（道路与铁道工程专业论文）重力式锚杆挡墙结构的研究.pdf

摘要 在西部山区的高等级公路建设中，高填深挖地段较多，为了满足线形标准，减 少土地占用，有时需要修筑高挡墙。鉴于山区石料丰富，地基承载力较高的特点， 可以考虑修建重力式挡墙，但重力式挡墙有着墙身断面大，圬工数量大，材料耗 费多，不经济的缺点，因而不宜修筑过高过大。本文提出了一种新的挡墙结构型 式一重力式锚杆挡墙，重力式锚杆挡墙是一种组合型墙体，墙身由浆砌片石或混 凝土砌筑，墙后加设锚杆，通过墙体的自重和锚杆的拉力来改善墙体的整体稳定 性。通过对重力式锚杆挡墙结构进行有限元分析，以期找出这种挡墙结构的受力、 稳定性以及经济性特性，论文所做的研究工作和得出的成果如下： 1 建立重力式锚杆挡墙有限元计算模型，利用p l a x i s 软件对不同的墙型、不 同墙高的重力式锚杆挡墙进行有限元计算，得出了墙背土压力沿墙高呈现中间较 大，项部和底部相对较小的非线性分布规律；有限元计算的土压力大于朗金主动 土压力而小于静止土压力。 2 通过有限元计算分析，得出了重力式挡墙加设锚杆后能有效改善挡墙的稳 定性，能增加挡墙的修筑高度；本文计算的墙背直立，墙高1 0 m ，墙顶宽1 _ 9 m ，墙 面坡为l ：0 2 5 的重力式挡墙加设双层锚杆后其截面尺寸约可以减小4 5 ，在一 个挡土墙分段长度内材料费用能减少约5 8 3 6 0 元，能有效的降低工程造价。 3 通过对锚杆不同的埋设位置进行有限元计算分析，得如重力式锚杆挡墙墙 后布设双层锚杆时，上层拉杆布设在距墙顶i 3 h 处，下层拉杆布设在距墙底i 3 h 处比较适宜。 4 基于对重力式锚杆挡墙的有限元计算分析，结合重力式挡土墙和锚杆挡土 墙结构的设计方法，提出了重力式锚杆挡墙的设计方法。 5 提出了重力式锚杆挡墙的施工工艺，并对施工中韵重要环节做出了要求。 关键词：重力式锚杆挡墙，有限元，p l a x i s ，稳定性 w h e nt h eh i g h g r a d er o a d sa r cc o n s t r u c t e di nt h ew e s t e r nm o u n t a i n o u sa r e a ，t h e r e a r em a n yh i g hf i l l sa n dd e e pc u t ss i t e ，i no r d e rt os a t i s f yt h ea l i g n m e n ts t a n d a r d ，r e d u c e t h el a n do c c u p i e d ，s o m e t i m e sn e e d st oc o n s t r u c tt h eh i g hr e t a i n i n gw a l l i nv i e wo ft h e f a c t t h a t i nm o u n t a i n o u sa r e a ，t h es t o n em a t e r i a la r er i c h ，t h ef o u n d a t i o n b e a r i n g c a p a c i t yi sv e r yh i g h ，w ec a nc o n s i d e rt oc o n s t r u c tt h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l l ，b u tt h e g r a v i t yr e t a i n i n gw a l lh a v em a n yd i s a d v a n t a g e s ，s u c ha st h ew a l lb o d ya n dc r o s ss e c t i o n a r ev e r yb i g ，m a s o n r yb o d yq u a n t i t ya r el a r g e ，t h em a t e r i a lc o n s u m e da r ev e r ym u c h ， t h e r e f o r e ，i ti sn o te c o n o m i c a la n di sn o ts u i t a b l et oc o n s t r u c th i g h l ya n do v e r s i z e d l y i n t h i st h e s i s ，t h ea u t h o rp r o p o s eak i n do fn e wr e t a i n i n gw a l lp a t t e r n t h eg r a v i t a t i o n a l a n c h o r e dr e t a i n i n gw a i l ，i ti sac o m b i n a t i o nw a l l ，t h ew a l lb o d ya r eb u i l tb ya l u m i n a b u n k e ro rt h ec o n c r e t e ，t h ea n c h o rr o d sa r ea d d e d - o nt h ew a i l ，t h ew a l lo v e r a l ls t a b i l i t y i m p r o v e db yt h ew a l lb o d yw e i g h tw i t l lt h ea n c h o rr o ds t r a i nf o r c e m a k i n gt h ef i n i t e e l e m e n ta n a l y s i st ot h eg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a i ls t r u c t u r es oa st od i s c o v e r t h i sk i n do fr e t a i n i n gw a i ls t r u c t u r ec h a r a c t e r i s t i co fm e c h a n i c a lb e h a v i o ra n ds t a b i l i t y , t h et h e s i sm a k et h er e s e a r c hw o r k sa n do b t a i nt h ef r u i t sa sf o l l o w s ： 1 t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n a lm o d e lo fg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l l i se s t a b l i s h e di nt h i st h e s i s ，b yp l a x i ss o f t w a r e ，t h ed i f f e r e n tw a l lt y p e ，t h ed i f f e r e n tw a l l h e i g h tg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l l a r e c o m p u t e d ，w ec a r l o b t a i ns o m e r e g u l a t i o nt h a tt h ew a l lb a c ke a r t hp r e s s u r ea l o n gt h ew a l lh e i g h tp r e s e n tn o n l i n e a r d i s t r i b u t i o nw h i c ht h ee a r t hp r e s s u r eo nw a l la b o v ea n db e l o wp a r ti sg r e a t ，t h e i m m e d i a t ep a r ti sa m a l l ，t h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o ne a r t hp r e s s u r ei sg r e a t e rt h a nt h e r a n k i n ee a r t hp r e s s u r eb u ti ss m a l l e rt h a nt h es t a t i ce a r t hp r e s s u r e 2 b yt h ef i n i t e e l e m e n tc o m p u t a t i o na n a l y s i s , w ec a no b t a i nt h a tt h eg r a v i t y r e t a i n i n gw a l l a d d e da n c h o rr o db ea b l et oe f f e c t i v e l yi m p r o v et h er e t a i n i n gw a l l s t a b i l i t ya n dc a l li n c r e a s et h er e t a i n i n gw a l lc o n s t r u c t e da l t i t u d e ，ag r a v i t yr e t a i n i n gw a l l i nt h i st h e s i sw h i c ht h eh e i g h ti sl o m ，t h et o po fb r e a t hi s1 9 ，t h ew a l lb a c ki sv e r t i c a l ， t h ew a l ls u r f a c es l o p ei s1 ：0 2 5b ea b l et or e d u c e4 5 a p p r o x i m a t e l ys e c t i o ns i z ea n d 5 8 ，3 6 0y u a nm a t e r i a le x p e n s ei nar e t a i n i n gw a i lp a r t i t i o nl e n g t h ，w h i c hc a ne f f e c t i v e l y r e d u c et h ep r o j e c tc o n s t r u c t i o nc o s t 3 b yt h ef i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o na n a l y s i sw i t hd i f f e r e n ti n s t a l lt h ep o s i t i o nt o t h ea n c h o r , w ec a no b t a i nt h a tw h e nt h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l la d d e dt h ed o u b l e l a y e r a n c h o rr o d ，t h eu p p e rl a y e ra n c h o rr o db u i l ta p a r tf r o mt h et o po fw a l lt og oa g a i n s t 1 3 hp l a c e ，t h el o w e rl e v e la n c h o rr o db u i l ta p a r tf r o mt h ew a l lb o t t o m1 3 hp l a c et ob e s u i t a b l ec o m p a r a t i v e l y 4 b a s e do nt ot h eg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l lf i n i t ee l e m e n tc o m p u t a t i o n a n a l y s i s ，c o m b i n et ot h eg r a v i t yr e t a i n i n gw a l la n dt h ea n c h o rr o dr e t a i n i n gw a l l s t r u c t u r ed e s i g nm e t h o d ，p r o p o s e dt h eg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l ld e s i g n m e t h o d 5 t h ec o n s t r u c t i o nm e t h o do ft h eg r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l li sb r o u 曲t o u t ，a tt h es a m et i m e ，t h et h e s i sb r i n g so u tt h er e q u e s tt ot h ei m p o r t a n ts t e p si nt h e c o n s t r u c t i o n k e y w o r d s ：g r a v i t a t i o n a la n c h o r e dr e t a i n i n gw a l l ，f i n i t ee l e m e n t ，p l a x i s ，s t a b i l i t y 重庆交通大学学位论文原创性声明 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 工作所取得的成果。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 或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体， 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结果由本人承担。 学位论文作者签名：；d 氟1 日期：0 易年妒月谚同 重庆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。 本人授权重庆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。 保密口，在一年解密后适用本授权书。 本学位论文属于 不保密囱。 ( 请在以上方框内打“”) 学位论文作者签名：互l 扔1 日期：埘年v 月店f t 獬：勘彤 f i 期：j 彩年够月，a 同 第一章绪论 第一章绪论 1 1 挡土墙支挡结构的理论及研究现状 1 1 1 挡土墙的概念 挡土墙是用来支撑路基填土或山坡土体，防止壤土或土体变形失稳的一种构 造物。在路基工程中，挡土墙可用以稳定路堤和路堑边坡，减少士石方工程量和 占地面积，防止水流冲利路基，并经常用于整治塌方、滑坡的路基瘸害。在i “区 公路中，挡土墙的应用更为广泛。在同文中，称为土留墙；在英美国家，称e a r t h r e t a i n i n gw a l i 或e a r t hr e t a i n i n gs t r u c t u r e s ，也有的称之为s o i lr e t a n i n n g w a l i s 或e a r t hr e t e n t i o nw a l l s ，其意思均已很直接明了了。 1 1 2 挡土墙的结构形式 挡土墙的结构形式繁多，变化丰富，从使用材料、施工方式、设计计算方法 等均可进行分类，从目前国内、国外发展现状和发展趋势看，主要有以下几种结 构形式： 重力式 衡重式 悬臂式 扶壁式 加筋式 锚杆式 锚定板式 桩板式 土钉式 1 1 3 挡土墙的应用范围 挡土墙的应用范围十分广泛，所有的土本建筑工程中都要用到挡土墙，根据 陈忠达编写的公路挡土墙设计一书，公路路基一再遇到下列情况时可考虑 修建挡土墙： 陡坡地段： 岩石风化的路堑边坡地段： 为避免大量挖方及降低边坡高度的路堑地段； 可能产生塌方、滑坡的不良地质地段； 高填方地段； 水流冲刷严重或长期受水浸泡的沿河路基地段； 为节约用地、减少拆迁或减少占农田的地段； 第一章绪论 2 为保护重要建筑物、生态环境或其他特殊需要的地段。 1 1 4 挡土墙结构在我国的发展现状 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，从现有的现行 规范、规程和应用手册就可以概括明白。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 的重力式挡土壤，发展为采用支撑、土筋复合结构以及锚囿技术等多种新型、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 土墙及抗滑桩、桩板式墙、土钉墙、预应力锚索等新型的支挡结构。这些新型支 挡结构具有结构轻、施工快捷、便于预制和机械化施工、节省材料和劳动力、造 价低等优点，很快在各类岩土工程中得到广泛应用。 在建筑工程中，边坡支护结构形式很多，常规的挡土墙结构和近代发展起来 的锚杆挡土墙结构是其主要型式。在现行国标建筑边坡工程技术规范 ( g b 5 0 3 3 0 2 0 0 2 ) 中，主要将边坡支护结构分为重力式挡墙、扶壁式挡墙、岩石 锚喷支护、锚杆挡墙等七种，并对其中的五种型式的计算、设计、施工作出了相 应的规定。在现行的国标，建筑地基基础设计规范。( g b 5 0 0 0 7 2 0 0 2 ) 中，对重 力式挡墙、岩石锚杼挡墙、地下连续墙基坑支护的设计作出了相应的规定。由于 锚杆挡墙和锚杆支护近年的普遍应用，相应的有国标锚杆喷射混凝土支护技术 规范( g b 5 0 0 8 6 2 0 0 1 ) 和国家标准化协会手腮土层锚杆设计与施工规范 ( c e c s 2 2 ：9 0 ) ，但均无应用图集和应用手册。 通过收集资料，发现国内有关挡土墙方面的研究和搽讨的文章散见于各种期 刊杂志中，有关专著和成熟产品、工艺、图集不多。吴家强。”等曾利用经验公式 进行数值迭代优化，在一定程度上实现了重力式挡土墙界面的优化设计，王渭章” 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”7 1 对高 挡墙的断面作了一些比较和优化，并举了几个工程实例。这些均是对重力式挡士 墙的优化设计和探讨。加筋挡墙在上个世纪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，相关的论文著作也不少。 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、技术手艇、 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。另外级览国内的研究工作，几乎涉及挡土墙结构的抗震 分析和抗震设计处理措施的很少，也许是挡土墙应用的局限性或者研究深度还不 够，随着挡土墙结构应用的增广，结构型式，其应用位置变得更重要，其抗震防 灾性能和机理也应做进一步的探讨研究。 1 1 5 挡土墙结构在国际上的发展现状和趋势 第一章绪论3 挡土墙的作用除了普通意义上的保持墙后土体稳定外，在美国，挡士墙也应 用于隔离噪音。在日本、英、美等国家，挡土墙的普及和广泛应用是因为大部分 土地私有化的原因。无论是在市镇，还是在乡村，对于相邻的两个或几个土地不 动产的所有者，按照土地所有权，不论平地或地势有高羞的位置要求相互界限分 明，作为一种边界或划界结构，挡土墙能达到这种效果，而自然放坡的边坡则不 容易；如果均用栏栅或篱笆、树蓠分隔则明显的障碍太多。为了避免侵占临近土 地，挡土墙结构被更广泛、大量地使用。挡土墙应用到道路、市政、造幽、水土 保持等方面的另一个重要目的就是能起景观美化作用，能将一个泥土的边坡变成 一个美化过的边坡，能将个表面呆板、灰暗的墙体变成一堵赏心悦目的墙体， 通过技术的创新，推动了墙体的革命。在束来的趋势中在选择墙面结构时，美学 效果应起到更大的作用。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。 1 2 重力式锚杆挡墙的概念 1 2 1 重力式挡土墙 重力式挡土墙是以墙身自重来维持挡土墙在土压力作用下的稳定，它是我国 目前最常用的一种挡土墙型式。重力式挡土墙多采用浆砌片( 块) 石砌筑，缺乏 石料地区有时可用混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配钢 筋或只在局部范围配置少量的钢筋。这种挡土墙形式简单、施工方便，可就地取 材、适应性强，因而应用广泛。 由于重力式挡墙依靠自身重力来维持平衡稳定，因此墙身断面大，圬工数量 也大，在软弱地基上修建往往受到承载力的限制。如果墙过高，材料耗费多，因 而亦不经济。当地基较好，墙高不大，且当地又有石料时，一般优先选用重力式 挡土墙。 重力式挡士墙的墙背可以做成俯斜、仰斜、垂直、凸形折线和衡重式五种， 如图1 1 所示。有图1 1 可以清楚地看出：挡士墙犹如一个人站在填土处背靠填 土，趾部和胸部在填土的另一侧，因而墙背向外测倾斜称为俯斜，如图1 1a 所 示；墙背向填土一侧倾斜称为仰斜，如图1 1 b 所示：墙背竖直时称囊壹，如图1 1 c 所示。墙背只有单一坡度，称为赢线形墙背；若多于一个坡度，如图1 1d 、e 所 示，则称为折线形墙背，其中图1 _ 1 d 为凸形折线形墙背，图1 1 e 带有衡熏台， 则为衡重式墙背。 笙二兰笙堡 ! 。0 1 哩r 口) 鼍瓣式b ) 抑舛武c ) 垂直式 畦】凸摹暂靓式e ) 夤譬囊 图1 f 重力式挡土墙型式 1 2 2 锚杆挡土墙“1 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结，另一端遴过钻孔，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理，从而利用锚杆 与地层间的锚固力来维持结构物的稳定。 锚杆挡土墙用于锚固地层、施工方法、受力状态以及结构形式等的不同，有 各种各样的形式。按墙面的结构形式可分为柱板式锚杆挡土墙和壁板式挡土墙， 如图1 2 所示。柱板式锚杆挡土墙是由挡土板、肋柱和锚杆组成，如图1 2 所示。 肋柱是挡土板的支座，锚杆是肋柱的支座，呛喉的侧向土压力作用于挡土板上， 并通过挡土板传给肋柱，再由肋柱传给锚杆，由锚杆与周围地层之间的锚固力即 锚杆抗拔力使之平衡，以维持墙身及墙后的土体稳定。壁板式锚杆挡土墙是出墙 面板( 壁面板) 和锚杆组成，如图1 2 所示。埯面板直接与锚杆连接，并以锚杆 为支撑，土压力通过墙面传给锚杆，后者与周围地层之间的锚固力( 即抗拔力) 抵抗土压力，以维持挡土墙的平衡与稳定。 图1 2 板柱式锚轩挡土墙 第一章绪论5 锚杆挡土墙的特点是： 结构质量轻，使挡土墙的结构形式轻型化，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； 利于挡土墙的机械化、装配化施工，可以减轻笨重的体力劳动，提高劳动 生产率： 不需要开挖大量基坑，能克服不良地基挖基的困难，并利于施工安全； 锚杆挡墙也有些不足之处，使设计和施工受到一定的限制，如施工工2 要求较高，要有钻孔、灌浆等配套的专用机械设备，且要耗用一定的刚才。 1 2 3 锚定板挡土墙 锚定板挡土墙是由墙面、拉杆、锚定板以及充填墙面与锚定板之间的填土所共 同组成的一个整体。如图1 3 所示。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力，这些内力必须平衡， 才能保证结构内部的稳定性。同时，在锚定板挡土墙的边界上，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 须相互平衡，以保证锚定板挡土墙的整体稳定性，防止发生滑动或蠕动。 锚定板挡墙的主要优点是：结构轻，柔性大，占地少，圬工省，造价低。但锚 定板挡土墙限于其柔性特性，不宜做的太高。它主要适用于承载力较低的软弱地 基和缺乏石料的地区，作路肩墙或路堤琏。在滑坡、崩塌地段以及膨胀士地区不 能使用。 锚定板挡土墙主要有两种类型：肋柱式和壁板式两种。肋柱式锚定板挡土墙的 墙面系有肋柱和档土板组成。一般为双层拉杆，锚定板的面积较大，拉杆校长， 挡土墙变形较小。壁板式锚定板挡土墙系由钢筋混凝土面板做成。外观美观、繁 齐，施工简便，多用于城市交通支挡结构工程。 二 刮 。j | f。 p - 啪_ l u拉杆 ，_ _ l - - j - - - - - - - - - - - _ _ f锚定板 r f 叫 f z _ _ 一 图i 3 壁板式锚杆挡土墙 第一章绪论6 1 2 4 重力式锚杆挡土墙 重力式锚杆挡墙是一种组合型墙体，墙身由浆砌片石或混凝土砌筑，墙后加 设锚杆，通过墙体的自重和锚杆的拉力来改善墙体的整体稳定性。它有以下三种 型式： 重力式挡墙和锚杆挡墙的组合，如图1 4 a 所示，墙体由熏力式挡墙、锚定 拉杆以及肋柱和填料组成。 重力式挡墙和锚定板挡墙的组合，如图1 4 b 所示，墙体由重力式挡墙、锚 定拉杆及锚定板和填料组成。 重力式挡墙和锚杆挡墙、锚定板挡墙的组合，如图1 4 c 所示，墙体由熏力 式挡墙、锚定拉杆及锚定板和填料组成。 ， 掷蝴，必 卜芦j 黼 j _ _ 删7黼 ( b )( c ) 图1 4 重力式锚杆挡土墙型式 在山区修建公路、铁路等建筑物时，经常会遇到高填深挖地段，从而有可能 要修建高大支挡结构。重力式挡墙鉴于其自身的特点，只可能修筑n - 。定的高度。 重力式锚杆挡墙能充分发挥山区石料丰富、地基承载力高等特点，通过在墙体上 增设锚定拉杆，从而增加挡土墙的整体稳定性，以满足工程上的需要。 重力式锚杆挡土墙的主要特点为： 重力式锚杆挡土墙和普通重力式挡土墙一样，也是主要以墙身自重来维持 挡土墙在土压力下的稳定； 通过锚杆的连接，是墙体和土体形成一个整体共同发挥作用，从一定程度 上改善了墙体的抗滑和抗倾覆稳定性； 在墙体中加入锚杆，利用锚杆的抗拔力缓解一部分土压力，从而能有效的 减少墙体的尺寸，节约投资； 重力式锚杆挡土墙结构适用于山区地形复杂地段的填方或半填半挖路段， 作为路堤墙或路肩墙使用。以河南省洛三高速公路k 5 0 + 0 0 0 k 5 0 + 1 0 0 段重力式 钢筋混凝土锚杆挡为例“1 。洛三高速公路许沟大桥，中心桩号k 4 9 + 7 5 0 ，跨越一山 谷，为单跨2 2 0 米钢筋混凝土拱特大桥。其桥面路基沿一深谷左岸向西爬升，处 第一章绪论7 于半填半挖状态。其中k s o + o o o k s o + 1 0 0 段临近西桥台，地势更为陡峭。设计的 路基顶与深谷底高差达5 6 3 2 米。如图1 5 所示。在此位置，经多方案比较和试 算比较，最终选定用重力式钢筋混凝土锚杆挡土墙形式。 图1 5k 5 0 + 0 5 0 断面地形、地质示意图 1 3 本文研究的目的、研究内容及目标 1 3 1 研究目的 在西部山区的高等级公路建设中，高填深挖地段很多，为了满足线形标准， 减少土地占用，需要修筑高挡墙。鉴于山区石料丰富，地基承载力较高的特点， 可以考虑修建重力式挡墙，但重力式挡墙有蓿墙身断面大，圬工数量也大，材料 耗费多，不经济豹缺点，因而不宜修筑过高过大。本文提出了一种新的挡墙结构 型式一重力式锚杆挡墙，重力式锚杆挡土墙相比重力式挡土墙而言，减少了结构 尺寸，增加了挡墙的修筑高度，同时也增加了挡墙的整体稳定性，施工简便，适 用于填方或半填半挖路段，作为路堤墙或路肩墙使用，有一定的工程价值。 1 3 2 研究内容 基于目前我国对挡土墙结构研究分析的状况，选用一种熏力式锚杆挡墙进行 分析。本文主要针对第二种重力式锚杆挡墙结构即重力式挡土墙和锚定板挡壤的 组合墙体( 图1 4 b ) 所受的侧向土压力、结构的内力及结构的稳定性等方面作系 列的研究。以下就是本论文所研究主要内容： 重力式锚杆挡墙结构的受力及稳定性有限元分析 第一章绪论 8 通过建立重力式锚杆挡土墙结构的有限元模型，采用平厦应变模式对重力式 锚杆挡土墙进行有限元分柝，通过模拟结构及其周边环境状态，对重力式锚杆挡 土墙进行有限单元分析，并按照极限平衡理论计算土压力。 根据建立的重力式锚杆挡土墙的有限元模型，改变一系列参数，包括不嗣的 墙型：仰斜式、俯斜式、衡重式、墙背折线形式；不同的墙体高度：固定一种墙 型和墙面宽度，然后将墙体高度逐步增加；不同的墙面宽度：固定固定一种墙型 和墙体高度，逐步减小墙面宽度以减小墙体尺寸；锚杆埋设的不同位置：固定一 种墙型和一层锚杆位置，然后改变另外一层锚杆的埋设位置。分析不同条件下重 力式挡土墙的墙背土压力、墙体应力、位移以及墙背锚定拉杆拉力的变化规律。 重力式锚杆挡土墙的设计理论研究 基于对挡土墙墙背的土压力及结构的应力，锚杆的布设等分析，结合重力式 挡土墙和锚定板挡土墙结构的设计方法，对重力式锚杆挡土壤的设计方法进行具 体的阐述，重力式锚杆挡土墙设计的主要内容：墙背土压力计算、墙体和锚打的 内力计算以及重力式锚杆挡土墙的整体稳定性验算。 1 3 _ 3 研究目标 通过有限元分析，得出墙背土压力非线性变化的规律； 通过对不同墙型、不同墙体高度、不同墙面宽度、锚杆不同埋设深度的研 究，以此得出重力式锚杆挡墙的墙体应力、位移的变化规律，作为进行重力式锚 杆挡墙结构设计的依据； 通过有限元分析的结果，根据重力式挡土墙和锚定板挡土墙结构的设计方 法提出重力式锚杆挡土墙结构的设计方法； 参照熏力式挡土墙施工方法确定重力式锚杆挡士墙的施工工艺，并对施工 中的重要环节作出要求。 1 3 4 拟解决的关键问题 墙背土压力的确定；应用平面应交理论，利用有限元对重力式锚杼挡土墙墙 背土压力进行力学计算分析，确定土压力在挡土墙墙背上的分布形式及其大小； 分析锚杆的受力情况，确定锚杆的合理布设位置： 第二章挡土墙土压力计算 第二章挡土墙土压力计算 2 1 土压力概论”1 作用在支挡结构上的土压力，即填土( 填土和填土表面上荷载) 或挖土境壁 原位土对支挡结构产生的侧向土压力，它是支挡结构物所承受的主要荷载。因此， 设计支挡结构物时，首先要确定土压力的大小、方向和作用点。这是一个复杂的 问题，它与支挡结构物的形状、刚度、位移，背后填土的物理力学性质，墙背和 填土表面的倾斜程度等有关。 作用在支挡结构上的土压力，根据结构的位移方向、大小及背后填土所处的 状态，可分为三种： 静止土压力 如果支挡结构在土压力作用下，结构不发生变形和任何位移( 移动或转动) ， 背后填处于弹性平衡状态，如图2 1 a 所示。则作用在结构上的土压力称为静止 土压力，并用e 0 表示。 i眵”l 拶 ： 队b )畸0 a ) 静止土压力：b ) 生动土压力；c ) 被动土压力 图21 三种土压力示意圈 主动士压力 若挡土墙( 由于支挡结构本身无变形，则取重力式挡土墙为代表，以后简称 挡土墙) 在填土产生的土压力作用下离开壤土方向向墙前发生位移时，贝q 随着位 移的增大，墙后土压力将逐渐减小。当位移达到表2 1 中所列数值时土体出现 滑动面，墙后填土处于主动极限平衡状态。此时，作用于挡土墙上的压力称为 主动土压力，用e 。表示，如图2 1 b 所示。 第二章挡土墙土压力计算 产生主、被动土压力所震墙位移量表 2 士的类别 土握力类别 墙体位移( 变形) 方式 所需位移量 主动墙体平行移动0 0 0 1 h ( h 为挡土墙离) 主动绕墙趾转动 0 0 0 1 1 1 砂土主动绕墙预转动 0 0 2 h 被动墙体平行移动 一00 5 h 被动绕墙趾转动 一0 】 1 砂土被动绕墙顶转动 - 0 0 5 h 黏土主动墙体平行移动 0 0 0 4 h 被动绕墙趾转动 0 0 0 4 1 1 被动土压力 如挡土墙在外荷载作用下，使墙向填土方向位移，随着位移增大，壤受到填 土的反作用力逐渐增大，当位移达到表2 + 1 所需的位移量，土体出现滑裂睡，墙 背后填土就处于被动极限平衡状态，如图2 1 c 所示。这时的土压力就称为被动二l 压力，以e 。表示。 由图2 2 可以看出填土所处平衡状态， 土压力与挡土墙位移的关系。 土压力的计算，实质上是土的抗剪强 度理论的一种应用。静止士压力计算，主 要是应用弹性理论方法和经验方法。计算 主、被动土压力，主要是应用极限平衡理 论( 处于塑性状态) 的库仑理论和朗金理 论及依上述理论为基础发展的近似方法图 法。 x - 一 盘 r 0 l 一 一一墙向前咎 圈22 土压力类别豳 般挡土墙均属平面问题，故在以后研究中取沿墙长度方向每延长米计算。 2 2 静止土压力计算。 当建筑在坚实地基上的挡土墙具有足够大的断面，墙在墙后土压力的作用下， 不产生任何位移和变形时，即挡土墙绝对不懂时，墙后土体同墙背的侧限作用面 处于弹性平衡状态。此时，作用于墙背的土压力就是静止土压力。 静止土压力可根据半无限弹性体的应力状态求解。图2 3 中，在填土表面以下 ，确11。f獬 一 一。，j j 1 l 卫 第二章挡土墙上压力计算 任意深度z 处m 点取以单元( 在m 点附 近以微小正六面体) ，作用于单元体上力有 e l ：一为竖直向的土的自重应力o 。，其值 等于土柱的重量： 图2 3 静止压力计算闰式 u c 署y z 式中y 一填土的重度； z 由填士表面算起至m 点的深度。 二是侧向压应力，是由侧向不能产生变形丽产生的， 止压力。它的反作用力就是我们要求的静止土压力。 条件下，其侧向压力与竖直方向压力之间的关系为： p o k o 吼t k o y z 式中蜀，静止压力系数， ( 2 1 ) 也就是填士受到挡士墙的静 由半无限弹性体在无钡移的 ( 2 2 ) k - 击 ( 2 _ 3 ) 式中“一填土的泊松比，由试验确定。 静止土压力系数k o ，与土的种类有关而同一种于的k o ，还与其孔隙比、含 水量、加压条件、压缩程度有关。常见土的静止土压力系数蚝如表2 2 所示。 静止士压力系数 表2 2 二t 类坚硬土硬、可塑性土可一软塑软塑黏性土流塑黏性土 粉质黏土、砂土黏性土 蚝 0 2 0 40 4 o 50 5 o 60 6 o 7 50 7 5 o 8 也可根据半经验公式 k oal - s i n g , ( 2 4 ) 式( 3 4 ) 对砂土误差较小，但对黏土会产生较大的误差。 墙后填土表面为水平时，静止土压力按三角形分布，静止土压力合力 1 e o 一寺y h 2 k o ( 2 5 ) 山 式中h 一挡土墙的高度。 ，、- 第二章挡土墙土压力计算 合力作用点是位于距离墙踵h 3 处。 如墙后的填土为超固结土，将产生较大的静止土压力。在实际工程中必须注 意避免因过大的侧向压力丽造成挡土墙的破坏。此时，静止土压力可按以下半经 验公式估算： k o r 一4 r ( 1 - s i n q ，) ( 2 6 ) 式中尺一超固结比， r 。 p 其中p 。一为土的前期固结压力： p 一目前土的自重压力。 当挡土墙位移很小，填士处于静止土压力与主动土压力之间的弹性阶段。此 时土压力系数与填土内摩擦角妒、填土表面倾角卢、挡土墙面倾斜角口有关。由弹 性力学方法求得土压力系数见表2 3 。 弹性阶段士压力系数嚣值表2 3 内摩擦角回( 。)2 1 2 42 73 03 33 63 94 24 5 土压力系数k 0 4 40 3 90 3 5o ，3 2 0 2 9 0 2 6o 2 4 0 2 101 9 2 3 库仑土压力理论” 库仑土压力理论由法国科学家库仑于1 7 7 3 年发表。库仑在建立此理论时，作 出如下假定： 1 挡土墙埔后填土为砂土( 仅有内摩擦力而无黏聚力) ： 2 挡土墙后填土产生主动土压力或被动土压力时，填土形成滑动楔体，其滑 动面为通过墙踵的平面。 库仑土压力理论是根据滑动楔体处于极限平衡状态，应用静力平衡条件求解 得主动土压力和被动土压力。 2 3 1 主动土压力计算 如图2 4 a 所示，a b 为挡土墙墙背，b c 为破裂面，b c 与竖直方向的夹角0 为 破裂角，a b c 即为破裂棱体。这个棱体上作用着三个力，即破裂棱体自重缈、主 动土压力的反力e 、破裂棱体上的反力霞。其中e 的方向与墙背法线成6 角，且 偏于阻止棱体下滑的方向，r 的方向与破裂丽法线成伊角，同样偏于阻止棱体下滑 的方向。由于棱体处于极限平衡状态，因此，力三角形必须闭合，如图2 4 b 所示， 从力三角形中可得： e ， ( 2 7 ) o w c o s ( o + + 妒q o ) ) s i n ( o 第二章挡土墙土压力计算 式中：妒耳妒+ 口+ d t p 罱中+ 。 + 蚤 豳2 4 库仑主动土压力计算图式 9 0 一一一妒 b ) 的位置不同( 即0 不同) ，和色都将随之改变。当0 2 9 0 。一伊时，r 与重合，e = o ；当0 t a 时，破裂面与墙背重合，w = 0 ，e = o ；当0 ，a 时，e a 随疗增大而 增大；当0 等于某一定值时，e a 值达到最大，丽后又逐渐减小，至挣t 9 0 。一妒时变 由此即可求得主动状态时破裂角0 ，然后将挣代入式( 2 7 ) 求得疋值，这就是 驴争舻= 罚篱 c o s 2 口_ c o s ( d + a ) 1 1 + f 竺筹型譬詈匕噪i 或 e 。m 妄用2 k 。 ( 2 8 ) k 。塑鱼羔堕。 ( 2 9 ) 4 一一叫1 + 、， 器s i n ( 6 + 孺q o ) s i n 磊( q ，- f 1 ) 2 第二章挡士墙土压力计算 1 4 y 一填土的容重( k n m 3 ) ； h 一墙背高度( m ) ： 妒一填士的内摩擦角( 。) ； 6 一墙背摩擦角( 。) ； 口一填土表面的倾角( 。) ； n 一墙背倾角( 。) ，当墙背俯斜时，a 为正，仰斜时为负。 沿墙高的士压应力吼，可通过e 对 求导而得到： 吼一譬- y ( 2 1 0 ) ，i 由上式可见，主动土压应力沿墙高里三角形分布，土压力的作用点离壤 踵的高度为h 3 ，方向与墙背的法线成6 角，或与水平方向成6 + a 角，如图2 5 b 所示。 矗) b 图2 5 倾斜表面库仑主动土压力 b ) 2 3 2 被动土压力计算 如图2 6 a 所示，若b c 为破裂面，则破裂棱体自重矽为墙背对被动土压力的 反力e 。，和破裂面反力r 所平衡。不过，破裂棱体被推挤向上滑动，因而e ，和r 偏向法线的方向与主动极限状态相反。 第二章挡士墙土压力计算 8 ，一口卜 b 一p + 妒 圉2 6 库仑被动土压力计翼圈式 由于破裂棱体处于极限平衡状态，力三角形是闭合的，如图2 6 b 所示，依据 力三角形可求得e 。： e p w s 耐c 疗。一s ( 妒o 一- 6 4 v ) 丽 2 1 1 口值不同，求得的土压力值也不同。在被动极限状态下，土压力的最小值即为 被动土压力e 。，相应于土压力最小值时的破裂面即为被动状态破裂面。 a ) 图2 7 倾斜表面痒仑被动土压力 l 撼酝l b ) 按照求解主动土压力的原理与方法，即可求得填士表面为倾斜平丽时的被动 土压力e 。，如图2 7 所示： 或 q ，妻 c o s 2 ( 妒+ a ) 耐一删川，【卜 e p * 二1y h 2 kp ( 2 1 2 ) 第二章挡土墙土压力计算 k ，- 等华兰童= = = 巧 ( 2 1 3 ) 。c o s k c o s ”卟雾孺1 2 式中k 。一库仑被动土压力系数。 被动土压力沿墙高也呈三角形分布，如图2 7 b 所示，土压应力为： 口p ；7 h k p ( 2 1 4 ) 土压力的作用点在距离墙踵h 3 高度处，方向与墙背法线顺时针成6 角，即与 若填土表面水平，墙背垂真且光滑时，印卢= o 、口= 0 、6 = 0 时，式( 2 9 ) k 8 而c o s 2 q o t t 9 2 ( 4 5 。一里2 ) 。 n + s i n 妒r 、 k p - t 9 2 ( 4 5 4 + 要) 2 4 朗金土压力理论“1 朗金土压力理论是由英圈科学家朗金于1 8 5 7 年提出。朗金假定：挡土墙背竖 直、光滑，墙后砂性土表面水平并无限延长。因此，砂性填土内任意水平面与墙 背面均为主平面( 即平面上无剪应力作用) ，作用于两平面上的正应力均为主应力。 朗金根据墙后填土处于极限平衡状态，应用极限平衡条件推导出主动土压力及被 动土压力公式。朗金理论的适用范围为： 地面为一水平面( 含地面上的均布荷载) ； 墙背是竖直的： 墙背光滑，即墙背与土体之间摩擦角6 为零； 填土为砂性土。 2 4 1 主动压力 根据土的强度理论，土体中某点达到极限平衡状态时，大、小主应力q 和d 、有 如下关系，如图2 8 d 所示： 第二章挡土墙士压力计算 1 7 砂性土 或 粘性土 或 擘匦稚鐾一降 掣墨l d 图2 8 半无限体的极限平衡状态 a 深度为h 时的应力状态；b 朗金主动状态； c 朗金被动状态：d 莫尔应力圆与朗金状态的关系 q - 嘴2 ( 4 5 6 + 詈) c r 3 。q 培2 ( 4 5 一詈) q 4 0 3 t 9 2 ( 4 5 。+ 争+ 2 c t g ( 4 5 。+ 争 ( 2 1 5 a ) ( 2 1 5 b ) ( 2 1 6 a ) 0 3 一q 培2 ( 4 5 4 一詈) + 2 c t g ( 4 5 。一争 ( 2 1 6 b ) 疋 ， 、秽+ 耐2 图