬臂式挡土墙 台 图l 6 重力式挡土墙 粕t越吐 ( 旬 图1 8 前趾 挚础 c h ) 半重力式挡土墙 艉嚏 悬臂式挡土墙由断面较小的立墙和底板( 前趾板和踵板) 组成，属轻型钢筋混 凝土结构( 图1 9 ) 。其稳定性主要靠底板以上填土重来保证，可以在较高范围内应 用。这种挡土墙在建筑物中应用广泛，以8 米以下高度范围内应用较多。 1 2 5 扶臂式挡土墙 8 华中科技大学硕士学位论文 扶臂式挡土墙由墙面板、底板( 前趾板和踵板) 和扶臂三部分组成( 图1 1 0 ) ， 属轻型钢筋混凝土结构。其稳定性也主要靠底板以上填土重来保证。高度大于1 0 米 的高挡土墙多采用这种型式。这种挡土墙在大型水利水电工程中有较广泛的应用。 1 2 6 u 形槽结构 在小型涵闸等水工建筑物进出口及闸室部位，常采用u 形槽结构，u 形槽结构 分立墙和底板两部分( 图1 1 1 ) 。在岩基上u 形槽跨度一般在加米以内，在土基 上可达3 0 米。在上述跨度内一般底板与边墙采用整体式结构较经济，而且整体性强， 受力条件好。 图l _ 9 悬臂式挡土墙 _ t 政m 茼趾扳 图l l o 扶臂式挡土墙 圈l 1 lu 型槽结构 1 2 7 空箱式挡土墙 空箱式挡土墙由前墙、后墙、隔板、底板和顶板5 部分构成( 图1 1 2 ) ，也属 钢筋混凝土轻型结构。箱内不填土，但可以进水。这种挡土墙主要靠自重维持其稳 定。其特点是作用于地基的单位压力小，且分布均匀。适于在墙的高度很大但地基 承载力较低的情况下采用。空箱式挡土墙结构复杂，材料用量较大，造价上不经济。 由于墙后填土部位地基承受压力远大于空箱底部地基压力，常使地基产生不均匀沉 陷，致使空箱挡土墙向填土方向倾斜。当水闸岸墙高度较大时，为使岸墙不受土压 力作用，有时在岸墙外侧设置空箱式挡土墙起挡土作用。 1 2 8 板桩式挡土墙 板桩式挡土墙分为无锚板桩和锚定板桩两种( 图1 - 1 3 ) 。无锚板桩由埋入土中和 悬臂两部分组成；锚定式板桩由板桩、锚杆和锚定板组成。板桩一般采用木板、钢 板或钢筋混凝土板，在码头工程中采用较多。在大型水利工程施工围堰中也有采用。 1 2 9 其它型式挡土墙 9 华中科技大学硕士学位论文 在水利工程中还有连拱式( 图1 1 4 ) 、加筋土、空心重力式等挡土墙、拱形挡 土墙等。 由此可见，水工挡土墙不但结构形式多变，而且在受力和周边相邻建筑物相连 接相对于其它行业单纯的直线型挡土墙都有许多不同，因此在设计和施工中也有不 同要求。水工挡土墙虽然型式多，但应用较多的还是比较常规的重力式挡土墙，墙 高一般较小，介于6 米以下，采用重力式挡土墙又可就地取材，便于施工。特别是 工程规模较大的河岸护坡挡土墙，由于河道护岸工程少则几公里，多则十几公里， 甚至几十公里，工程规模较大，砌石挡土墙则显示出它的优势。随着我国社会的不 断进步和经济的快速发展，对大中小河道的综合整治工程将陆续实施，因此，对护 坡挡土墙进行优化设计研究具有重要意义。在本人工作的湖北省广大地区，大规模 治河，防洪兴利，通过国家、省、市、县多级筹资治理河道工程，而在河道治理工 程中由于历史上河道的变迁延续，在河岸维护工程建设中软土地基是时常遇到的， 以往遇到此类情况时，多是采用对地基进行换土或用砂、石、水泥等建筑材料进行 加固，或用加大挡土墙基础、墙身断面的方法进行解决，使工程很不经济，因此， 本文采用凸榫基础的方法，对用于河道护岸工程的仰斜式挡土墙进行结构优化设计， 以节约工程成本，降低工程投资。 碗扳编柙 图l 一1 2 空箱式挡土墒 ) 赫舒式 图1 1 3 h ) 赫宅式 板桩式挡土墙 图l 1 4 连拱式挡土墙 i 撬 1 0 华中科技大学硕士学位论文 1 , 3 水工挡土墙设计的基本资料和设计内容 1 3 1 建筑物总体设计资料 挡土墙是整个枢纽或单体建筑物的组成部分，为满足枢纽或单体建筑物与两岸 连接、挡土、水流、防渗排水等各项要求，需提供与整体设计有关的下述资料： ( 1 ) 建筑物的工程等级及设计标准； ( 2 ) 建筑物整体布置图，并根据整体布置要求提出对挡土墙平面和立面的布置 及基本尺寸要求； ( 3 ) 设计、校核、建成、正常运用及施工期墙前、墙后各种水位条件； ( 4 ) 根据总图防渗排水要求提出对挡土墙需满足的侧向防渗排水的要求。 1 3 2 地形资科 为进行挡土墙的平面布置和立面设计，需提供1 ：5 0 0 1 ：1 0 0 0 大比例尺地形 图和纵横剖面图。 1 3 3 地质和水文地质资料 ( 1 ) 挡土墙建设处的岩土层结构及其工程力学性质，如承载力、基底摩擦系数 和强度指标等；对于大中型及重要工程应通过野外或室内试验确定，小型工程可参 照已建工程或按经验选取。 ( 2 ) 提供设计工况下的地下水位资料。 1 3 4 回填土的物理力学指标 土压力是作用在挡土墙上的主要荷载，回填土的主要物理力学指标如摩擦角、 粘聚力、容重等是决定土压力大小的关键指标，对于大中型及重要工程应通过野外 或室内试验确定，小型工程可参照已建工程或按经验选取。 1 3 5 其它相关资料 ( 1 ) 在冻土区要提供冻结深度，地基土及回填土的冻胀性指标，如冻胀量、冻 胀力等； 1 1 华中科技大学硕士学位论文 ( 2 ) 墙前无护砌、有冲刷水流作用时，应提供地基土的抗冲性能，据以计算冲 刷深度，以确定墙基的埋置深度； ( 3 ) 建筑挡土墙材料的容重和强度指标； ( 4 ) 墙背摩擦角。 1 3 6 挡土墙设计的基本要求 为做出合理的挡土墙设计，要满足以下两项基本要求： ( 1 ) 选择合理的结构型式。挡土墙的结构布置型式应根据建筑物总体布置要求、 墙的高度、地基条件、当地材料及施工条件等通过技术经济比较确定。 ( 2 ) 合理的设计断面。 为做出合理的设计断面，在挡土墙设计中，应考虑以下条件： a 、填土及地基强度指标的合理选取。 b 、根据挡土墙的结构型式、填土性质、施工开挖边坡等条件选择合理的土压力 计算公式。 c 、根据正常运用、设计、校核、施工和建成等情况进行荷载计算和组合，并在 稳定和强度验算中根据有关规范要求，确定合理的稳定和强度安全系数。 1 3 7 挡土墙设计的基本内容 1 3 7 1 挡土墙的稳定验算内容： ( 1 ) 抗滑稳定验算。 ( 2 ) 抗倾稳定验算。 ( 3 ) 地基应力验算和应力大小比或偏心矩控制。 1 3 7 - 2 挡土墙的结构设计： 对于混凝土、浆砌石挡土墙应进行截面压应力、拉应力和剪应力强度验算，对 钢筋混凝土挡土墙各结构部分进行强度验算和配筋计算。 1 3 7 3 挡土墙的细部构造设计： 挡土墙的细部构造设计主要包括合理分缝、止水和排水等。 华中科技大学硕士学位论文 1 4 优化方法的选用及主要工作 结构的优化设计是相对于传统的结构设计而言的，传统的结构设计是设计者根 据设计要求，按本人的实践经验，参考有关的类似工程进行设计，确定结构方案， 然后进行强度、稳定、刚度等各方面的计算，从而得到一个相对比较可行的设计结 果的工作。实际上这种设计往往只是起一种校核及补充细节的作用，仅仅是证实了 方案的可行性，而对设计方案的优劣则无从谈起。计算机等现代化手段，在全部可 行的设计方案中计算出若干个设计方案，按设计者预定的要求，从中选出一个最优 的方案的设计方法。因此，优化设计所得的结果不仅是“可行的”，而且是最优的， 当然，这里所说的最优，是相对设计者预定的要求而言的。 最优化理论是- - 1 9 应用性很强得年轻学科，它研究某些数学问题的最优解，即 对于给出的实际问题，从众多的方案中选出最优方案。最优化问题的早期形式是十 分古老的极值问题，本世纪4 0 年代末1 9 4 7 年d a n t z i g 提出求解一般线性规划问题的 形法以后发展成为一门独立的新兴学科。现在，解线性规划、非线性规划以及随机 规划、非光滑规划、多目标规划、几何规划、整数规划等各种最优化问题的理论研 究【3 】【4 】发展迅速，新方法不断出现，实际应用日益广泛。在电子计算机的推动下，最 优化理论与方法在经济计划、工程设计、生产管理、交通运输等方面得到了广泛应 用，成为一门十分活跃的新型学科。 对于工程的实际问题，如本文软土地基上的仰斜式挡土墙的结构优化设计问题， 一般属非线性规划问题，即目标函数或约束函数为设计变量的非线性函数，因此非 线性规划是结构优化设计中较常用的方法，它的求解方法很多，一般可大致分为两 类： ( 1 ) 直接法：如网格法、复形法、随机试验法等。 ( 2 ) 解析法：如可行方向法、梯度侧移法、梯度投影法等。 其中，直接法中的复形法1 5 1 是解决有约束条件非线性规划问题的有效方法之一， 其特点是： ( a ) 约束处理较为灵活，特别对于非凸可行域也可以处理； ( b ) 适应性较强，并且一般求出的是总体极值，可信度较高； ( c ) 对函数没有什么要求； 华中科技大学硕士学位论文 ( d ) 程序简单，易于编程和处理。 因此，本文采用复形法建立多目标优化设计的数学模型，对软土地基上的重力 仰斜式挡土墙进行结构优化设计，并编制了优化设计的计算机程序，以提高挡土墙 的设计质量。 1 4 华中科技大学硕士学位论文 2常用设计参数的选择及土压力的计算 在挡土墙的设计中，当进行土压力计算和挡土墙稳定分析时，必须用到地基、 填土和用来修建挡土墙材料的一些物理力学指标，这些材料物理力学指标的正确选 用，对精确计算挡土墙的受力和保证挡土墙稳定，使挡土墙的设计经济合理起着关 键性作用。因此，如何合理选用这些材料的物理力学参数和针对具体情况选择合适 的土压力计算公式，是设计中必须慎重处理的问题，本章将对以上各参数如何选择 和软土地基上重力仰斜式挡土墙的土压力计算公式进行探讨。 2 1 常用设计参数的选择 2 1 1 墙背填土的物理力学指标1 1 1 对于水工挡土墙中墙高大于6 0 米的挡土墙原则上要根据试验确定土的土性参 数，但对于墙高小于6 0 米的挡土墙当缺乏试验数据时填土的内摩擦角和标准容重可 参照表2 1 和表2 2 选用。 表2 一l 填土内摩擦角值参考表 土的种类 开山石、不易大卵石、 小卵石、砾石、中、细砂、 风化的块石碎石土类粗砂、石屑砂质上 粉砂粘土 l 内摩擦角( 。) 4 5 4 03 53 03 61 4 2 1 表2 2 填土标准容重y 值参考表 墙背填土种类 砾石、碎石、 砂、砂质土 粘土、秸性土石灰土 粉煤灰 砾质士 ( d l ，3 0 0 0 l 1 0 0 0 3 0 0 05 0 0 1 0 0 0 l 4 0 0 8 0 03 0 0 6 0 0 软质岩石 1 0 0 0 2 0 0 0 l 5 0 0 1 0 0 0 l 2 0 0 5 0 0 i 1 7 0 4 0 01 4 0 3 0 0 注：i 、t g6 = h v ，h 为作用在基础底面以上的水平衍载，v 为相应的垂直荷载。 2 、强风化岩石改变埋藏条件后，若强度降低，宜按降低程度选用较低值a 3 、微风化硬质岩石的容许承载力若选用大于3 0 0 0 k p a 时，应进行专门研究。 1 7 华中科技大学硕士学位论文 表2 一卜2 碎石土容许承载力 r ( k p a ) 密实度密实中密稍密 t g6 00 20 400 2o 400 20 4 卵石8 0 0 1 0 0 06 4 0 8 4 04 8 0 6 0 05 0 0 8 0 0 4 0 0 6 4 03 0 0 4 8 03 0 0 4 0 02 4 0 3 2 01 8 0 2 4 0 碎石 7 0 0 9 0 05 6 0 7 2 04 2 0 5 4 04 0 0 7 0 0 3 2 0 5 6 0 2 4 0 4 2 02 0 0 3 0 0 1 6 0 2 4 01 2 0 1 8 0 圆砾 5 0 0 7 0 04 0 0 5 6 03 0 0 4 2 03 0 0 5 0 0 2 4 0 4 0 01 8 0 3 0 0 2 0 0 3 0 0 1 6 0 2 4 01 2 0 1 8 0 角砾4 0 0 6 0 03 2 0 4 8 02 4 0 3 6 02 0 0 4 0 01 6 0 3 2 01 2 0 2 4 0 1 5 0 2 0 01 2 0 1 6 09 0 1 2 0 注：i 碎石的密实度按表2 - - 7 - - 6 确定 2 表中数值适用于骨架颗粒问的孔鼹全部由中砂、粗砂藏由液性指数k 0 2 5 的粘性土所填充 3 当颗粒为中等风化或强风化时，可按风他程度适当降低容许承载力：当颗粒问里半胶结状时，可适当提高客许承载力 表2 _ 卜3 老粘土容许承载力 r ( k p a ) 、盘查比u 0 4o 50 6o 70 8 t g6 07 0 0 05 8 0 05 0 0 。04 3 0 03 8 0 0 0 25 4 0 04 5 0 03 8 0 0 3 3 0 0 3 0 0 0 0 44 2 0 03 5 0 03 0 0 02 5 0 02 2 0 0 注：1 、含水量u 为天然含水量与液限的比值。 2 、本表适用于压缩模量e s 1 5 0 l l o a 的老粘土。 表2 7 4 粘性填土容许承载力e r ( k p a ) l压缩模量e s 7 0 5 04 03 0 2 0 l r 】1 5 01 3 01 1 08 06 0 表2 7 5 一般粘性土容许承载力 r ( k p a ) i p 1 0 1 0 e oo 51oo 2 5o 5o 7 511 2 03 5 03 1 02 8 04 5 04 1 03 7 0- 3 4 0 o 5o 22 7 02 4 02 2 03 5 03 2 02 9 0 2 6 0 o 42 1 01 9 01 7 02 6 02 4 02 2 0 2 0 0 0 3 0 02 6 02 3 03 8 03 4 03 l o2 8 02 5 0 0 60 22 3 02 1 01 9 03 0 02 6 02 4 02 2 0- 2 0 0 0 41 8 01 6 01 4 02 3 02 0 01 9 01 7 0一1 5 0 02 5 02 1 01 9 03 1 02 8 02 5 02 3 02 0 01 6 0 o 7o 22 0 01 7 01 5 02 4 02 2 02 0 01 9 01 6 01 2 5 0 41 5 01 2 51 1 51 9 01 7 01 5 01 4 01 2 09 5 02 0 01 7 01 5 02 6 02 3 02 1 01 9 01 6 01 3 0 0 80 21 6 01 3 01 2 02 1 01 9 01 7 01 5 01 2 51 0 0 0 41 2 01 0 09 01 6 01 4 01 2 51 1 59 58 0 1 8 华中科技大学硕士学位论文 0 90 21 2 51 1 09 5 1 8 01 6 01 4 01 2 51 0 08 0 o 49 58 57 51 3 01 2 0 1 1 0 9 58 06 0 01 2 01 0 01 9 01 7 0 1 5 0 1 3 01 1 0 l o 29 58 0 1 5 01 3 01 2 01 0 09 0 o 47 56 0 1 1 51 0 09 08 07 0 o 1 5 01 3 01 1 01 0 0 1 10 21 2 0 1 0 0 9 0 8 0 0 4 9 08 07 06 0 表2 7 6 碎石土密实度鉴别法 密实度骨架颗粒含量和排列 可挖性可粘性 密实 骨架颗粒含量大于总重的铁镐挖掘困难，用撬棍方能 钻进极困难，冲击钻探时，钻 7 0 n , 6 ，呈交错排列，连续接触 松动，井壁一般较稳定杆吊锤跳动剧烈，孔壁较稳定 骨架颗粒含量等于总重的 铁镐可挖掘；井壁有掉块现钻进较困难，冲击钻探时，钻 中密 6 0 7 0 5 ，呈交错排列，大部象，井壁取出大颗粒处能保杆吊锤跳动不剧烈，孔壁有坍 分接触 持颗粒凹凸形状塌现象 骨架颗粒含量小于总重的 锹可以挖掘，井壁易坍塌， 钻进较容易，冲击钻探时，钻 稍密 6 0 ，排列混乱，大部分不接 从井壁取出大颗粒后，砂性 杆稍有跳动，孔壁易坍塌 触土立即坍塌 ( 2 ) 当基础有效宽度大于3 米，或埋置深度大于1 5 米时，从以上各表查得的 容许承载力按下式修正： r = 【r 】+ m by1 ( b 。一3 ) + m dy2 ( d 一1 5 ) 式中：【r 】一按以上各表查得的容许承载力( m p a ) ； r _ 一修正后的容许承载力( m p a ) ； yl 一基础底面以下地基土的容重，水下部分的用浮容重( k n m 3 ) ； y 厂基础底面以上地基土的加权平均容重，水下部分用浮容重( k n m 3 ) ； m b 、m 厂分别为基础宽度与埋置深度的承载力修正系数，由表2 _ 7 7 查用； d 一基础有效深度( 米) ，当小于1 5 米时，按1 5 米计； b 。基础底面有效宽度( 米) ，当小于3 0 米时，按3 o 考虑，大于8 0 米时按 8 0 米计。 1 9 华中科技大学硕士学位论文 表2 7 7 承载力修正系数l n b 与m d t g5 土类0 o 2 0 4 m bm nm 8m dm 8嘶 淤泥和淤泥质土e 0 9 、i l 0 9 0 o1 00 01 o 0 0 1 0 的一般粘性土 ， 粘性土 老粘土和一般粘土、亚粘土、 0 41 5 0 3l20 2 1 0 性粘土亚砂土 o 7 2 oo 5l f60 3 1 2 细砂、粉砂、砾砂、 2 o3 0 1 62 5 1 22 o 砂土 粗砂、中砂4 o5 03 54 53 o4 0 碎石土5 o6 04 05 03 04 0 2 1 4 2 有偏心荷载作用情况下的地基容许承载力确定 有偏心荷载作用的地基，按下法确定地基承载力： ( 1 ) 将基础底面积化成承受轴心荷载的有效基础面积，如图2 1 。 矩形基础有效面积：氏= ( b 2 e x ) x ( l - 2 e y ) = b 。k ( 2 一1 ) 条形基础有效宽度：b 。= b 2 e ； 式中：e x 、e y _ 吩别为荷载在基础宽度与长度方向上的偏心矩； b e 、k 一分别为基础的有效宽度与有效长度。 ( 2 ) 根据基础的有效宽度，利用上述查表方法与修正式( 2 1 ) 确定地基容许 承载力i r 】。 ( 3 ) 按基础的有效面积或有效宽度，计算作用在基础上的垂直平均压力p7 ，并 使其符合以下条件： 矩形基础：p = p ，& 【r 】 ( 一2 ) 条形基础：p7 = p b 。【r 】( 2 3 ) 式中：p 为作用在基础上的总垂直荷载( 矩形基础) 或每米长基础上的垂直荷载 ( 条形基础) 。 华中科技大学硕士学位论文 条形基础 图2 1基础的有效面积 2 1 5 建筑材料容重 建筑材料的容重按表2 _ 8 采用。 表2 8 建筑材料标准容重 材料种 钢、铸钢筋混 混凝土浆砌块 浆砌 干砌块 砖砌沥青泥结碎 或片石石或料石或片 类钢凝土片石体混凝土( 砾) 石 混凝土石石 容重 7 8 52 5 o2 4 02 4 o2 3 02 1 01 8 02 4 o2 1 0 ( k n m 3 ) 2 1 6 砌体的容许应力与设计强度 ( 1 ) 砌体的容许应力如表2 9 所示。 表2 9 石砌体的容许应力( k p a ) 压应力 a 剪应力 t 水泥砂浆或小石子 混凝七砌体 混凝土标号 片石砌小石子混凝土或块石砌粗料石 体 片石砌体体砌体 标号平缝 斜缝 1 52 0 7 51 3 01 6 00 1 4o 2 1 1 01 5 01 8 02 5 04 o o2 7 03 4 00 1 6o 2 4 1 51 8 02 1 02 8 04 4 03 1 03 8 0o 2 0o 3 0 2 02 0 02 3 03 0 0 4 7 0 4 1 0o 2 30 3 4 注：砌体的容许弯曲拉应力，町参照表中剪应力数值 ( 2 ) 砌体设计强度 华中科技大学硕士学位论文 砌体强度设计值厶可按表2 1 0 表2 1 3 采用，当用水泥砂浆砌筑时，应采用 下式计算： 式中： 矗= y 。f 7d( h ) 厶一砌体的设计强度值( m p a ) ； f r 一由表2 1 0 表2 1 3 查得的砌体的设计强度值( m p a ) ； y 。一调整系数，用表2 1 0 表2 1 2 时，取y 。= 0 8 5 ；用表2 1 3 时，取y 。= o 7 5 。 表2 - - 1 0 砖砌体的抗压强度设计值( m p a ) 砂浆强度等级 砂浆强度 砖强度等级 m u l 5姗1 0m u 7 5m u 5埘2 5删1m u o 40 m u 3 04 1 63 4 53 1 02 7 42 3 92 1 71 5 81 2 2 娜2 53 8 03 1 52 8 32 5 0 2 1 81 _ 9 81 4 51 1 1 m u 2 0 3 4 0 2 8 2 2 5 3 2 2 4 1 9 51 ，7 71 2 91 0 0 删1 52 9 42 4 42 1 91 9 41 6 91 5 41 1 20 8 6 m u l 02 4 01 9 91 7 91 5 81 3 81 2 6o 9 10 7 0 删7 51 7 31 5 51 3 71 1 91 0 90 7 90 6 1 注；灰砖砌体的抗压强度设计值，应根据试验确定。 表2 1 l 料石砌体的抗压强度设计值( m p a ) 砂浆强度等级 砂浆强度 石材强度等级 m 1 0m 5m 2 5m 10 删1 0 05 7 85 1 24 4 64 0 62 2 8 删8 05 1 74 5 83 9 83 6 32 0 4 m u 6 04 4 83 9 63 4 53 1 41 7 6 龋u 5 04 0 93 6 23 1 52 8 7 1 6 1 删4 0 3 6 63 2 42 8 22 5 7 1 4 4 删3 03 1 72 8 0 2 4 42 2 21 2 5 m u 2 0 2 5 92 2 9 1 9 91 8 l1 0 2 删1 52 2 4 1 9 8 1 7 21 5 7o 8 8 m u l o1 8 31 6 21 4 l 1 2 8o 7 2 注：对下列种类料石砌体，应按表中数值分别乘以以下系数； 细料石砌体：1 5 ，半细料石砌体：1 3 ，租料石砌体：1 2 。 2 2 华中科技大学硕士学位论文 表2 - - 1 2 片石砌体的抗压强度设计值( m p a ) 砂浆强度等级 砂浆强度 石材强度等级 m 7 5m 5m 2 5m lm 0 4o m u l 0 00 3 51 2 01 0 40 6 lo 4 50 3 6 m u 8 01 2 11 j0 70 9 30 5 4o 4 0o 3 2 m u 6 01 0 5o 9 30 8 10 4 7o 3 5o 2 8 m u 5 00 9 6o 8 50 7 4 0 4 3 0 3 2 0 2 5 姗4 00 8 6o 7 6o 6 6o 3 80 2 9 o 2 2 删3 0 o 7 4o 6 60 5 7 o 3 3 0 2 50 1 9 m u 2 00 6 0o 5 4o 4 70 2 70 2 00 1 6 埘1 50 5 2o 4 6o 4 00 2 40 1 80 1 4 m j l 00 4 30 3 8o 3 30 1 90