首届全国大学生岩土工程竞赛加筋土挡墙参赛作品设计方案.docx

首届全国大学生岩土工程竞赛参赛作品设计方案参赛学校：_组长：电话：电子邮件：_组员：组员：指导教师：电话：二O一五年月日方案简述1模型图与说明表1-1挡墙各结构说明编号名称材料功能1挡墙面板灰底白纸板1承受沙土侧应力2斜拉筋灰底白纸板1连接板肋与挡墙底板，传递侧压力至底板1提高面板刚度3挡墙灰底白2提富面板平行于面板方向的抗压性能侧板纸板3与箱体产生摩擦力提供部分抗力4兜住砂土体，限制挡墙面板水平方向上的挠曲变形4格室灰底白纸板1固沙,提高格室内沙土与格室上方沙土的摩擦力以增强挡墙底部的整体抗力2提供斜拉筋与底板之间稳定的连接面，传递侧压力至底板5挡墙底板灰底白纸板1与箱体产生摩擦力提供部分抗力2提供传递自斜拉筋的侧压力与砂土竖向压力的平衡载体1提供挡墙面板与斜拉筋之间稳定的连接面,传递侧压力至斜板肋灰底白纸板拉筋2提高面板刚度3提高面板平行于面板方向的抗压性能4兜住砂土体，限制挡墙面板水平方向上的挠曲变形注：L用于粘接的构件接头在图中未完全画出。2经测试，灰底白板纸白面之间用双面胶连接的连接强度远高于灰面与灰面之间、灰面与白面之间的连接强度，故重要传力构件的连接处均采用白面与白面连接，如斜拉筋与板肋、格室之间的连接。二、计算书：工设计准备2工条件表2-1基本条件项目值备注砂土重度丫砂土内摩擦角墙背（灰面）与砂土摩擦角砂士黏聚力C砂土泊松比纸板白面与有机玻璃的摩擦因数U纸板灰面与有机玻璃的摩擦因数U纸筋抗拉强度IXY=工5KZ取组委会所提供的最大干密度换算得=必由级配较差的粗砂性质估计=工46由“格室摩擦力增幅测试实验”得C=O由级配较差的粗砂性质估计=0.25查阅文献资料得由有机玻璃直尺与纸板白面等材料实验=0Moi得由有机玻璃直尺与纸板灰面等材料实验=0.3R4得由长20ch,宽1CHA.X!.Scma.NScma.的纸筋Jt09NCH.各M条作抗拉强度试验测得。2.2前提假设土压力计算中，视土体为弹性半空间体。由边界效应、土的不均匀性、非连续性等性质产生的计算误差在构造措施中考虑。2.3 计算简图和计算策略为简化计算，先不考虑砂土的边界效应和附加荷载在砂土中应力不均匀扩散的影响，且偏安全地不考虑挡土墙侧板在与箱体间的摩擦。由此将挡墙体系简化为平面问题，如图2-工所示。其中各力代表项如下：牛：作用在挡墙面板上的侧向土压力，因挡墙倾角接近，。度，且墙背较光滑，由此假定平垂直于挡墙面。令：作用在挡墙底板上的竖向土压力生：箱体对挡墙底板的支持力Fy：箱体对挡墙角的支持力卷：格室内砂土和格室上方砂土之间的摩擦力七：箱体对挡墙底板的摩擦力再将该体系分割为如图所示的三个构件，简化过程与计算策略分析如下:通过将挡墙划分为三个单元并加以板肋和格室的构造，使挡墙面板在简化为平面问题后可视为具有一定轴向抗压强度的杆件。挡墙面板假设为具有如右图约束的的静定结构，算得砂土侧向应力用后，通过静力平衡分析可解得斜拉筋拉力R、挡墙面板在墙脚处传递给箱体的竖向压力也工、传递给挡墙底板的水平拉力F-若挡墙面板中部抗弯强度不足，可在中部再设置斜拉筋。斜拉筋可视为如右图所示的二力杆，在计算得R后，根据实验测得的纸筋抗拉强度来确定斜拉筋宽度。底板是无限次超静定结构，不易设置约束。由于斜拉筋所给叱2产生的倾覆力矩,使箱体对挡墙底的支持力向前集中。由此，在挡墙稳定的情况下，假设年分布图形为上底宽、下底窄的直角梯形。由静力分析得长+作、冬（上底）、的（下底）三个未知数，再将长、fz与挡墙底板上下面的正压力之比和实验所得的最大静摩擦系数相比较，并设置一定的安全系数。考虑到F印的作用面极小，结合实际情况偏安全地忽略F少作用点所产生的摩擦力。先确定底板长度为工牝以、面板高度为4。，以、斜拉筋,Fy2中轴线与底板尾端相距20队，再假设两个底角角度进行试算，直契4y,Fx2至上述所得安全系数大于一定的值后，可视为获得理想图N工挡墙结构平扁f乐意图的解。若安全系数一直无法大于工，则考虑通过其他方式改进方案。2.4 理论选用通过库伦士压力理论计算砂士本身对挡墙产生的侧应力。通过积分明德林解的竖向分量和水平分量来计算竖向附加荷载在挡墙面板产生的侧压力和挡墙底部产生的竖向应力。25辅助计算软件在Bastc中为各类应力解析式编程,计算各组应力计算点的应力值，并用M出成软件的插值函数拟合应力分布情况，获取更符合实际情况的应力分布函数及分布图像以作参2土体竖向应力计算竖向应力由填土自重、竖向附加荷载产生的竖向应力组成。底板所受土的竖向应力通过下式计算：OZ=°Zl+QZ2式中Qz-加载后土体中总竖向应力；。Zr-填土自重产生的竖向应力；。口一竖向附加荷载产生的竖向应力；2.1 砂土自重产生的竖向应力计算Zi=Yz22竖向附加荷载产生的竖向应力的计算1 采用的是明德林解竖向分量的积分所得式，采用角点叠加法计算。计算式如下:。Z2=KCP2 1.bNG2÷b2+2z)LbZ2)L2+b2+Z2'NyIi+图马攻01各构件受力分析-从上有KA划1层挡他而垢令:LhV检丹枕底式中：心-均布竖向矩形荷载角点下的竖向附加应力系数以上计算点位置对应的均布荷载矩形的短边;1.计算点位置对应的均布荷载矩形的长边;N-应力计算点深度；P竖向附加荷载对土体表面的平均应力PV=F=25。P夕A加载箱底面积2.3总竖向应力计算叠加上面两个个竖向应力计算结果：°Z=°Zl+°Z2将应力计算式编程，选取墙背倾角为¥度，计算结果如图2W所示：计算清空计算虚距墙 角距离CmForm1挡墙底板竖向应力计算4224384524674824965105235365485595705805885966036086136166186186186166136086035965885805705595485365235104964824674524381859187518911907192219371952196619801993200520172027203620452052205820622065206820682068206520622058205220452036202720172005199319801966195219371922190718911875329633133330334733633379339534103425343934523464347534853494350235083513351635183519351835163513350835023494348534753464345234393425341033953379336333473330331347334751476947874805482248394855487148854899491249244935494449524959496449684970497149704968496449594952494449354924491248994885487148554839482248054787476947516171619062096228624762656283630063176332634763616374638563956404641164176421642364246423642164176411640463956385637463616347633263176300628362656247622862096190752675467566758676067625764476627680769777127727774077537763777377807786779177937794779377917786778077737763775377407727771276977680766276447625760675867566754675477568759076117632765276727692771077287745776077747787779978087817782378287830783178307828782378177808鹿疆监底I2187961375195325323078309031033116312831413153316531772345678910111213图2-3挡墙底板竖向应力BdS"程序计算结果将各计算点应力值导入M优Sb软件，拟合应力图像如下图所示。可见附加荷载在底部的竖向应力扩散已经比较均匀，可以简化为线荷载作平面问题求解。IIuntitledfit170006000-5000-4000-3000-2000-简化为平面问题后，底板竖向应力值如下图所示。底板竖向应力(Nm)01234567891011U13计算点距墙角距离(cm)3挡墙面板侧压力计算图挡墙底板竖向应力线荷载简化结果水平向压力等于砂土作用在挡墙上的主动土压力、竖向附加荷载作用在挡墙上的侧向应力这两部分之和。挡墙面上的水平压力通过下式计算：°q=0+°0z式中：。一加载后挡墙面上总侧向应力；。建一砂土自重作用在挡墙上的侧向应力；Q也一竖向附加荷载作用在挡墙上的侧向应力3.1砂土自重作用在挡墙上的主动土压力采用的是库伦士压力计算公式，计算式：O31=KaIYNcos2(-)Kai=/M、SEW+)Sluv(p)coskcosl£÷OJ1+I妥Z-cos(+)SS(£-B)式中：Kal-库伦主动土压力系数；Y-砂土重度;-砂土内摩擦角；£一墙背倾角，最终设计方案中取£=-7«；G砂土与墙背摩擦角，取=14.6/一墙后砂土坡脚，取B=小Z一计算点深度3.2竖向附加荷载作用在挡墙上的主动土压力采用的是明德林解水平分量的积分所得式，采用角点叠加法计算。计算式如下:Oz=P1ABABzKQ=2uarctg-=.=84(1一zVa2+B2+z2(A2+z2)Va2+B2+z2Cc、AB(34MABZ-2(4-3)arctg一=.=zA2+B2+z2(A2+z2)Va2+B2+z2+8(1-M(I-2)arctgw./、»(7a2+z2+z)(72+2+z2+JA2+z?)式中：K-一均布竖向矩形荷载角点下的水平附加应力系数；匕一计算点位置对应的均布荷载矩形的短边；I-计算点位置对应的均布荷载矩形的长边；N-应力计算点深度；P竖向附加荷载对土体表面的平均应力PV=F=:Cj：；=l2500P43.3总侧应力计算叠加上面两个竖向应力计算结果：。久=Q”+0口2将应力计算式编程，计算结果如下:图2心挡墙面板侧应力VgX仇巴C程序计算结果Forml挡墙面板侧应力计算蓍鹘F5一内摩擦角可三W纸筋角度P墙背倾角尸132536699009型拉筋高Ro度cmcm484183997水平分里68,5592,274769210142O7716162973989874138423777333737003077769939294912729899998050789Soltt647g56343*1794788372875472878791738327937947990939929939gnl75101136OO7&104419356310012g97697028三及72292379735939757983766780999-989颊173837745演499743367711610006790491118189213832734778179O4929399799996271241593377437915023837884760777650464129r928(2之8BK7lr8019g95Qw3Qw3QwQwT68580325614772749l52a4788478ft7O86g1484Z&00053984383Z875700561051116O8997979017011291899911639106506832669O25O90588789379972868265O000204沏41948395938对927湖957题0188M11x1*98888Oo1111AD(xa。打a11199399375356344340347361374354238403632282420181284计算点深度Ca用该程序计算出各计算点的应力值后，将应力值和坐标导入MatSb进行插值拟合,拟合图像如下。观察应力图形发现，挡墙中上部存在应力集中。但本计算方法中未考虑玻璃箱所提供侧限产生的边界效应。若考虑边界效应，两侧土体将会受到更强烈的挤压而使更多的应力向两侧积累。并考虑到本小组挡墙设计方案中将面板分为三个单元，经实验证明可有效限制挡墙面板的挠曲，故在下面的计算中仍视作平面问题进行求解。简化为平面问题后，挡墙面板侧向应力值如下图所示。挡墙侧应力（Nm）21501500481216202428323640计算点深度（cm）4格室摩擦力增幅测试本小组在第一次实验中并没有在挡墙底部采用格室构造，发现实际最大加载量仅为理论计算值的三分之二。至最大加载量时，挡墙并未倾覆或发生不容许的变形，而是整体向前滑移。经过反思，我们认为底板与砂土接触一面的静摩擦力未能达到理论的最大静摩擦。经过改进，我们在底板上加入格室构造以固沙，并设计小实验来测试不设置格室和设图2-7挡墙面板侧应力软件拟合应力云图表2-2格室摩擦力增幅测试结果<三ft2置格室后， 受抗力的 示意图和 如下所示。对底板所 影响。实验 实验数据项目实验组均值对照组工对照组2格室面积M20.6>1276o.osyD.0L2压力NG5.>t657摩擦力N55.343.g单面计摩擦系数。叼0.41摭乏米&Il格室附加UI纸板与砂士U2纸板与木箱3。.=。.43。.&尹。.4=。.2Qp0.415强度、稳定验算通过上面的计算分析，%、,以及各个接触面的摩擦系数均为己知，可通过静力分析获得其他未 角下的受度）， 况如下：知力。通过计算不同的挡墙倾角和斜拉筋倾力情Ft况，最终确定挡墙倾角为四度（亦作斜拉筋倾角为三度的方案。该方案下受力情Fx2图2十格室镰力增幅测试方法示意图图ZlZ挡墙面板侧应力线荷载简化结果(e/n)R但晅坳寰逑底板盘哪晚哪受内井W结果(WN)K同基要挡墙侧应力（Nm）符号FtFxiF心Fxa2平F笫ft斜挡墙f2-S挡f结构属分析承格室内砂箱体对传递给墙拉筋拉拉筋拉板竖璃箱对土和格室上方备注拉筋角的水平力水平力竖向向压底板支砂土之间的摩挡墙底板拉力力分量分量力撑力擦力的摩擦力值271.3024W3115oy.232.4(N)57.3G.1G3,W设所需Icrvt筋条数量为八，安全系数为M图2-及挡墙底板竖向应力线荷载简化结果257.3kt=UMVQ>Fq"H1+Fq3口33630×0A3+±±5.2×O.1M=；=1.4»f+62.2+32.46方案确定根据上面的计算，本方案能够提供的最大静摩擦力为所需摩擦力的工.4邑倍，可视为足够安全。但要满足材料性能的要求，还需要一些构造措施确保构件能够稳定地发挥作用。最终确定的方案如图所示图2-石挡墙整体示意图图2-14挡墙单元示意图215挡墙尺寸其中主要的构造措施和设置理由如下：将挡墙面板分为三个单元并设置板肋，一个单元内的板肋与面板为不经粘接的整体。理由：本方案的设计将面板受力情况简化为平面问题时，对面板沿轴向的抗压能力和抗弯能力提出了要求。板肋插入土中，其变形受土体限制，大大提高了面板的轴向抗压强度。此外,该措施还可以保证加载过程中面板不出现过大的竖向挠曲。经实验证明确实有效。在挡墙中部额外设置四条斜拉筋理由：若仅在挡墙顶部设置斜拉筋，在加载和振实的过程中，板肋的作用不能完全发挥，此时将有可能因面板中部受过大弯矩而发生变形或破坏。故为全局地考虑整个挡墙制作过程和加载过程，在挡墙中部额外设置四条斜拉筋以保证墙体稳定。三、模型剪切方案与材料用量：模型材料剪切方案如下，其中网格区为粘贴区。本方案共耗。.442。GMZ纸板、。.0六_2n2双面胶。按纸板/LLg/以2（实测），双面胶小Og/以2（实测）计，本方案耗材共计323.4g7 KK K1K <i四、工作总结：本小组在此次竞赛的准备过程中，主要有以下几点感想和结论:1土体实际的物理力学性质和经验或理论结论会有所差异，尤其是在条件不那么适用的情况下。例如本设计方案中所采用的附加荷载在土中应力扩散明德林解，其实并不严格适用于箱体内受侧限影响严重的砂土体。故如要应用这样的计算结果，需要根据实验情况，设置一定的安全系数和构造措施。2挡墙结构的受力分析的前提是合理的模型简化。简化得不够“简化”，则会使计算量过大，不能够准确体现实际受力情况的简化，则会使计算结果与实际情况差异较大。但如果能够熟练运用有限元软件进行模拟就再好不过了，但时间有限，本次设计中没有运用有限元软件。3我们认为本次竞赛中的一个关键点是充分发挥纸板、双面胶、砂土的材料性能。尤其是将砂土作为挡墙本身建造材料的考虑。通常我们只会想如何把纸板、双面胶拼接出怎样的形状去阻挡砂土，但很少首先考虑到砂土本身是否能成为挡墙体的一部分。例如用纸板模拟钢管、砂土模拟钢管里的混凝土来制作“钢管混凝土构件”来承受轴向压应力。照这个思维，可运用构件的材料性能就有更多的可能性。“钢管混凝土”可用做顶住挡墙侧板以提供更多摩擦力，也可以通过一定的构造直接顶住面板。但这个想法出现得太晚，大幅度修改设计方案已经来不及，所以在本设计方案中，仅采用了嵌入砂土的板肋来创造面板的轴向抗压能力和抗弯能力。五、参考资料：1陈国兴，樊良本，陈甦等土质学与土力学LM.北京：中国水利水电出版社，（4）:'2-!Q0Lw袁聚云，赵锡宏.竖向均布荷载作用在地基内部时的土中应力公式5.上海力学，三2乡5；。3:2工3-222仁1顾晓鲁，地基与基础LML北京：中国建筑工业出版社，例当第二版：142