岩土工程设计-挡土墙许.ppt

6.挡土墙的设计与计算,主讲人：许 强,滑坡灾害防治工程阶段划分,滑坡工程地质勘察,滑坡防治方案设计,滑坡防治工程施工,滑坡防治竣工验收,工程治理,搬迁避让,监测预警,防治方案可行性研究,防治方案初步设计,防治方案施工图设计,6.1 绪 论,设计步骤及设计报告主要内容,复杂形态和结构的斜坡稳定性分析一般都采用极限平衡条分法。,6.2 滑坡稳定性及推力计算,(1)极限平衡假设：当坡体的强度指标降低Fs倍以后，坡体内存在一达到极限平衡状态的滑面，滑体处于临界失稳状态。其中，Fs为坡体的安全系数。(2)条块刚性假设：对滑体进行剖分后，各条块为刚性块体，只发生整体运动而不产生条块内部的变形。,极限平衡条分法的基本假设：,极限平衡方程的求解,对于有n个条块的滑体来说，在极限平衡状态下，滑体的未知量有：(1)安全系数Fs，1个；(2)条块底面(滑面)上的法向力Ni，切向力Si及合力作用点，共3n个；(3)条分面上的法向力Ei，切向力Ti及合力作用点，共3n-3个；因此，整个滑体就有6n-2个未知量。,而对于每一个条块而言，可以建立的方程有4个，其中三个为平衡方程：,另一个为在滑面上满足摩尔库仑准则的破坏方程(极限平衡方程)：,已知量：4n个未知量：6n-2个 2n-2个？,这是一个超静定问题，求解此方程组有两条途径：(1)引入变形协调条件，增加方程数；(2)通过对多余变量或相互之间的关系进行假定，以减少变量数。极限平衡法常采用第二种方法求解，并且一致认可当条块宽度足够小时，可以认为底滑面合力作用点位于底滑面中心，这就减少了n个未知量。目前的极限平衡各种算法的不同之处也就在于对其余n-2个变量的处理上。,常见条分法及其相应的假定,1）选择合适的计算剖面：选用位于滑坡主滑带上、方向与滑坡的主滑方向一致，能集中反映滑坡变形破坏集中的的剖面为计算设计剖面(3个以上)。,2）选择合适的计算方法：如滑面已知可选用一般条分、janbu、bishop、不平衡推力等方法，一般需要采用二种以上的方法进行对比计算。勘察规范要求：圆弧型滑面用一般条分；折线一般采用不平衡推力法。,斜坡稳定性计算方法选择,泄滩滑坡数字化平面图,3）没有明确存在滑面的边坡或滑坡，要搜索最危险的滑面，以此来求稳定性系数。,附注：(1)求得的稳定性系数要与坡体的变形特点和定量评价相一致。(2)影响滑坡稳定性系数大小的主要因素是：坡体的参数和对地下水作用的考虑。,常见斜坡稳定性计算手段,手工计算采用计算机软件计算 I:北京理正软件；II:SlopeCAD III:PSSA94 IV:其它(AutoCAD、GIS),手工计算,参照岩土工程勘察规范，斜坡稳定性计算公式(传递系数法)为：,Fs:稳定系数；i:第i条块滑动面与水平面的夹角(度)；i:作用于第i条块的抗滑力(KN/m);Ni:第i条块滑动面的法向分力(KN/m);Ti:作用于第i条块滑动面上的滑动分力(KN/m),与滑动方向相反时取负值；,第i条块的剩余下滑力传至i+1条块时的传递系数,参照建筑地基基础设计规范，滑坡推力计算公式为：,滑坡推力计算,n,Fn-1:第n块、第n-1块滑体的剩余下滑力(KN/m)；,传递系数,滑坡推力安全系数，又称设计安全系数,本条块,本条块,上一条块,说明：,第i块的滑坡推力实际上是指第i条块对其下一条块(第i+1条块)的推力；整个滑体的推力一般是指滑体最后一个条块的推力大小。当坡体处于极限平衡状态时，滑体的总体推力从理论上讲应为零。设计滑坡推力是指取稳定系数为设计安全系数时计算出的滑坡推力。,滑坡防治工程的稳定性设计安全系数可按滑坡防治工程设计与施工技术规范选取，或按建筑边坡工程技术规范（GB50330-2002）选取。滑坡防治工程设计安全系数推荐表,注：（1）工况自重；（2）工况自重+地下水；（3）工况自重+暴雨+地下水；（4）工况自重+地震+地下水。,设计安全系数的取值,三峡库区崩塌滑坡与塌岸地质灾害防治工程地质勘查技术要求,重庆市地方标准：地质灾害防治工程设计规范,滑坡推力安全系数Fst，按滑坡在最不利工况下的稳定性系数Fs确定。,1.Fs=0.8时：安全等级为一级 Fst=1.25 安全等级为二级 Fst=1.15 安全等级为三级 Fst=1.05 2.Fs0.8时：安全等级为一级 Fst=2.25-1.25 Fs,且不大于1.5 安全等级为二级 Fst=1.75-0.75 Fs,且不大于1.3 安全等级为二级 Fst=1.25-0.25 Fs,且不大于1.1,重庆市地方标准：地质灾害防治工程设计规范,3.若采用削方减载、压脚等措施后，其支挡设计推力安全系数Fst，应按减载、压脚后的滑坡稳定性系数Fs取用。4.考虑地震作用时：安全等级为一级 Fst=1.2 安全等级为二级 Fst=1.10 安全等级为二级 Fst=1.00,稳定性系数计算式的注意事项：(1)关于对暴雨情况的考虑,稳定性系数计算时的注意事项,第i条块,Fsi,Ffi,两种计算孔隙水压力的方法：水土合算(计算条块边界水压力)：水土分算(计算条块体力)：,(2)关于对库水位升降情况的考虑,隔水层,(a)水位上升浸润线,(2)关于对库水位升降情况的考虑,隔水层,(b)水位下降浸润线,影响系数,水位上升对滑坡体稳定性的影响,水位下降对滑坡体稳定性的影响,(3)关于对地震因素的考虑,P作用于滑坡体重心的地震水平惯性力(KN/m),Kh水平地震系数,Gs滑体重力(KN/m),地震设防烈度,水平地震系数,6,7,8,9,0.05,0.10,0.20,0.40,C1地震力计算的综合影响系数，一般取0.25,C2地震力计算的重要性修正系数，一般取0.52,当滑体具有多层滑面时，应分别计算各滑动面的滑坡推力，取最大的推力作为设计控制值，并使每层滑坡均满足稳定要求；当滑面形状不规则，局部凸起面使滑体较薄时，宜考虑从凸起部位剪出的可能性，可进行分段计算；,滑坡推力计算时的注意事项,在计算条块划分时，不宜将最下部条块分得太小，以致使计算结果不能客观地反映滑坡的整体稳定状态。当滑体前部较缓，或出现反倾段时，下滑力可能出现负值，此时应视滑坡为稳定状态；当最前部条块稳定系数不能较好地反映滑坡的整体稳定性时，可采用倒数第二条块的稳定性系数，或最前部2个条块稳定性系数的平均值。,该剖面计算得到的稳定性系数为1.28,但若取1.25的设计安全系数，则不必进行推力计算时，否则可能会出现意想不到的结果。坡体的剩余下滑力达10000KNm？。,6.3.1.1 基本概念,支挡结构：为保持结构物两侧的土体、物料有一定的高差的结构。,支挡结构,刚性支挡结构,柔性支挡结构,挡土墙,板桩墙、内支撑,挡土墙：用来支承填土或山坡土体(土压力)，防止填土或土体变形失稳的一种构造物。,挡土墙的分类,6.3 挡土墙的设计与计算,墙踵,墙趾,墙面,墙顶,墙背,墙底,Ep,Ea,1:m,1:n,1,n,:地面倾角,:墙背摩擦角，即墙背与填土间的摩擦角墙背(面)倾斜度：单位墙高与其水平长度之比(坡比、坡率)。墙背(面)倾角：墙背(面)与竖直面的夹角Ea:主动土压力Ep:被动土压力,描述挡土墙的基本术语,顶宽,底宽,墙高,6.3.1.2 挡土墙的分类,按断面的几何形状及受力特点：,挡土墙,重力式挡土墙,悬臂式挡土墙,扶壁式挡土墙,锚杆式挡土墙,锚定板式挡墙,加筋土式挡墙,板桩式挡土墙,地 下 连 续 墙,重力式挡土墙,衡重式挡土墙,半重力式挡墙,锚杆式挡土墙,竖向预应力锚杆挡土墙,薄壁式挡土墙,土钉式挡土墙,各类挡土墙的适用范围取决于墙趾地形、工程地质、水文地质、建筑材料、墙的用途、施工方法、技术经济条件及当地的经验等因素。,重力式,攀枝花市建筑开挖边坡,半重力式,多用混凝土灌注，在墙背设少量钢筋；墙趾展宽，或基底设凸榫，以减薄墙身，节省圬工，适用于地基承载力低，缺乏石料地区；,衡重式,悬臂式,扶壁式,宜宾五粮液酒厂铜锣湾挡土墙,宜宾五粮液酒厂铜锣湾挡土墙,加筋土挡墙,攀枝花机场边坡加筋土挡土墙,墙面板,拉筋,锚杆式,攀枝花机场边坡锚杆式挡土墙,攀枝花机场边坡锚杆式挡土墙,锚定板式,肋柱,挡板,拉杆,竖向预应力锚杆式,土钉式,板 桩 式,桩板式挡土墙,(1)在地下挖狭长深槽，灌注混凝土(配筋或不配筋)、浇筑水下钢筋混凝土墙；(2)依靠墙体自身强度或横撑抵抗土压力；(3)适用于大型地下开挖工程，较板桩墙可得到更大的刚度、更大的深度。,尼泊尔色迪河桥基加固工程剖面布置示意图,地下连续墙,开挖回填,预应力锚索,底部易冲蚀层,清除坡顶,路肩式挡土墙,路基上边坡防护,建筑物地基边坡防护,路基下边坡防护,高填方地段的挡土墙,浆砌片(块)石护坡墙,挂网喷射混凝土护坡,奉节新城多种支挡结构复合的形式进行边坡防护,桩板式挡土墙,锚杆式挡土墙,重力式挡土墙,浆砌块石护坡,拦石墙(缓冲墙),巫山库岸防护工程,巫山库岸防护工程,三峡库区的库岸防护(巴东),挡土墙设计所参考的主要规范,(1).砌体结构设计规范(GB 50003-2001);(2).建筑地基基础设计规范(GB50005-2002)(3).混凝土结构设计规范(GB50010-2002)(4).建筑结构荷载规范(GB50009-2001)(5).建筑抗震设计规范(GB50011-2001),作用在挡土墙上的力系,永久荷载(permanent load)：在规定的设计状态一定出现。在结构使用期间，其值不随时间变化，或其变化与平均值相比可忽略不计，或其变化是单调的并能趋于限值的荷载。一般以标准值作为代表值。可变荷载(variable laod):在规定的设计状态不一定出现。在结构使用期间，其值随时间变化，且其变化与平均值相比不可忽略不计的荷载。一般以常遇值或永久值作为代表值。偶然荷载(accident load):在设计考虑的时间内不一定出现。在结构使用期间不一定出现，一旦出现，其值很大且持续时间很短的荷载。偶然荷载的代表值由有关规范规定或参照有关资料和工程经验综合分析确定。,6.3.2.3.1 基本概念,6.3.2.3.2 作用于挡土墙上的永久荷载,挡土墙自重G；由于填土作用于墙背的主动土压力Ea；由于墙前土体作用于墙面的被动土压力Ep(一般设计时不予考虑，当有条件保证墙前土体永远存在方可考虑)；填土中的地下水压力或常水位时的静水压力与浮力；填土上其他工程超载引起的土压力；由以上荷载引起的基底的竖向反力；基底的摩擦力；预加应力；墙背与第二破裂面之间的有效荷载Wr。墙顶上的有效荷载W0。,6.3.2.3.3 作用于挡土墙上的可变荷载,设计水位的静水压力和浮力；车辆荷载引起的土压力(公路)；水位退落时的动水压力(库岸)；波浪压力；冻胀力和冰压力；温度荷载,主要可变荷载,附加可变荷载,6.3.2.3.4 作用于挡土墙上的偶然荷载,地震荷载；施工及临时荷载、如起吊机、人群、堆载等撞击力,6.3.2.3.5 荷载组合,主要组合：永久荷载与可能发生的主要可变荷载组合；附加组合：永久荷载与主要可变荷载和附加可变荷载组合；偶然组合：永久荷载、主要(附加)可变荷载与一种偶然荷载组合。,一般情况下，不同组合情况下，设计安全系数的取值是不一样的。且主要组合、附加组合、偶然组合的稳定性系数依次减小。,挡土墙验算方法,验算方法,容许应力法,极限状态法,(采用总安全系数),(采用分项安全系数),承载力极限状态,正常使用极限状态,将结构材料视为理想的弹性体，在荷载作用下产生的应力和变形不超过规定的容许值。,R：材料的极限强度(材料抗力)；S：容许应力(设计荷载)；K:(计算)安全系数(稳定性系数)。K:设计(目标)安全系数,6.3.2.4.1 容许应力法,结构设计的目的是使所设计的结构能满足各种预定的功能要求。建筑结构应具备的功能要求是安全性、适用性和耐久性。上述功能要求称为结构的可靠性(度)，即：结构在规定的时间内(如设计基准期50年)，在规定的条件下(正常设计、正常施工、正常使用和维护)，完成预定的功能的能力(概率)。极限状态法的理论基础是概率论和结构可靠性分析。,6.3.2.4.2 极限状态法,概 述,重力式挡土墙是以自身重力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形式。重力式挡土墙多用浆砌片(块)石砌筑，缺乏石料或力学上有特殊要求时混凝土预制块作为砌体，也可直接用混凝土浇筑，一般不配筋或只在局部范围内配置少量钢筋。常规的重力式挡土墙的墙高一般不超过6m，否则应使用半重力式、衡重式以及其它形式的挡土墙。,挡土墙设计概述,(4)以墙背的倾角及形态来划分,重力式挡土墙可划分为以下几种类型。,6.3.3.2.1 墙身构造重力式挡土墙的墙背坡度一般采用1：0.201：0.3。仰斜墙背坡度不宜缓于1：0.3,一般为1：0.25；俯斜墙背坡度一般为1：0.251:0.4；衡重式或凸折式挡土墙下墙墙背坡度多采用1：0.251:0.30仰斜，上墙墙背坡度一般采用1：0.251:0.45。重力式挡土墙墙面坡度一般为1：0.051:0.20,一般不得缓于1：0.35。仰斜式挡土墙墙面一般与墙背坡度一致或缓于墙背坡度。衡重式挡土墙墙面坡度一般采用1：0.05，且其上墙与下墙高度之比一般采用4：6较为经济合理。,墙面墙背坡度,重力式挡土墙的构造,4,6,混凝土和石砌的挡土墙，墙顶宽度不宜小于0.5m;整体灌注的混凝土挡墙，墙顶宽度不宜小于0.4m；钢筋混凝土挡墙顶宽不宜小于0.2m.通常顶宽约为H/12，而墙底宽约为(0.50.7)H。挡土墙墙顶应根据需要(公路路肩挡土墙)以粗石料或C15混凝土作帽石,厚度不小于0.4m,宽度不小于0.6m，突出墙顶外的帽檐宽为0.1m。如不设帽石，可选用大块片石置于墙顶用砂浆抹平。,墙顶,(1)当墙身高度超过一定限度时，基底应力往往成为控制截面尺寸的重要因素。为了使地基压应力不超过地基承载力和提高墙体抗倾覆能力，可在墙底加设墙趾台阶。(2)墙趾的高度与宽度比，应按圬工的刚性角确定。要求墙趾台阶连线与竖直线之间的夹角，对于石砌圬工不大于35，对于混凝土圬工不大于45。,墙趾,(3)一般墙趾的宽度不大于墙高的1/20，也不应小于0.1m。墙趾的高度应按刚性角确定，但不宜小于0.4m。,挡土墙墙身及基础，采用混凝土不低于C15；采用砌石、石料的抗压强度一般不小于Mu30,寒冷及地震区，石料的重度不小于20KN/m3,经过25次冻融循环，应无明显破损。挡土墙高小于6m，砂浆采用M5；超过6m时宜采用M7.5，在寒冷及地震地区应选用M10。,墙身材料,(1)为避免因地基不均匀沉降而引起墙身开裂，根据地基地质条件的变化和墙高、墙身断面的变化情况需设置沉降缝。(2)为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。(3)沉降缝和伸缩缝一般可以合并设置，间距为10-25m。缝宽2030mm。缝内沿墙的前、后、顶三边填塞沥青麻筋或沥青木板，填塞深度不应小于0.2m。(4)当墙背后岩石边坡或墙背填料为石料，且为冻害不严重地区，也可不填塞，即设置空缝。(4)干砌挡土墙可以不设沉降缝和伸缩缝。,沉降缝和伸缩缝,排水措施,作用：疏干墙后土体地下水和防止地表水下渗后积水，以免墙后积水致使墙身承受额外的静水压力；减少季节性冰冻地区填料的冻胀压力；消除粘性土填料浸水后的膨胀压力。,常见排水措施:(地表排水+墙身排水)设置地表排水沟和截水沟；夯实回填土顶面和地表松土表面，防治下渗在墙体中设置泄水孔；在墙后设置排水层；在填土层中修建盲沟及集水管；在临水面设置防水层(防止冻害和水对墙身的腐蚀),泄水孔为0.050.2m的方孔或圆孔,重力式挡土墙抗滑稳定性验算,.1 挡土墙的抗滑稳定性验算,挡土墙的抗滑稳定性是指墙体在土压力和其它外荷载的作用下，基底摩擦阻力抵挡挡土墙滑移的能力，用抗滑稳定性系数Kc表示。,考虑基本组合(主要组合)时抗滑稳定系数不应小于1.3;考虑附加组合时不应小于1.2;考虑偶然组合时，不应小于1.1。挡墙高超过12m时应适当提高kc值。,(1)水平基底挡土墙的抗滑稳定性验算,G：挡土墙每延米的自重(包括墙顶上的有效荷载、墙背与第二破裂面之间的有效荷载)Ex,Ey:主动土压力的水平向和竖直向的分量；Ep:墙前被动土压力；：基底摩擦系数(tg)。,Ea,挡土墙的抗倾覆稳定性验算,挡土墙的抗倾覆稳定性是指墙体抵抗墙身绕墙趾向外转动倾覆的能力，用抗倾覆稳定系数K0表示。,My:稳定力系对墙趾的总力矩；M0:倾覆力系对墙趾的总力矩。,考虑基本组合(主要组合)时，抗倾覆稳定系数不应小于1.5（新规范为1.6）;考虑附加组合时不应小于1.3;考虑偶然组合时，不应小于1.1。挡墙高超过12m时应适当提高k0值。,(1)水平基底挡土墙的抗倾覆稳定性验算,墙背俯斜,(2)倾斜基底挡土墙的抗倾覆稳定性验算,z：土压力作用点离墙踵的高度x0:挡土墙重心离墙趾的水平距离；b:基底的水平投影宽度,墙背俯斜,当挡土墙的抗滑稳定性满足要求，而抗倾覆稳定性不满足要求时，可适当展宽墙趾，以增大稳定力矩的力臂。展宽部分一般用与墙身相同的材料砌筑。基础展宽可分级设置成台阶(墙趾台阶)，每级的宽度和高度的关系应符合刚性角的要求。,附 注：,重力式挡土墙极限状态法验算,当砌体结构作为一个刚体，需验算整体稳定性时，例如倾覆、滑移、漂浮等，应按下式验算：,0：结构重要性系数。对安全等级为一级或设计使用年限为50年以上的结构构件，不应小于1.1；对安全等级为二级或设计使用年限为50年的结构构件，不应小于1.0；对安全等级为三级或设计使用年限为1-5年的结构构件，不应小于0.9。SG1k:起有利作用的永久荷载标准值的效应；SG2k:起不利作用的永久荷载标准值的效应；SQ1k:在基本组合中起控制作用的一个可变荷载标准值的效应 SQik:第i个可变荷载标准值的效应,基底应力及合理偏心距验算,(1)为了保证挡土墙的基底应力不超过地基的容许承载力，应进行基底应力验算。(2)为了使挡土墙墙型结构合理和避免发生显著的不均匀沉陷(降)，还应控制作用于挡土墙基底的合理偏心距。,基底两边缘点，即趾部和踵部的法向压应力P1,P2可表示为：,或,基底压应力不得大于地基的容许承载力f。当附加组合时，地基容许承载力可提高25%。,f 为地基承载力设计值。,基底的一侧将出现拉应力，考虑到一般情况下地基与基础不能承受拉应力，故不计拉应力而按照应力重分布来计算最大压应力(由虚线变为实线)。根据力的平衡条件，总压应力等于N，实线三角形的形心必在N的作用线上，故基底压应力三角形的底边长度等于3ZN。于是：,对于倾斜基底，基底合力和合理偏心距的验算公式与平底的基本公式类似。,根据正弦定理，倾斜基底的宽度B为：,缺图3-14,倾斜基底方向力N对墙趾的力臂为ZN：,倾斜基底的合理偏心距e为：,基底的法向应力为：,挡土墙截面强度验算,为了保证墙身的安全可靠，还应对墙体本身进行验算。主要包括墙体正应力强度、偏心距、截面剪应力强度以及偏心受压构件的偏心压缩承载力和弯曲承载力进行验算。,挡土墙强身强度验算,正应力强度,偏 心 距,剪应力强度,G1:计算截面以上的墙体重量；Eaz1、Eax1:计算截面以上主动土压力的竖向、水平分力；e1:计算截面处的偏心距；B1：计算截面的截面宽度；x：G1到截面左侧的距离；xf1:Eaz1到截面左侧的距离；zf1:Eax1到截面的高度；f,ftm为砌体或混凝土的抗压、抗拉强度设计值；fv：砌体抗剪强度设计值；N1：截面以上作用于截面的总竖向荷载；Mo:截面以上全部荷载对截面形心的总力矩；N0：截面以上总竖向合力。,