一般地区悬臂式挡土墙程序自动化设计(土压力)

1、一般地区悬臂式挡土墙程序自动化设计中铁二局集团勘测设计院2011年6月24日目 录一 、适用条件3二、编制依据3三、基本规定3四、常用设计参数3五、荷载51、铁路荷载52、公路荷载6六、土压力71、一般情况下砂性土的土压力72、粘性土的综合内摩擦角143、地震土压力14七、墙身截面尺寸的拟定151、墙踵板长度的估算152、墙趾板长度的估算17八、外部稳定性验算171、抗滑稳定性检算182、抗倾覆稳定性检算193、挡土墙基底合力偏心距e204、基底压应力20九、凸榫设计211、凸榫位置212、凸榫高度223凸榫宽度22十、墙身钢筋混凝土配筋设计及构造措施22十一、计算机语言编程流程图26一 、适

2、用条件悬臂式挡土墙是一种轻型支挡建筑物，它是依靠墙身自重和墙底板以上填筑土体（包括荷载）的重量维持挡土墙的稳定，适用于路基工程中两线路并行不等高、节约征地、石料缺乏等填方地段。本项目中的悬臂式挡土墙适用的基本条件为一般地区的路肩挡土墙，ag6.0m30 35碎石、不易风化的块石45 501819大卵石、碎石类土、不易风化的岩石碎块40 451819小卵石、砾石、粗砂、石屑35 401819中砂、细砂、砂质土30 351718注：填料重度可根据实测资料作适当修正，计算水位以下的填料重度采用浮重度。 表1-2-1 土与墙背间的摩擦角 （设计手册-铁 p342） 摩擦角（）墙身材料墙背土岩块及粗粒土

3、细粒土混凝土、钢筋混凝土石砌体第二破裂面土体注：为土的内摩擦角，为土的综合内摩擦角。1-2-2 土与墙背间的摩擦角 （设计规范-铁 p9）墙身材料墙背土巨粒土及粗粒土细粒土（有机土除外）混凝土或片石混凝土第二破裂面或假想墙背土体注：1 为土的内摩擦角，为土的综合内摩擦角； 2 当按表计算30时，采用=30。表1-3-1 基底摩擦系数 （设计手册-铁 p342）地基土的分类摩擦系数软塑粘土0.25硬塑粘土0.30砂粘土、粘砂土、半干硬的粘土0.300.40砂类土0.40碎石类土0.50软质岩0.400.60硬质岩0.600.70表1-3-2 基底与地基间的摩擦系数 （设计规范-铁 p10）地基类

4、别摩擦系数硬塑粘土0.250.30粉质黏土、粉土、半干硬的黏土0.300.40砂类土0.300.40碎石类土0.400.50软质岩0.400.60硬质岩0.600.70五、荷载1、铁路荷载表1-4-1 荷 载 分 类 (设计规范-铁 p7)荷载分类荷载名称主力墙背岩土主动土压力墙身重力及位于挡土墙顶面上的恒载轨道及列车荷载产生的土压力、离心力、摇摆力基底的法向反力及摩擦力常水位时静水压力和浮力附加力设计水位的静水压力和浮力水位退落时的动水压力波浪压力冻胀力和冰压力特殊力地震力施工及临时荷载其他特殊力 作用在挡土墙上的力应按上表所列荷载进行组合。2、公路荷载表1-4-2 荷 载 分 类 (设计规

5、范-公 p30)作用（或荷载）分类作用（或荷载）名称永久作用（或荷载）挡土墙结构重力填土（包括基础襟边以上土）重力填土侧压力墙顶上的有效永久荷载墙顶与第二破裂面之间的有效荷载可变作用（或荷载）基本可变作用（或荷载）车辆荷载引起的土侧压力人群荷载、人群荷载引起的土侧压力施工荷载与各类型挡土墙施工有关的临时荷载偶然作用（或荷载）地震作用力滑坡、泥石流作用力作用于墙顶护栏上的车辆碰撞力挡土墙设计时，应相应于各种设计状态，对可能同时出现的作用(或荷载)，取其最不利情况，选择表1-5所列组合。表1-5 常规荷载组合表 (设计规范-公 p31)组合作用（或荷载）名称挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、填

6、土重力、填土侧压力及其他永久作用(或荷载)相组合组合i与基本可变作用(或荷载)相组合组合与其他可变作用(或荷载)相组合公路工程结构可靠度设计统一标准（gb/t 50283-99）规定：工程结构的承载能力极限状态设计，应根据各自的特点，在基本组合、偶然组合中考虑一种或两种效应组合。其中第类作用组合适用于一般路肩挡土墙设计。六、土压力 1、一般情况下砂性土的土压力1.1、铁路荷载作用下主动土压力计算1.1.1、荷载产生的土压力：(铁路路基支挡结构设计规范p21)铁路路肩式挡土墙，轨道及列车荷载在立壁上产生的侧向压应力和踵板上产生的竖向压应力，可按弹性理论计算。公路汽车荷载可按等效的均布荷载计算。

7、1)、荷载产生的水平土压应力 按下列公式计算：式中：荷载产生的水平土压应力（kpa）； 荷载内边缘至面板的距离（m）； 墙背距路肩的垂直距离（m）； 荷载换算土柱高（m）； 荷载换算宽度（m）。、通过对立臂土压力各式积分得荷载在立臂墙各点的剪力：、通过对荷载在立臂墙各点的剪力积分得相应的弯矩： 2)、踵板上荷载产生的竖向土压力按下列公式计算： 式中：荷载在踵板上产生的垂直压应力（kpa）； 计算点至荷载中线的距离（m）； 悬臂板的高度。、通过对踵板上土压力各式积分得相应的剪力：式中：踵板端部距荷载中线的距离（m）、通过对墙踵板处各点剪力积分得相应的弯矩： 式中：踵板端部距荷载中线的距离（m）1

8、.1.2、填料产生的土压力：填料产生的土压力按库仑理论计算时，按第二破裂面计算。当第二破裂面不能形成时，用墙踵下缘与墙顶内缘的连线作为假想墙背进行计算。计算挡土墙实际墙背和墙踵板的土压力时，未计填料与板的摩擦力。1)、库仑土压力计算：(铁路工程设计技术手册（路基）p351 表23-9-11) ； ； b=b1+b2+b3备注：破裂角的计算公式中项，当或90 时，取负号。 图1-1库伦理论计算模式 （ ）2）第二破裂面理论计算：(铁路工程设计技术手册（路基）p356 表23-10-1)当时，会出现第二破裂面。（为临界倾斜角，） ； b=b1+b2+b3图1-2 第二破裂面理论计算模式式中：ea作

9、用于挡土墙墙背上的主动土压力（kn）； 土压力作用点至所计算土层底边的竖直距离（m）；土压力作用点至所计算土层底边的水平距离（m）；主动土压力系数； 墙后填料的重度（kn/m）； 墙后砂性填料的内摩擦角（）； 过墙背顶点的竖直面与假想墙背的夹角；1.2、公路荷载作用下主动土压力计算1.2.1、库仑土压力计算 （公路挡土墙设计与施工技术细则p122） 破裂面交于附加均布荷载之内的路肩式挡土墙，其主动土压力可按下列公式计算： 图1-3库伦理论计算模式 （ ） , ；b=b1+b2+b3备注：破裂角计算公式中的项，90时，取负号。式中：e作用于挡土墙墙背上的主动土压力（kn）； 土压力作用点至所计算

10、土层底边的竖直距离（m）；土压力作用点至所计算土层底边的水平距离（m）；主动土压力系数； 墙后填料的重度（kn/m）； 附加均布荷载的换算土层厚度（m）； 墙后砂性填料的内摩擦角（）； 过墙背顶点的竖直面与假想墙背的夹角； 当为黏性土填料时，可用综合内摩擦角替代上式中的内摩擦角，进行计算。1.2.2、第二破裂面理论计算（公路挡土墙设计与施工技术细则p126）当时，会出现第二破裂面。（为临界倾斜角，）路肩式挡土墙的第一破裂面、第二破裂面均交于附加荷载之内时，按下列公式计算土压力：图1-4 第二破裂面理论计算模式1-第一破裂面；2-第二破裂面；3-假想墙背 ； ；b=b1+b2+b3式中：作用于挡

11、土墙墙背上的主动土压力（kn）； 土压力作用点至所计算土层底边的竖直距离（m）；土压力作用点至所计算土层底边的水平距离（m）；主动土压力系数； 墙后填料的重度（kn/m） 附加均布荷载的换算土层厚度（m）； 墙后砂性填料的内摩擦角（）。1.3、挡墙内力 1）立臂内力式中：距墙z处立臂的剪力； 距墙顶z处立臂的弯矩；z计算截面距墙顶距离； 列车、汽车等活载换算土柱高度；填料重度； 主动土压力系数，详见相关土压力计算章节；2）踵板内力 式中：-每延米墙趾板距墙趾端部为 -计算截面到墙趾板端部的距离； -墙趾板的平均厚度；-钢筋砼重度； -填料重度；h- 墙趾板埋置深度；3）趾板内力 式中：每延米墙

12、趾板距墙趾端部剪力和弯矩计算截面到墙趾板端部的距离； 墙趾板的平均厚度；钢筋砼重度； 填料重度；h 墙趾板埋置深度； -墙趾板厚度；h-墙趾板埋深； -分别为墙趾、墙踵处地基压力，具体计算详见基地压力章节；2、粘性土的综合内摩擦角当墙后填土为粘性土时，由于粘聚力的存在，对土压力值有很大的影响，因此在计算中必须考虑粘聚力的影响。系统给出了一种考虑粘聚力影响的方法。目前，由于粘聚力的数值难于恰当地确定，同时又缺乏按粘性土计算方法设计挡土墙的实践经验，通常都采用换算内摩擦角的方法来计算粘性土的主动土压力。也就是将摩擦角的数值增大，把粘聚力的影响考虑在内摩擦角的这一参数中，然后按砂性土的公式计算主动土

13、压力。1、按土体抗剪强度相等原则：（铁路工程设计手册（路基）p417）2、按土压力相等原则：（铁路工程设计手册(路基)p417）3、堤防规范中提供的换算内摩擦角的公式：（堤防工程设计规范98-p37） 式中：内摩擦角（）；d换算内摩擦角（）；墙后填土容重（kn/m3）；c粘聚力（kpa）； h墙身高度（m）；备注：推荐使用土压力抗剪强度相等和土压力相等两个公式。3、地震土压力（铁路工程抗震设计规范第3.1.4条）库伦土压力在地震工况下使用时应对其土的内擦角、综合内摩擦角、墙背摩擦角和重度进行修正，修正公式如下： ag地震角 0.1g、0.15g0.2g0.3g0.4g水上水下表1-6 地震角

14、（铁路工程抗震设计规范gb50111-2006）； 修正后的内摩擦角；修正后的综合内摩擦角；修正后的土与墙背间的摩擦角；修正后的土容重；七、墙身截面尺寸的拟定根据构造要求，参考以往成功的设计，初步拟定出试算的墙身截面尺寸，墙高是根据工程需要确定；墙顶宽可选用20cm。墙背取竖直面，墙面取1：0.021:0.05斜坡的倾斜面，因而定出立壁的截面尺寸。底板在于立壁相接处厚度为1/121/10h，而墙趾板与墙踵板端部厚度不小于30cm；其宽度可近似取0.60.8h，当地下水位高或软弱地基时，b值应增大。1、墙踵板长度的估算一般情况下 有凸榫时 图1-5 墙踵板长度计算模式路肩墙，墙顶有均布荷载h0、

15、立壁面坡为零时，如果墙面有坡度，上式中应该加上修正长度,其计算式如下：以上各式中：滑动稳定系数； 基底摩擦系数；填土重度； 活荷载的换算土层高； 主动土压力水平分力； 作用于基底上的总垂直力（kn）； 重度修正系数，由于未考虑趾板及其上部土重对抗滑动的作用，因而将土的重度根据不同的和提高3%20%，见下表：表1-7 重度修正系数 新型支挡结构设计与工程实例p83重度（kn/m）摩擦系数f0.300.350.400.450.500.600.700.841161.071.081.091.101.121.131.151.171.20181.051.061.071.081.091.111.121.14

16、1.16201.031.041.041.051.061.071.081.101.122、墙趾板长度的估算式中：=；=h；如果由b=+计算出的基底应力，或偏心距e时，应采取加宽基础的方法加大，使其满足要求八、外部稳定性验算趾板重力：趾板稳定力矩：立臂重力：立臂稳定力矩：踵板重力：踵板稳定力矩：墙后填土自重： 墙后填土稳定力矩： 式中：砼重度；底板厚度； 1、抗滑稳定性检算1.1抗滑稳定系数 (公路挡土墙设计与施工细则 p27)作用（或荷载）组合、： ；作用（或荷载）组合： ； 底板设凸榫时：滑动稳定系数； 基底摩擦系数；作用于基底上的总垂直力（kn）；墙身自重、墙踵板以上第二破裂面（或假想墙背）

17、与墙背之间的土体（包括列车荷载）的重量和土压力的竖向分量之和（kn）。墙趾板以上的土体重量通常忽略不计。主动土压力的水平分量（kn）被动土压力的水平分量（kn）备注：本项目中一般地区墙前被动土压力可忽略不计，对于特殊地区的深埋基础或矮挡墙须考虑墙前被动土压力。1.2滑动稳定方程：(公路挡土墙设计与施工细则 p27)作用于基底以上的重力（kn）； 墙后主动土压力的竖向分量（kn）；墙后主动土压力的水平（kn）； -基底倾角；主动、被动土压力分项系数，按公路路基设计规范表5.4.2-5选用。基底与地基间的摩擦系数，当缺乏可靠试验资料时，可按表1-3的规定选用。被动土压力的水平分量（kn）； 备注：

18、本项目中一般地区墙前被动土压力可忽略不计，对于特殊地区的深埋基础或矮挡墙须考虑墙前被动土压力。2、抗倾覆稳定性检算作用（或荷载）组合、： ；作用（或荷载）组合： ； 1.1抗倾覆稳定系数(公路挡土墙设计与施工细则 p27)（不考虑车辆碰撞力）（考虑车辆碰撞力）-作用于基底上总竖直力，当浸水时除墙身所受浮力；-墙后主动土压力水平分力合力； -墙后被动土压力水平分力合力；-基底摩擦系数； -车辆碰撞力距墙趾的竖直距离；-墙顶所受车辆在水平方向每延米的荷载；-主动、被动土压力分项系数，按公路路基设计规范表5.4.2-5选用，当时，按不利作用取，当时，按有利作用取。车辆荷载：公路项目中的抗倾覆计算过程

19、中考虑墙顶护栏上的车辆碰撞力，每幅挡土墙（按10m长）只计算一辆车的碰撞力，据公路交通安全设施设计规范jtgd81-2006桥梁护栏取防撞等级为sb,碰撞力按集中荷载考虑，大小为300kn,碰撞角20，碰撞点距离墙顶为0.8m。备注：本项目中一般地区墙前被动土压力可忽略不计，对于特殊地区的深埋基础或矮挡墙须考虑墙前被动土压力。在公式计算中公路项目需考虑车辆碰撞力，铁路项目中不考虑。1.2倾覆稳定方程：（公路路基设计规范p36）墙身重力、基础重力、基础上填土的重量及作用于墙顶的其他荷载的竖向力合力重心到墙趾的距离（m）；作用于基底上总竖直力，当浸水时除墙身所受浮力（kn）；墙后主动土压力的竖向分

20、量到墙趾的距离（m）；墙后主动土压力的水平分量到墙趾的距离（m）；墙前被动土压力的水平分量到墙趾的距离（m）；主动土压力分项系数，按公路路基设计规范表5.4.2-5选用。当时，按不利作用取，当时，按有利作用取。备注：本项目中一般地区墙前被动土压力可忽略不计，对于特殊地区的深埋基础或矮挡墙须考虑墙前被动土压力。3、挡土墙基底合力偏心距e（铁路路基支挡结构设计规范p11）基底合力的偏心距（m），土质地基不应大于b/6，岩石地基不应大于b/4；基底宽度（m）； 作用于基底上的垂直分力对墙趾的立臂（m）；作用于基底上的总垂直力（kn）；倾覆力矩总和 （kn,m）抗倾覆力矩总和（kn,m）4、基底压应力

21、 （铁路路基支挡结构设计规范p11）当时，当时， 当时， 挡土墙趾部的压应力（kpa）； 挡土墙踵部的压应力（kpa）；作用于基底上的总垂直力（kn）；基底的容许承载力；基底压力最大值；经基础埋深修正后的地基承载力（kpa）；一般情况下=，但当基础埋深较深时须进行深度修正，可不考虑宽度修正。地基承载力提高系数，一般情况=1.0，当有地震作用时可按表1-8执行表1-8 地基承载力提高系数 (公路挡土墙设计与施工细则 p26)作用（或荷载）事情情况提高系数组合、1.00组合1.25经多年压实未受破坏的旧基础1.5九、凸榫设计（新型支挡结构设计与工程实例p8687页）图1-6 凸榫基础在墙身底部设置

22、凸榫基础，是增加挡土墙抗滑稳定的一种方法。1、凸榫位置为使榫前被动土压力能够完全形成，墙背主动土压力不致因设置凸榫而增大，必须将整个凸榫置于过墙趾与水平成45-角线及通过墙踵与水平成角的直线所包围的三角形范围内。因此，凸榫位置，高度和宽度必须符合下列要求：凸榫前侧距墙趾的最小距离2、凸榫高度 式中：墙趾、墙踵及凸榫前缘处基底的压应力。3凸榫宽度 式中：混凝土受弯构件的强度设计安全系数，取2.65； 凸榫所承受的总弯矩； 混凝土抗拉设计强度；截面抵抗矩塑性影响系数基本值，取1.55。十、墙身钢筋混凝土配筋设计及构造措施整理完善中,后续补充。（一）极限状态设计法钢筋混凝土结构在设计时，对不同的作用

23、采用不同的代表值，对于永久作用应采用标准值作为代表值；对于可变作用应根据不同的极限状态分别采用标准值、频遇值或准永久值作为其代表值。对于偶然作用取其标准值作为代表值。承载能力极限状态设计及按弹性阶段计算结构强度时应采用标准值作为可变作用的代表值。正常使用极限状态按短期效应(频遇)组合设计时，应采用频遇值作为可变作用的代表值；按长期效应(准永久)组合设计时，应采用准永久值作为可变作用的代表值。对作用的代表值按下列规定取用： 永久作用的标准值，对结构自重(包括结构附加重力)，可按结构构件的设计尺寸与材料的重力密度计算确定。 可变作用的标准值应按本项目有关章节中的规定采用。 可变作用频遇值为可变作用

24、标准值乘以频遇值系数。可变作用准永久值为可变作用标准值乘以准永久值系数。 偶然作用应根据调查、试验资料，结合工程经验确定其标准值。 作用的设计值规定为作用的标准值乘以相应的作用分项系数1）本项目挡土墙墙身钢筋混凝土设计采用承载力极限状态设计方法，结构抗力设计值大于或等于计入结构重要性系数的作用（或荷载）效应组合设计值，其一般表达式为： （建筑结构荷载规范）-结构重要性系数，按表1-9选用；-作用（或荷载）效应的组合设计值；-支挡结构抗力函数；表1-9 结构重要性系数 (设计规范-公 p30)墙高公路等级高速公路、一级公路二级公路以下公路5m1.000.955m1.051.00承载力极限状态设计

25、时应采用以下两种组合：基本组合：永久作用的设计值效应与可变作用设计值效应相组合，其效应组合表达式为： 永久作用设计值效应：可变荷载作用设计值效应： 式中：承载能力极限状态下作用基本组合的效应组合设计值；永久作用效应的分项系数，铁路取1.65，公路应按表 1-8 的规定采用；第i个可变荷载分项系数，其中为第一个可变荷载分项系数，铁路取1.65，公路应按表1-7的规定采用；按永久荷载标准值计算的荷载效应值； 按可变荷载标准值计算的荷载效应值，其中为诸可变荷载效应中起控制作用者；可变荷载的组合系数，当永久作用与汽车荷载和人群荷载(或其他一种可变作用)组合时，人群荷载(或其他一种可变作用)的组合系数取

26、0.80 ；当除汽车荷载(含汽车冲击力、离心力)外尚有两种其他可变作用参与组合时，其组合系数取0.70 ；尚有三种可变作用参与组合时，其组合系数取0.60 ；尚有四种及多于四种的可变作用参与组合时，取0.50 。挡土墙设计时，应相应于各种设计状态，对可能同时出现的作用(或荷载)，取其最不利情况，选择表1-10所列组合。表1-10 常规荷载组合表 (设计规范-公 p31)组合作用（或荷载）名称挡土墙结构重力、墙顶上的有效永久荷载、填土重力、填土侧压力及其他永久作用(或荷载)相组合组合i与基本可变作用(或荷载)相组合组合与其他可变作用(或荷载)相组合公路工程结构可靠度设计统一标准（gb/t 50283-99）规定：工程结构的承载能力极限状态设计，应根据各自的特点，在基本组合、偶然组合中考虑一种或两种效应组合。其中第类作用组合适用于一般路肩挡土墙设计。公路挡土墙在采用极限状态设计方