支挡结构讲义ppt课件.ppt

主讲：刘昌清电话：,铁路路基支挡结构,参考资料李海光：新型支挡结构设计与 工程实例易思蓉：铁道工程,铁路路基支挡结构,第一章 前言,铁路组成：线路工程（线路、路基、轨道、桥梁、隧道）车站（车站、编组站、车辆维修段）机车（牵引动力、机车车辆）,第一章 前言,铁路路基：路基本体（路堤、路堑）路基防护和加固建筑物路基排水设施路基基础（地基处理）,支挡结构是用来支撑陡坡以保持土体稳定性的一种建筑物。支挡结构包括重力式支挡结构、轻型支挡结构和抗滑支挡结构等几种形式。在土木工程中，支挡结构的应用是十分广泛。,第一章 前言,第一章 前言,土压力是作用在支挡结构上的主要力系。正确求解作用在墙背上的土压力(包括土压力的大小、方向与压力分布规律)是支挡结构设计的关键。,第一章 前言,支挡结构的设计应保证支挡结构具有足够的强度和稳定性。即应当保证：在结构自重和外力作用下保证结构的外部稳定性（整体稳定性）和内部稳定性（自身稳定性）如对于重力式挡土墙：不发生全墙的滑动和倾覆，并保证墙身每一截面和基底应力与偏心距均不超过容许值。,第一章 前言,一、支挡结构的作用（1）当山区地面横坡过陡时，常在路基下侧边坡设置挡土墙，或在靠山侧设置路堑挡土墙以降低路堑高度，这样可以减少土石方工程数量同时避免由于破坏天然植而引起灾害；（2）在平原地区，为了节约用地，往往也在路基一侧或两设置挡土墙；,第一章 前言,一、支挡结构的作用（3）在滨河地段或有建筑物时，修建挡土墙可以收回坡脚，以避免冲刷威协或避开建筑物；（4）当高路堤、深路堑土石方大、取弃土困难时，也可设置挡土墙以减小土石方数量；（5）挡土墙还经常用来整治崩坍、滑坡等路基病害。,第一章 前言,一、支挡结构的作用 在考虑设置支挡结构时，应与其他建筑物（如桥梁、隧道或明洞等）进行方案比较，在技术经济合理时，才考虑采用支挡结构方案。,第一章 前言,二、支挡结构的分类（1）按结构形式分类 重力式支挡结构 轻型支挡结构,第一章 前言,二、支挡结构的分类重力式支挡结构：这种支挡结构在土压力的作用下的稳定性主要靠结构的自重及墙顶的恒载来维持。又分为重力式挡土墙和衡重式挡土墙两种。,重力式和衡重式挡土墙,第一章 前言,第一章 前言,轻（新）型支挡结构：采用钢筋混凝土构件组成的轻型挡土墙。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卸荷板式挡土墙,第一章 前言,轻（新）型支挡结构轻型支挡结构的特点圬工省造价低便于拼装化施工,第一章 前言,二、支挡结构的分类（2）根据建筑材料的不同分类石砌挡土墙混凝土挡土墙钢筋混凝土挡土墙,第一章 前言,二、支挡结构的分类（3）根据墙背的倾斜方向分类俯斜式挡土墙仰斜式挡土墙垂直挡土墙,第一章 前言,二、支挡结构的分类（4）根据在路基横断面上的位置路肩式挡土墙路堤式挡土墙路堑式挡土墙,第一章 前言,二、支挡结构的分类（5）其他形式抗滑挡土墙车站内的站台墙拦石等,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造1 墙身构造重力式挡土墙由墙身、基础和墙帽三部分组成,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造墙胸坡度对墙高的影响,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造沉降缝与伸缩缝为避免因地基不均匀沉陷而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变异和墙高、墙身断面的变化设置沉降缝。为了防止圬工砌体因收缩硬化和温度变化而产生裂缝，应设置伸缩缝，一般在设计时将沉降缝和伸收缝合并设置。,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造沉降缝与伸缩缝,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造2排水措施 挡土墙排水措施的作用在于疏干墙后土体和防止地表水下渗后积水。排水措施包括： （1）设置地面排水沟，截引地表水； （2）夯实回填土顶面和地表松土，防止雨水和地面水下渗，必要时可加设铺砌； （3）设置一排或数排泄水孔,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造泄水孔 泄水孔的尺寸一般为0.05m0.10m、0.10m0.10m、0.15m0.20m的方孔或直径为0.05m0.10m的圆孔。孔眼间距一般为2m3m，上下左右交错设置。最下一排泄水孔应高出地面；如为路堑挡土墙，应高出侧沟内的水位0.30m；浸水挡土墙则应高出常水位0.3m。,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造反滤层若墙后填料的透水性不良，为了防止孔道淤塞，应在最低一排泄水孔至墙顶以下0.5m高度以内，填筑不小于0.3m厚的砂砾石或无砂混凝土块板或土工织物作反滤层。,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造泄水孔与反滤层,第一章 前言,三、重力式挡土墙的构造3基础埋置深度,墙趾埋入斜坡地面的最小尺寸（m）,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,经典土压力理论库伦土压力理论及其在铁路挡土墙中的应用大俯斜墙背的主动土压力第二破裂面法折线型墙背土压力计算粘性土土压力计算土压力计算中存在的问题,一、经典土压力理论概论土压力，是土体作用在支挡建筑物上的侧压力的简称。支挡建筑物设计的关键是土压力的计算，包括土压力的大小、方向与压力分布规律等。土压力的计算是一个十分复杂的问题。它涉及到填料、墙身以及地基三者之间的共同作用。土压力不仅与墙身的几何尺寸、墙背的粗糙度以及填土的物理、力学性质、填土的顶面形状和顶部的外荷载有关，而且还与墙及地基的刚度、墙后填土的施工方法有关。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论概论土压力的计算方法1733年：法国库伦（C.A.Coulomb）提出的库伦理论1857年：英国朗金（W.J.Rankine）提出的朗金理论。这两种理论均基于土体的极限平衡条件来确定土压力，计算较为简单，并能在一定范围内求得较为符合实际的结果。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论概论由于经典土压力理论未涉及土体本身的应力应变关系，因而无法计算出结构的变形情况，同时由于它们均以松散介质为假定前提，在应用到粘性填土上时，虽然后人进行了若干修正和补充，到目前仍未得到很满意的解答。而对于轻型结构，由于墙型的特点，其受力状态不能完全用主动极限状态或被动极限状态来描述，因而计算方法比较混乱。土压力计算方法的研究，仍然是当前迫切需要解决的问题之一。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论（一）极限平衡理论土压力的大小与墙身位移的方向和大小有关，一般变化于两个极限值之间。古典的土压力理论，主要是研究三个限界土压力，即静止土压力，主动土压力，被动土压力。后两种土压力是极限状态下的土压力。,一、经典土压力理论土压力与墙身位移的关系,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论1静止土压力E0 原状的天然土体中，土体处于静止的弹性平衡状态，这时的土压力为静止土压力。在无侧向变形的弹性平衡半无限体中，如果顶面为水平，则任一水平面和铅垂面均为主平面。如铅垂面的一侧为支挡建筑物,则这个铅垂墙面并不改变半无限体的应力状态。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论在任一深度h处，土的铅垂方向：水平侧压力： 式中： 静止侧压力系数； 侧向膨胀系数或泊松比； 填土容重，kN/m3。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论静止侧压力系数由试验得到。但目前试验测定 的设备和方法都还不够完善，所得结果还不能令人满意。许多学者用一些半经验公式来近似地计算静止侧压力系数，但均有其局限性，目前在设计中一般采用雅基（Jaky）公式，即,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论2主动土压力当挡土墙在侧压力作用下，向离开土体方向产生一个微小的位移（平移或转动），土体出现向下向外滑动的趋势，土体及墙背逐渐增大的抗剪力抵抗这一滑动的产生，土体侧压力逐渐减小。当位移达到某一数值，土的抗剪强度完全发挥，土体中即将出现滑动面，土压力减小到最小值，土体便处于极限平衡状态，称为主动极限平衡状态，其土压力称为主动土压力 。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论3.被动土压力当挡土墙受外力作用挤向土体方向产生一个位移（平移或转动），土体出现向上向内滑动的趋势，同样土体及墙背逐渐增大的抗剪力阻止这一滑动的产生土体侧压力逐渐增大，当位移增大到某一数值，土的抗剪强度完全发挥，土体中即将出现滑动面，土压力增大到最大值，土体便处于被动极限平衡状态，其土压力称为被动土压力 。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论 由于墙身位移不同的影响，土体的应力应变状态不同，使土压力的大小和方向产生变化。主动土压力是最小极限值，而被动土压力是最大极限值，静止土压力介于两者之间，即 。 支挡结构中，可以按照上述概念，依据外力作用下可能出现的位移情况来判断所产生的土压力属于那一种。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论多数结构可用上述三种限界土压力来进行计算。如重力式挡土墙，墙身有被土体向外挤动的可能，墙背承受的是主动土压力，一般桥台亦是如此。隧道、地下洞室、涵洞等的侧墙不会产生位移的建筑物，承受的是静止土压力。拱桥桥台，挡土墙趾前部，由于系挤压土体，承受的则是被动土压力。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论在实际工程设计中，由于以不同的方式考虑了一定的安全系数，因此，墙后土体实际上是不会达到主动极限状态的，墙背实际承受的土压力并不是主动土压力，而是介于主动土压力和静止土压力之间的某一数值，但这并不影响以主动土压力作为设计挡土墙荷载的合理性，因为挡土墙稳定破坏前，墙身必定产生相当的位移，此时墙后土体的应力状态趋近于主动极限状态。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论,一些轻型支挡结构，如加筋土挡土墙、锚杆挡土墙、对拉挡土墙等的墙面系与其后填料之间，以及衡重式挡土墙上墙墙背与填料之间，它们的相对位移均很微小，始终不可能达到极限状态所需的位移，因此，其土压力较主动土压力大，即为介于主动土压力与静止土压力之间的某一土压力值，因而采用主动极限状态时的主动土压力是不合适的。这可从大量的试验和现场实测资料中得到证明。这类土压力的计算方法是当前急需解决的问题，因为它的大小与位移有直接的关系，而经典理论是无法通过产生的位移量来计算土压力的，目前许多人都在研究这一课题。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论除采用一些经验方法外，目前较多的是采用有限元法来计算，从所取得研究成果来看，有限元方法不失为一种好的方法。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算,一、经典土压力理论根据研究途径的不同，有关极限平衡状态下的土压力理论，可以分成两类：（1）库伦理论（2）朗金理论,第二章 支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论,（1）库伦理论：假定破裂面形状，依据极限状态下破裂棱体的静力平衡条件来确定土压力，这是研究土压力的一种简化理论，计算简便，能适用于各种复杂的边界条件，而且在一定的范围内能得出比较满意的解答，因此应用很广泛。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算一、经典土压力理论,（2）朗金理论：假定土为松散介质，依据土中一点的极限平衡条件确定土压力强度和破裂面方向。朗金理论较为严谨，但它只能考虑比较简单的边界条件，在应用上受到很大限制。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,1库伦土压力理论的基本假定 （1）墙后填料系粗粒土；（2）当墙产生微小位移（移动或转动）时，墙后土体中形成破裂棱体，并沿墙背和土中出现的破裂面滑动，土中的破裂面为一平面；（3）墙身及破裂棱体均视为刚体，在外力作用下无压缩或膨胀变形；（4）土压力的方向，与墙背法向成角（墙背与填土间的摩擦角），破裂面反力R与破裂面法线成角，并均偏向阻止棱体滑动的一侧。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,2库伦主动土压力公式,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,根据上述假定，将破裂棱体作为分离体，棱体上作用三个力 Ea ，G，R及作用方向如图，当棱体为刚体并处于极限平衡状态时， 三个力用静力平衡的三角形表示。从力多边形中，按正弦定律可得,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,由于破裂角是未知的，根据假定的破裂面的位置不同，W和 都将随之改变，因此 是的函数，当=时，破裂面与墙背重合，W=0， =0；当时，R与W重合， =0；当时，如逐渐增加，由零逐渐增大，当等于某一定值时，达最大值，而后又减小，直至 时为零。 的最大值即为主动土压力，欲求其最大值，可令,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,根据不同边界条件，可求出 不同情况下主动土压力的表达式。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,作用在墙背的土压力大小除了与墙后填土有关外，还与墙背摩擦角和墙背的形状有关。墙背摩擦角是填料的物理力学性质指标，随墙背的粗糙度和排水条件不同而不同，它的大小直接影响到土压力的大小和方向。一般情况下，土压力随墙背摩擦角的增大而减小。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算二、库伦土压力理论,按库伦公式计算土压力，墙背倾斜度较大，其它条件相同时，仰斜较俯斜小，而后仰愈大，土压力愈小；比较结果表明，在有横向坡度的地方修建挡土墙，虽然后仰增加了墙高，但还是较为经济，我国铁路重力式挡土墙标准图均是后仰，一般采用1:0.25的坡度。但须注意，如果后仰度过大，将产生按库伦公式计算的土压力与墙背实际所承受的土压力偏差较大的结果，造成墙身的不安全；另外后仰度过大，墙身重心后移，墙身重心超出墙踵，墙不能自立，形成负偏心过大，墙踵应力超过允许承载力现象。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,如果挡土墙墙后边界条件较简单，墙后土体为一平面时，如图则库伦主动土压力 的表达式为：,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,当填土为水平，即i=0，墙背垂直，即=0，墙背光滑，即=0时，则库伦土压力公式为： 它与朗金公式完全相同。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,在铁路或道路工程中，挡土墙墙后填土表面有时不是平面，而是在路基面上作用有列车或汽车荷载，这时可根据库伦理论，建立各种不同情况下的库伦主动土压力公式。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,其土压力的一般表达式为：其中：式中=+,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,设计中常常用到水平土压力和垂直土压力,第二章 支挡结构设计中的土压力计算三、库伦土压力公式在铁路挡土墙中的应用,土压力的作用点位置，可由墙背上的侧压力应力分布图形的形心来求得。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算四、大俯斜墙背的主动土压力第二破裂面法,在挡土墙设计中，常常遇到墙背俯斜很缓，即墙背倾角比较大的情况。如衡重式挡土墙的上墙（见下页图），边线AC称为假想墙背，该倾角一般比较大。挡墙身向外移动，土体达到主动极限平衡状态时，破裂棱体并不是沿墙背滑动，而是沿着出现在土中的相交于墙踵的两个破裂面滑动。远墙的破裂面CF称为第一破裂面，而近墙的破裂面CD则称为第二破裂面。此时用库伦理论的一般公式来计算土压力是不适用的。在这种情况下，应按破裂面出现的位置，来求算土压力。在工程实际中，常把出现第二破裂面时计算土压力的方法称为第二破裂面法,第二章 支挡结构设计中的土压力计算四、大俯斜墙背的主动土压力第二破裂面法,第二破裂面的形成条件与出现朗金状态的条件是一致的，即当墙背不妨碍二破裂面的形成以及二破裂面与墙背之间的破裂棱体不沿墙背下滑而与墙背一起移动时，则将出现朗金状态，即在墙背至第一破裂面之间存在一个第二破裂面。用库伦理论的方法求算第二破裂面时，第二破裂面上的摩擦角等于土的内摩擦角。作用在第二破裂面上的土压力Ea1可用试算法得到。,衡重式挡墙上墙,第二章 支挡结构设计中的土压力计算四、大俯斜墙背的主动土压力第二破裂面法,由于破裂棱体有两组破裂面，即有近墙与远墙的两个破裂角i与i，按照库伦理论，每一近墙试算面上的Ea1 是i与i的函数，即：,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算,为了适应山区的地形特点和工程需要，常采用凸形墙背的挡土墙或具有衡重台的衡重式挡土墙。这类挡土墙的墙背不是一个平面，而是折面，称为折线型墙背。对于这类墙背，常以墙背转折点或衡重台为界，分为上墙或下墙,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算,由于库伦理论仅适用于直线墙背。当墙背有转折时，不能直接用库伦理论求算全墙的土压力。这时应将上墙和下墙看作独立的墙背，分别按库伦理论计算主动土压力，然后取两者的矢量和作为全墙的土压力。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算,对于折线形墙的上墙，可作为独立墙背来分析其土压力，而不考虑下墙的存在。上墙土压力的计算，采用一般的库伦理论公式。当上墙墙背（或假想墙背）俯角较大时，采用第二破裂面法。对于折线形墙的下墙，其土压力的计算主要有延长墙背法和力多边形法两种。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算延长墙背法,如图所示，AB为上墙，BC为下墙。先将上墙视为单独的墙，用一般的方法求出主动土压力Ea1，压力分布图形为abc。计算下墙土压力时，首先延长下墙墙背CB，交地面线于D点。以BD作为假想墙背，用一般方法求算假想墙背的土压力，其压力分布图形为def，截取其中与下墙相应的部分，即befg，其合力为下墙主动土压力Ea2。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算力多边形法,计算折线形墙背下墙土压力的力多边形法是依据极限平衡条件下破裂棱体的实际力多边形来推求下墙土压力的。它不借助于任何假想墙背，消除了延长墙背法中存在的两种误差，因而更能反映折线型墙背的实际情况。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算五、折线型墙背土压力计算力多边形法,力多边形法的特点是考虑了上墙土压力对下墙土压力的影响,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,在工程实践中，根据就地取材的原则，挡土墙墙后填料，我国不采用远运粗粒土，而是就近取土填筑，因此填料均或多或少地具有粘聚力。而库伦理论和朗金理论中其基本假定都将填料视为粗粒土，因此计算结果与实际有出入，有时甚至出入很大。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,目前在设计中常用的方法是用综合内摩擦角 代替抗剪强度中的内摩擦角和粘聚力c。如考虑一般的稳定边坡为1:1.5，相当于边坡与水平面的稳定角为3341，故综合内摩擦角选用3335之间。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,但是，墙背的单位压力强度，在不同的填土高度下，虽然法向应力不同，但粘聚力是不变的，而由内摩擦角引起的摩擦力，则随法向应力的增高（填土高度增加）而加大。因此，采用综合内摩擦角 3335，对于墙高为68m时是合适的，但用此值计算高墙或低墙时，其土压力会出现低墙偏大，高墙偏小的现象，依据它所设计出的挡土墙截面会出现低墙保守，高墙危险的问题。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,注意到这个问题，故采用综合内摩擦角随墙高变化的方法，铁路部门有关挡土墙设计规范规定：墙高6m =3540墙高6m =3035值得注意的是，这里的综合内摩擦角的变化只与墙高有关，而未考虑填土的高度。事实上，填土的综合内摩擦角不仅与挡土墙墙高有关，而且还与墙后填土的高度有关，而且即使墙高相同，路堑墙与路堤墙两者由于墙后填土的状况不同，其综合内摩擦角也是有区别的。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,另外，当墙高大于15m时，试验表明，即使采用综合内摩擦角 =30，仍然偏大，虽然设计者可根据经验考虑增大所要求的KC、K0值，但在基底应力、偏心距和墙身截面检算中仍然存在问题。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,考虑粘聚力的粘性土土压力的计算公式,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,对于高度较大的挡土墙，如挡土墙墙后填土为粘性土，最好通过试验确定其抗剪强度指标c、，采用考虑粘聚力的库伦公式进行土压力的计算。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算六、粘性土土压力计算,如仍采用综合内摩擦角方法，由于对于高墙是偏于危险的，这时可根据具体情况采用下面的方法加以处理：（1）适当增大挡土墙的稳定系数（2）根据抗剪强度指标和墙高，按土压力相等的原则或抗剪强度相等的原则换算综合内摩擦角 。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,常规铁路挡土墙土压力计算中，将列车荷载换算成土柱，用静力的方法按库伦公式计算。随着列车速度的提高和轴重的增加，列车的动力作用明显增大，按库伦公式计算出的土压力不能完全反映挡土墙受力的真实情况，主要反映在：,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,（1）在高速和重载铁路中，动荷载产生土压力比按拟静态法计算的大；（2）动荷载的作用方式与库伦理论有差异，特别是对矮墙，按库伦公式计算列车荷载对其无影响或影响很小，与实际情况有出入。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,处理方法德国铁路：支挡结构距轨枕之间的最小距离为2.5m，动应力的影响较小，结构相对安全。日本铁路：挡土墙在计算上负荷载（轨道、列车等荷载）时，根据支挡结构距离列车荷载的远近来确定荷载的计算方式。,（1）当轨道距离挡土墙墙背的距离在24m之间时，列车荷载按满铺考虑。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,上负荷载及其分布,（2）当轨道中心距离挡土墙墙背的距离4m时，列车荷载认为是部分荷载。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,轨道与挡土分离情况下的上负荷载及其分布,（3）当轨道距离挡土墙墙背的距离2m时，2m范围内用q3代替q2。,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,轨道与挡土墙接近情况下的上负荷载及其分布,第二章 支挡结构设计中的土压力计算七、列车动荷载对土压力的影响,中国铁路：荷载图式安全系数墙型方式,练习思考题,1 试述挡土墙土压力与墙体位移的关系，请指出对应三种临界状态的土压力的工程实例（三个及以上）。2 朗金土压力理论和库伦土压力理论的假定条件有哪些？其适应范围有什么不同？举出现行设计规范中采用朗金理论和库伦理论计算土压力的结构类型。,练习思考题,3 库伦主动土压力可用下式表达：请推导出双线铁路路肩挡土墙当破裂面交于第二线内时A0、B0的表达式。,检算内容：整体稳定性：挡土墙的设计应保证在自重和外力作用下不发生全墙的滑动和倾覆墙身和基础：墙身每一截面和基底应力与偏心距均不超过容许值,第三章 重力式挡土墙检算,第三章 重力式挡土墙检算,作用在挡土墙上的力系，根据荷载性质及发生概率分为主要力系、附加力系和特殊力系。一般情况下，挡土墙只考虑主要力系影响。在浸水和地震等特殊情况，还应考虑附加力和特殊力的作用。,第三章 重力式挡土墙检算一、作用在挡土墙上的力系,1主要力系是指经常作用在挡土墙上的力，包括： （1）墙背上承受由填料和活荷载引起的侧向力； （2）墙身自重的重力； （3）墙顶上或墙背与第二破裂面之间的有效荷重； （4）基底法向反力及摩擦力； （5）每年大部分时间保持的常水位时静水压力和浮力,第三章 重力式挡土墙检算一、作用在挡土墙上的力系,2附加力系指偶然发生的或发生概率很小的力，包括：（1）季节性洪水位以下最不利计算水位的静水压力和浮力；（2）水位退落时的动水压力；（3）波浪压力；（4）冻胀压力和冻压力；（5）温度变化的影响力。,第三章 重力式挡土墙检算一、作用在挡土墙上的力系,3特殊力系 是指暂时的或属于灾害性的，发生机率极小的力，包括：（1）地震力；（2）施工和临时荷载、水流漂浮物的撞击力等。,第三章 重力式挡土墙检算一、作用在挡土墙上的力系,对于墙前被动土压力Ep，一般不予考虑。当基础埋置较深（如大于1.5m）且地层稳定，不受水流冲刷或扰动破坏时才考虑。由于挡土墙前后土体相互作用，而被动状态所需的位移量大于主动状态的位移量，故墙后土体处于主动状态时，墙前土体难以达到被动状态，因此墙前的被动抗力要比计算公式的被动土压力为小，目前尚无可靠的计算方法，根据经验，并为安全起见，一般取1/3的计算被动土压力值作为墙前的被动抗力。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,（一）滑动稳定性检算 挡土墙的滑动稳定性是指在土压力和其他外力作用下，基底摩阻力抵抗挡土墙滑移的能力，用滑动稳定系数Kc表示，即作用于挡土墙的最大可能的抗滑力与实际滑动力之比。如图所示，在一般情况下，有：,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,沿基底滑动稳定系数KC不应小于1.3，考虑附加力系时，KC不应小于1.2，考虑架桥机等运架设备临时荷载作用时KC不应小于1.2。但设计墙高大于1215m时，应注意适当加大KC值，以保证挡土墙的抗滑稳定性。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,当挡土墙倾覆稳定已满足要求而受滑动稳定性控制时，可采用加倾斜基底的方法以增加挡土墙的抗滑稳定性。基底的倾斜度，一般地区挡土墙不大于0.2：1；浸水地区的挡土墙，当f0.5时，不宜设置倾斜基底，当0.5f 0.6时，可设0.1:1的斜坡，当f0.6时，可设0.2:1的斜坡。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,设置倾斜基底后挡土墙的滑动稳定系数为：由于设置了倾斜基底，明显增大了滑动稳定安全系数，而且基底倾角0愈大，愈有利于滑动稳定性。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,增加滑动稳定性的另一种方法是采用凸榫基础，凸榫基础是在基础底面设置一个与基础连成整体的榫状凸块。利用榫前土体的被动土压力，来增加挡土墙的滑动稳定性。这种方法在新建挡土墙中很少采用，个别已成工点由于滑动稳定性不够曾用凸榫基础作为补救措施。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,（二）倾覆稳定性检算挡土墙的倾覆稳定性是指它抵抗绕墙趾向外转动倾覆的能力，用倾覆稳定系数K0表示。其值为对墙趾的稳定力矩之和与倾覆力之和的比值，表达式为：,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,一般情况下，倾覆稳定系数K0不应小于1.6，考虑附加力时K0不应小于1.4，考虑架桥机等运架设备临时荷载作用时K0不应小于1.1。当墙高大于1215m时，应适当加大K0值，以确保挡土墙的倾覆稳定性。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,当滑动稳定性满足要求，挡土墙受倾覆稳定控制时，可增设墙趾台阶以增加挡土墙的倾覆稳定性，。台阶基础可增大稳定力的力臂，是增强倾覆稳定性的常用方法。台阶一般用与墙身相同的材料砌筑，台阶的总宽度b不宜过宽。重力式挡土墙的b不宜大于墙高的10，衡重式挡土墙的b不宜大于墙高的5。台阶可分级设置，每级的宽度和高度应符合刚性角（即基础台阶的斜向边线与竖直线的夹角）的要求，对于石砌圬工不大于35；对于混凝土圬工不大于45，如超过时，则应采用钢筋混凝土基础板。,第三章 重力式挡土墙检算二、挡土墙稳定性检算,抗倾覆稳定性,墙趾台阶,第三章 重力式挡土墙检算三、挡土墙基底应力及偏心检算,三、挡土墙基底应力及偏心距检算 为了保证挡土墙的基底应力不超过地基的容许承载力，应进行基底应力的检算；为了使挡土墙墙型结构合理和避免显著的不均匀沉陷，还应控制作用于挡土墙基底的合力偏心距。,第三章 重力式挡土墙检算三、挡土墙基底应力及偏心检算,基底合力偏心距e为：基底的合力偏心距，要求在土质地基上，eB/6，不易风化的岩石地基上eB/4。基底两边缘点，即趾部和踵部的法向压应力1、2分别为：,第三章 重力式挡土墙检算三、挡土墙基底应力及偏心检算,应力重分布时：,第三章 重力式挡土墙检算三、挡土墙基底应力及偏心检算,基底压应力不得大于地基的容许承载力，当考虑主力和附加力组合时，地基承载力可提高20。当按主力计算时，墙踵的的基底压应力可超过地基的容许承载力，一般地区最大不得超过30。,第三章 重力式挡土墙检算四、挡土墙墙身截面强度检算,四、挡土墙墙身截面强度检算在已破坏的挡土墙中，墙身破坏所占的比重是不小的，因此不能忽视墙身截面的检算。对重力式挡土墙，应选取一、二个薄弱截面，如襟边以上截面进行检算。对衡重式挡土墙，还应特别注意衡重台附近的截面检算。墙身截面强度检算包括法向应力和剪应力检算。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,（一）浸水条件下挡土墙的检算 土体浸水时，要考虑以下几方面对土压力的影响：（1）水的浮力作用使土的自重减小，从而使土压力发生变化。这时，可假定砂性土浸水后值保持不变，只考虑浮力对土压力的影响，即在计算破裂棱体重量时，减去浮力的作用。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,（2）细粒土浸水后值降低对土压力的影响。这时，可以计算水位为界，将填土的上下部分视为不同性质的土层，分层计算土压力。计算中，先求出水位以上填土的土压力；然后再将上层填土重量作为荷载，计算浸水部分的土压力。上述两部分土压力的向量和即为全墙土压力。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,（3）考虑动水压力对土压力的影响。在弱透水土体中，如存在水的渗流，土压力的计算应考虑动水压力的影响。可假定破裂角不受浸水影响，在计算中，先不考虑动水压力的影响，按一般浸水情况求算破裂角和土压力Eb。然后再单独求算动水压力J，并认为它作用于破裂棱体浸水部分的形心，方向水平，且指向土体滑动的方向。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,最不利水位的确定检算浸水挡土墙，由于计算水位不同，结果也不相同，故应考虑水位的涨落情况，确定最不利水位高度。通常最不利水位不是最高水位，对于不同的检算项目，最不利水位高度也是不同的。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,（二）地震条件下挡土墙的检算对地震地区挡土墙，应先按一般条件进行设计，然后再考虑地震力的作用，进行抗震检算。地震力属于特殊力。地震条件下，不但要考虑由于地震力的影响使土压力产生的变化，还应考虑墙身自重产生的水平地震惯性力。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,1地震力作用下的土压力计算 在计算地震土压力时，只考虑水平地震加速度的影响，采用静力法（惯性力法）进行。知道了地震力与重力的合力的大小与方向，并假定在地震条件下土的内摩擦角和墙背摩擦角不变，可用下列各值：分别取代、，直接采用一般库伦土压力公式计算地震土压力。,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,2墙身自重产生的水平地震惯性力墙身自重产生的水平地震惯性力Fi，它作用在检算截面以上的墙身重心处，按下式计算：式中： Gi 验算截面以上的墙身圬工重量，kN； i 水平地震加速度沿墙高的分布系数,第三章 重力式挡土墙检算五、特殊条件下挡土墙的检算,3挡土墙的抗震检算在进行地震条件下的挡土墙检算时，将水平地震惯性力作为一个倾覆力，作用在检算截面以上墙身重心处，来进行截面的滑动、倾覆及基底应力与偏心距的检算。由于地震力为特殊力，对挡土墙稳定性的要求可适当放宽。对于滑动稳定系数KC不应小于1.1；倾覆稳定系数K0不应小于1.2；基底的容许应力可提高30。基础底面合力偏心距要求及对建筑材料的容许应力也需修正，可参考相应规范的规定。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙是六十年代始于法国发展起来的一种轻型支挡结构，由于其应用广泛、造价低廉，施工简便而深受工程界欢迎。自七十年代引入我国后，先后在公路、铁路和煤矿等部门进行了大量的研究和应用，显示出了广阔的发展前景。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙是由墙面板、拉筋、填料三部分共同组成的复合结构物。它是依靠填料与拉筋之间摩擦力的作用，平衡墙面处的土压力。为了保证拉筋的摩擦力，墙后填料宜用砂类土、砾石类土或碎石土等渗水土填筑，粗粒土填料不易取得时，也可采用粘性土，但不得采用膨胀土、盐渍土及块石类土，严禁采用有机土。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙的优点是对地基承载力要求低，属于轻型支挡结构适合在软弱地基上建造。施工简便，施工速度快，圬工量少，节省投资，少占地，外形也美观。加筋土挡土墙一般应用于支挡填土工程，由于加筋土挡土墙所具有的特点，在公路、铁路、煤矿工程中得到较多的应用。但是对于8度以上地区和具有强烈腐蚀环境中不宜使用，对于浸水条件下应慎重应用。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙墙面板，一般采用钢筋混凝土板，形状可用十字形、矩形、六角形等。如采用金属墙面板，形状为柱状椭圆形，板的大小视每块板上布置的拉筋根数而定。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,拉筋材料采用钢筋混凝土带、塑料带、钢带或铝合金带等，拉筋材料性能要求：（1）抗拉强度大，不易产生脆性破坏，拉伸变形和蠕变小；（2）与填料间有足够的摩擦力；（3）有一定的柔性；（4）有较好的耐腐蚀性和耐久性。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,土压力计算作用在墙背上的土压力，由于拉筋的影响，相对位移很微小，由填料产生的土压力，上半部可按三角形分布的静止土压力计算，下半部则为矩形分布，其值取静止土压力的一半。试验表明，应力分布按倒梯形，如图，是较为符合实际情况的。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,由活荷载产生的水平土压力，按布辛纳斯克假定，用条形均布荷载作用下的土中应力公式计算作用在拉筋上的垂直压力为填料自重压力与由荷载产生的竖向应力之和，按下列公式计算：,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,根据计算拉筋承受的最大拉力Tmax，由拉筋材料即可求得拉筋所需的面积，但拉筋如为钢材，则应考虑锈蚀的安全储备，两侧共1.52.0mm。拉筋的长度L为无效长度La和有效长度Lb之和。如下页图，拉筋的锚固区与非锚固区的分界线采用0.3H法。该分界区为倒梯形，即无效锚固区宽度上部H/2高度内度为0.3H，下部H/2高度内，为斜直线，由墙底处为零线性递增到0.3H。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,拉筋的无效与有效锚固区,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙应检算全墙的抗拔稳定性及单板的抗拔稳定性，在检算拉筋抗拔稳定性时，应考虑有荷载和无荷载两种情况。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,全墙的抗拔稳定系数Ks按下式计算：单板抗拔稳定系数不宜小于2.0，在条件困难时，可适当减小，但不得小于1.5。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,加筋土挡土墙全墙稳定性检算方法将拉筋与填料视为实体墙，按重力式挡土墙的检算方法进行检算。,第四章：轻型支挡结构（一）加筋土挡土墙,拉筋的长度除满足稳定条件外，尚应满足下列要求：（1）墙高大于3.0m时拉筋最小长度，应大于0.8倍墙高，且不小于5m。当采用不等长的拉筋时，同等长度拉筋的墙段高度应大于3.0m，一处挡土墙拉筋不宜多于3种长度，相邻不等长拉筋的长度不宜小于1.0m。（2）墙高小于3.0m时，拉筋长度不小于4.0m，且应采用等长拉筋。（3） 采用钢筋混凝土板条作为拉筋材料时，每节长度不宜大于2.0m。,第四章：轻型支挡结构（二）锚定板挡土墙,锚定板结构是我国铁路系统首创的一种新型支挡结构型式。这种结构具有造价低，施工方便，对各类地基适应性较强等优点，广泛应用于铁路、公路、水利、煤炭等部门的支挡结构工程中。与重力式挡土墙相比，一般可节省工程投资2030。,第四章：轻型支挡结构（二）锚定板挡土墙,第四章：轻型支挡结构（二）锚定板挡土墙,锚定板挡土墙由墙面系、拉杆、锚定板和填土共同组成。它是通过锚定板前填土的被动抗力来支承拉杆拉力，因此，锚定板挡土墙是一种依靠填土的自重来 保证土体的稳定性的支挡结构。,第四章：轻型支挡结构（二）锚定板挡土墙,锚定板挡土墙的墙面系分有肋柱和无肋柱两种。有肋柱的包括肋柱和挡土板，与锚杆挡土墙相似；无肋柱则全是墙面板，与加筋土挡土墙相似。但由于拉杆数量比拉筋数量少，因此墙面板尺寸较大。,第四